Nghiên cứu ứng dụng phương pháp cơ học thực nghiệm để thiết kế tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường mềm cũ trong khu vực tỉnh đồng nai luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------ ĐÀM QUANG NAM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC – THỰC NGHIỆM ĐỂ THIẾT KẾ TĂNG CƯỜNG, CẢI TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- -

ĐÀM QUANG NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP

CƠ HỌC – THỰC NGHIỆM ĐỂ THIẾT KẾ TĂNG CƯỜNG, CẢI TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CŨ

TRONG KHU VỰC TỈNH ĐỒNG NAI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- -

ĐÀM QUANG NAM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP

CƠ HỌC – THỰC NGHIỆM ĐỂ THIẾT KẾ TĂNG CƯỜNG, CẢI TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CŨ

TRONG KHU VỰC TỈNH ĐỒNG NAI

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

MÃ SỐ: 62.58.02.05 CHUYÊN SÂU: KTXD ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS LÊ VĂN PHÚC

Thành Phố Hồ Chí Minh, Năm 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn đề tài “N -

N ” là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Dưới sự hướng

dẫn nhiệt tình khoa học của thầy TS Lê Văn Phúc - Bộ môn đường bộ - đường sắt, Trường Đại học Giao thông vận tải - Phân hiệu tại TP Hồ Chí Minh, sự giúp đỡ không nhỏ từ phía Khu Quản lý Đường bộ, đường thủy Đồng Nai, Công ty Cổ Phần Long Bình Mê Kông, Phòng thí nghiệm kiểm định Las-XD1341- Công ty TVKĐ Xây dựng thương mại Đồng Nai

Các số liệu, kết quả sử dụng phân tích nêu trong luận văn là trung thực, khách quan, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Để hoàn thành luận văn này, một số kết quả trích dẫn được tham khảo các tư liệu, giáo trình và đề tài nghiên cứu đã được công bố của các nhà khoa học trong và ngoài nước

Học viên

Đàm Quang Nam

LỜI CẢM ƠN

à à à à ày e ã ậ ợ

s ỗ ợ ú ỡ ủ q ậ à â N ợ

à à s ậ ừ q liên qua s b y à ủ ở ổ S ú ỡ ậ à ầ ừ í

MỤC LỤC :

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết 1

2.Mục tiêu của đề tài 1

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận 1

CHƯƠNG I 3

TH C TRẠNG ĐƯ NG BỘ S DỤNG K T CẤU ÁO ĐƯ NG M M TẠI KHU V C TỈNH Đ NG N I, CÁC LOẠI K T CẤU S DỤNG TRONG C NG TÁC DUY TU THƯ NG XUY N, DUY TU S CH ĐỊNH K ĐỘT XUẤT 3

1.1 Thực trạng đường bộ sử dụng kết cấu áo đường mềm tại khu vực tỉnh Đồng Nai 3

1.2 Các loại kết cấu sử dụng trong công tác duy sửa ch a thường xuyên, duy tu sửa ch a định kỳ đột xuất 4

1.2.1 Duy tu sửa ch a ch a định kỳ đột xuất 4

1.2.2 Duy tu sửa ch a thường xuyên 5

CHƯƠNG II 7

NGHI N C U PHƯƠNG PHÁP THI T K K T CẤU ÁO ĐƯ NG T NG CƯ NG, CẢI TẠO K T CẤU ÁO ĐƯ NG B NG PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC TH C NGHIỆM (MEPDG) 7

2.1 Giới thiệu phương pháp cơ học thực nghiệm (MEPDG) 7

2.1.1 Khả năng của MEPDG 9

2.1.2 Trình tự phương pháp thiết kế theo MEPDG 10

2.1.3 Các thông số thiết kế 12

2.1.3.1 Các thông số đầu vào 12

2.3.3.2 Các thông số trạng thái giới hạn 14

2.1.4 Độ tin cậy thiết kế 15

2.1.5 Phương trình tính toán và kết quả phân tích 18

2.1.5.1 Độ lún 18

2.1.5.2 Nứt do mỏi 21

2.1.5.3 Nứt do nhiệt (nứt ngang) 23

2.1.5.4 Độ gồ ghề 25

2.1.5.5 Các kết quả phân tích tính toán 26

2.1.6.2 Tổng quan về phương pháp hiệu chỉnh 28

2.1.7 Phân tích, đề xuất nh ng điều kiện áp dụng phương pháp MEPDG ở Việt Nam 30 2.2 Các định nghĩa về tuổi thọ của kết cấu mặt đường mềm 33

2.1.1 Tuổi thọ của kết cấu mặt đường 34

2.1.2 Tuổi thọ còn lại của kết cấu mặt đường 35

NG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MEPDG Đ THI T K T NG CƯ NG K T

CẤU ÁO ĐƯ NG M M CHO TUY N ĐƯ NG ĐT.769 TRONG KHU V C

TỈNH Đ NG N I 38

3.1 Thông tin chung tuyến đường ĐT.769 38

3.2 Khảo sát các hư hỏng trên tuyến đường ĐT.769 39

3.2.1 Thí nghiệm xác định modul đàn hồi tĩnh tại hiện trường 39

3.2.2 Tổ chức đếm xe cho đoạn ĐT.769 40

3.3 Phân tích và đánh giá các hư hỏng mặt đường 40

3.2 Thiết kế tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường theo TCN211-06 44

3.3 Phần mềm cơ học thực nghiệm (MEPDG) 44

3.3.1 Thông số khí hậu 45

3.3.2 Thông số vật liệu 45

3.3.3 Thông số tải trọng 47

3.3.4 Các tiêu chuẩn giới hạn 48

Bảng 3.2 Các tiêu chuẩn giới hạn thiết kế 48

3.3.5 Kết quả phân tích các kết cấu 48

3.4 Đề xuất giải pháp sửa ch a tăng cường kết cấu áo đường ĐT.769 49

K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ 50

Kết luận: 50

Kiến nghị : 50

TÀI LIỆU TH M KHẢO 52

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết

Hiện nay ở Việt Nam việc thiết kế tăng cường mặt đường bê tông nhựa thường áp dụng theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 [1] để tính toán chiều dày yêu cầu lớp BTN tăng cường Tuy nhiên, việc thiết kế theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 [1] chỉ kiểm toán trượt trong nền ở trong nền đất và các lớp vật liệu kém (kém dính), mà không kiểm toán trượt ở trong các lớp bê tông nhựa Đồng thời phương pháp thiết kế này tính toán kết cấu áo đường theo mô đun đàn hồi tĩnh và chưa xem xét điều kiện khí hậu thực tế khu vực Để khắc phục được các nhược điểm của phương pháp này, thiết kế theo phương pháp cơ học thực nghiệm (MEPDG) của Mỹ [2] có thể dùng xem xét tất cả các nhược điểm TCVN 211-06 Ngoài ra các phương pháp thiết kế tăng cường hiện nay thông thường chỉ nâng lên 5cm so với mặt đường cũ dẫn đến nâng cao cốt cao độ mặt đường cũng như giảm tuổi thọ kết cấu áo đường Vì vậy cần phải đề xuất một giải pháp thiết

kế cải tạo nâng cấp kết cấu mặt đường mềm nhằm nâng cao tuổi thọ khai thác là hết sức cần thiết trong giai đoạn hiện nay

Việc đánh giá mức độ hư hỏng của mặt đường và thiết kế tăng cường kết cấu áo đường ảnh hưởng trực tiếp đến giải pháp xây dựng và giá thành công trình, cho nên cần một phương pháp mới cũng như một cách nhìn mới về đánh giá và giải pháp kỹ thuật tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường cũ nhằm tăng tuổi thọ kết cấu áo đường sau khi duy tu mặt đường bê tông nhựa với khối lượng lớn tại khu vực tỉnh Đồng Nai

2.Mục tiêu của đề tài

- Áp dụng phương pháp Cơ học – Thực nghiệm để đánh giá và thiết kế tăng cường, cải

tạo kết cấu áo đường mềm

- Đề xuất giải pháp kết cấu áo đường tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường cũ nhằm tăng

tuổi thọ kết cấu áo đường sau khi duy tu, sửa chửa tăng cường kết cấu áo đường

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: kết cấu áo đường

- Phạm vi nghiên cứu: Thu thập tổng hợp kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và

ngoài nước; Nghiên cứu mô hình dựa trên phân tích theo phương pháp Cơ học – Thực nghiệm thiết kế tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường cũ

4.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu cách tiếp cận

- Lựa chọn tuyến đường đặc trưng trong khu vực tỉnh Đồng Nai, khảo sát thu thập số

- Thu thập các số liệu đầu vào ( hoặc giả định) để tính toán kết cấu áo đường

- Kiểm toán các kết cấu theo 22TCN 211-06

- Dựa vào các kết quả nghiên cứu của các tác giả xác định các thông số đầu vào cho

phần mềm Cơ học thực nghiệm MEPDG

- Thiết kế tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường cũ theo phương pháp MEPDG, vẽ

đường cong Master curve

 Phương pháp nghiên cứu:

- Pháp nghiên cứu lý thuyết: Sử dụng các mô hình, phần mềm tính toán dựa theo

phương pháp cơ học thực nghiệm để phân tích, đánh giá;

- Phương pháp thực nghiệm: so sánh kết quả chạy phần mềm với kết quả thí nghiệm

ngoài hiện trường một đoạn tuyến để đánh giá

 Nội dung nghiên cứu:

- Thực trạng đường bộ sử dụng kết cấu áo đường mềm tại khu vực tỉnh Đồng Nai, các

loại kết cấu duy tu thường xuyên, duy tu sửa ch a định kỳ đột xuất

- Giới thiệu phương pháp Cơ học – Thực nghiệm

- Giải pháp tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường cũ

- Trình tự thiết kế theo phương pháp MEPDG

- Chọn tuyến đường thực tế tại Đồng Nai, thu thập d liệu của tuyến đường

- Thiết kế tăng cường, cải tạo áo đường cũ theo quy trình 22TCN211-06

- Thiết kế tăng cường, cải tạo kết cấu áo đường cũ theo phương pháp MEPDG

- So sánh đánh giá 2 phương pháp và đề xuất phương án kết cấu áo đường cũ tại khu

vực tỉnh Đồng Nai

CHƯƠNG I THỰC TRẠNG ĐƯỜNG S DỤNG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM TẠI KHU VỰC TỈNH ĐỒNG NAI, CÁC LOẠI KẾT CẤU S DỤNG TRONG CÔNG TÁC DUY TU THƯỜNG XUYÊN, DUY TU S A

CH A ĐỊNH K Đ T XUẤT 1.1 Th c trạng đường ộ s dụng ết cấu áo đường mềm tại hu v c tỉnh Đồng Nai

- Hệ thống đường Quốc gia đi qua địa bàn tỉnh Đồng Nai gồm: QL.1, QL.1K, QL.20, QL.51, QL.56 và cao tốc Hồ Chí Minh-Long Thành-Dầu Giây Đây là hệ thống giao thông đối ngoại quan trọng của tỉnh, kết nối tỉnh với các tỉnh lân cận, thúc đẩy giao lưu và trao đổi kinh tế

- Ngoài hệ thống đường Quốc gia, trên địa bàn tỉnh hiện có 24 tuyến đường tỉnh và

227 tuyến đường huyện tạo ra mạng lưới các tuyến nhánh, kết nối với các tuyến quốc lộ theo dạng xương cá, góp phần phục vụ nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa của người dân trên địa bàn tỉnh

- Nhìn chung, mạng lưới đường bộ cơ bản đã bao phủ rộng khắp địa bàn tỉnh Tuy nhiên, đường tỉnh và đường huyện vẫn còn đường đất gây khó khăn cho việc đi lại của người dân, đặc biệt vào mùa mưa đường đọng nước và trơn lầy tiềm ẩn tai nạn giao thông

- Theo số liệu thu thập và kết quả khảo sát thực tế, tổng chiều dài của mạng lưới đường bộ trên địa bàn tỉnh là 8.935,5km, tỷ lệ nhựa (cứng) hóa đạt 82%; bao gồm:

- Hệ thống Quốc lộ và cao tốc đi qua địa bàn tỉnh có 6 tuyến với tổng chiều dài qua địa bàn tỉnh là 306,1 km, tỷ lệ nhựa (cứng) hóa đạt 100% (01 tuyến cao tốc TP HCM – LT – DG dài 42,3 km, 05 tuyến Quốc lộ dài 263,8 km)

- Hệ thống đường tỉnh: Gồm 24 tuyến đường tỉnh với tổng chiều dài là 453,6km, tỷ

- Hệ thống đường xã: Tổng chiều dài 6.078,6 km, tỷ lệ cứng hóa đạt 85%

Trong phạm vi đề tài này, học viên thu thập d liệu các tuyến đường do tỉnh Đồng Nai đầu tư và quản lý, cụ thể thu thập d liệu tại Khu Quản lý đường bộ, đường thủy Đồng Nai – Sở Giao thông vận tải, hệ thống đường tỉnh 24 tuyến đường với

4

đường tỉnh được cấp khoảng 250.000 triệu đồng thực hiện công tác duy tu sửa ch a thường xuyên và duy tu sửa ch a định kỳ, đột xuất (trong đó duy tu thường xuyên khoảng 70.000 triệu đồng, duy tu sửa ch a định kỳ đột xuất 180.000 triệu đồng), nhưng

so với thực tế là không đủ cho công tác duy tu sửa ch a

1.2 Các oại ết cấu s dụng trong c ng tác du s a ch a thường u ên, du

tu s a ch a định đột uất

Hiện tại tại các tuyến đường tỉnh tại Đồng Nai đang sử dụng hai phương án duy tu áp dụng cho cả duy tu sửa ch a thường xuyên và duy tu sửa ch a định

kỳ đột xuất

- Phương án thảm bù vênh lớp BTNN và thảm tăng cường 1 lớp BTN C9.5

- Phương án thay thế kết cấu hiện trạng: thay thế nền đường, móng đường và lớp mặt

 Kết cấu sửa ch a loại 1:

o Cào bóc lớp bê tông nhựa hiện h u trung bình ≤ 6 -:-7cm;

o Tưới nhựa dính bám 1kg/m2;

o Thảm bê tông nhựa C12,5 bù vênh;

o Thảm bê tông nhựa C12,5 dày 6 -:- 7 cm

 Kết cấu sửa ch a loại 2:

o Đào bỏ lớp vật liệu cũ;

o Lu lèn nền hạ, độ chặt K ≥ 0.95;

o Lớp sỏi đỏ dày 30cm sau khi nén, độ chặt K ≥ 0.98;

o Lớp đá dăm 25 -:- 45 cm (tùy theo kết cấu hiện h u đường);

o Tưới nhựa thấm bám 1kg/m2;

o Thảm bê tông nhựa C12,5 bù vênh;

o Thảm BTN C12,5 dày 6-:-7cm đến cao độ thiết kế

 Kết cấu sửa ch a loại 3:

o Đào bỏ lớp vật liệu cũ

o Lu lèn nền hạ, độ chặt K ≥ 0.95;

o Lớp sỏi đỏ dày 30cm sau khi nén, độ chặt K ≥ 0.98;

o Lớp đá dăm 25 -:- 45 cm (tùy theo kết cấu hiện h u đường)

o Tưới nhựa thấm bám 1kg/m2;

o Thảm BTN C12,5 dày 6cm đến cao độ thiết kế

 Đối với vị trí phần mặt đường còn lại thảm BTNN tăng cường:

o Vệ sinh mặt đường nhựa;

o Tưới nhựa dính bám 0,5kg/m2;

o Bù vênh bằng BTNN thiết kế C12,5 đạt độ dốc ngang thiết kế;

o Tưới nhựa dính bám tiêu chuẩn nhựa 0,5 kg/m2;

o Thảm BTNN C12,5 dày 3cm đến cao độ hoàn thiện

1.2.2 Du tu s a ch a thường u ên

 Kết cấu sửa ch a loại phổ biến:

o Vệ sinh mặt đường nhựa;

o Tưới nhựa dính bám 0,5kg/m2;

o Bù vênh bằng BTNN thiết kế C9,5 đạt độ dốc ngang thiết kế;

o Tưới nhựa dính bám tiêu chuẩn nhựa 0,5 kg/m2;

o Thảm BTNN C9,5 dày 5cm tăng cường

 Kết cấu sửa ch a còn lại: thay thế kết cấu cũ hư hỏng các vị trí ổ gà nhỏ lẻ Tham khảo Quyết định 1472 QĐ-BGTVT năm 2017 của Bộ G ao thông vận tải về việc ban hành Hướng dẫn kỹ thuật sửa ch a mặt đường bê tông nhựa trên các tuyến quốc lộ đang khai thác, có rất nhiều loại hư hỏng nhưng với tình hình thực tế tại Đồng Nai thì hiện tại các tuyến đường tỉnh đều áp dụng kết cấu trên cho công tác duy tu sửa ch a tăng cường áo đường mềm cũ

Trong thực tế các tuyến đường thiết kế lớp BTN tăng cường áo đường mềm

cũ phổ biến nhất của duy tu thường xuyên là thảm tăng cường lên lớp áo đường

6

việc áp dụng một phương pháp mới để tính tính thiết kế kết cấu áo đường tăng cường nhằm nâng cao tuổi thọ kết cấu áo đường mềm cho Tỉnh là hết sức cần thiết Phương pháp MEPDG của Mỹ hiện nay là phương pháp tiên tiến nhất trên thế giới, tác giả tiến hành sử dụng phương pháp này để thiết kế tăng cường cho 1 tuyến đường củ thể của Tỉnh

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TĂNG CƯỜNG, CẢI TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NG PHƯƠNG

PHÁP CƠ HỌC THỰC NGHIỆM (MEPDG)

2.1 Giới thiệu phương pháp cơ học th c nghiệm (MEPDG).

Phương pháp cơ học thực nghiệm (MEPDG) được nghiên cứu dưới sự tài trợ của Viện hàn lâm Khoa học quốc gia Mỹ (US N S) và Chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ Mỹ (NCHRP) Nghiên cứu được thực hiện trong 7 năm (1998-2004), với tổng kinh phí 11 triệu USD, là một trong nh ng nghiên cứu lớn nhất từ trước đến nay trên thế giới trong lĩnh vực đường bộ Nhóm nghiên cứu kết cấu mặt đường mềm và bê tông nhựa do GS.TS M.W.Witczak chủ trì cùng với 27TS, 6 ThS thực hiện Nhóm nghiên cứu kết cấu mặt đường cứng do GS.TS M.Darter chủ trì Kết quả nghiên cứu được thể hiện bằng báo cáo NCHRP 1-37A

và phần mềm phân tích MEPDG (phần mềm thương mại là ( SHTOWare Pavement ME Design™ 2.3)

MEPDG ứng dụng phương pháp tính toán tiên tiến và hiện đại nhất hiện nay với hệ số độ tin cậy tính toán một cách tường minh MEPDG phối hợp các phương trình theo lý thuyết, bao gồm lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo, lý thuyết mỏi, lý thuyết nhiệt và các phương trình từ các mối quan hệ thực nghiệm và kinh nghiệm thu thập được với nh ng trạng thái giới hạn rõ ràng, chi tiết tùy thuộc vào loại kết cấu vật liệu Phương trình tính toán là mối quan hệ gi a thông số trạng thái giới hạn và các thông số phụ thuộc, thể hiện sự phát triển hư hỏng theo thời gian, ứng với số lần tác dụng của tải trọng xe Với các phương trình này, người thiết kế có thể tính được giá trị của các chỉ tiêu đặc trưng hư hỏng mặt đường tại từng thời điểm MEPDG khắc phục được các nhược điểm của phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường thuần thực nghiệm SHTO phát triển trên cơ

sở các thử nghiệm SHO

MEPDG có thể phân tích 17 loại kết cấu mới hoặc nâng cấp cải tạo với nhiều thư viện kết cấu vật liệu phong phú, ứng với mỗi loại kết cấu vật liệu sẽ có các trạng thái giới hạn khác nhau Ví dụ đối với kết cấu mặt đường mềm thì các trạng thái giới hạn phản ánh được đặc trưng khai thác: Độ lún vệt bánh xe (độ lún trong lớp bê tông nhựa, lún trong các lớp vật liệu không gia cố, lún trong nền đất); Nứt do mỏi (nứt mỏi trong lớp bê tông nhựa, nứt mỏi trong hỗn hợp gia cố

vô cơ); Nứt do nhiệt, nứt ngang; Nứt dọc; Độ gồ ghề (IRI)

Các thông số đầu vào trong MEPDG bao gồm khí hậu, tải trọng, vật liệu, và nền đất Các thông số này không độc lập mà có nh ng tác động lẫn nhau bằng các mô hình tương tác Thông số vật liệu và nền đất được xác định bằng các thí nghiệm

8

được phân tích bằng các mô hình trên cơ sở chuỗi số liệu trong thời gian dài Sự tương tác gi a các yếu tố thời tiết tới vật liệu làm kết cấu mặt đường và tải trọng khá phức tạp Các yếu tố như: Lượng mưa, nhiệt độ, các chu kỳ đóng-tan băng, khoảng cách tới mực nước ngầm,… có tác động tới nhiệt độ và độ ẩm của kết cấu nền-mặt đường, qua đó ảnh hưởng tới khả năng chịu tải của các lớp vật liệu

và sự làm việc của mặt đường MEPDG không sử dụng khái niệm “tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn” mà phân tích phổ tải trọng Nh ng điểm mới trên là cách tiếp cận thiết kế đầy đủ và rất bài bản, đảm bảo chất lượng tổng thể của kết cấu

và chất lượng của mỗi lớp vật liệu của mặt đường Cách tiếp cận này có thể xem như hoàn toàn mới trong điều kiện của Việt Nam hiện nay đòi hỏi phải có nh ng nghiên cứu chuyên sâu

Phương pháp cơ học - thực nghiệm đã và đang được sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đường ở Mỹ, Canada và được rất nhiều nước nghiên cứu áp dụng trong phân tích kết cấu mặt đường Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi số liệu đầu vào lớn, thiết bị thí nghiệm đắt tiền, trình tự thí nghiệm xác định phức tạp, thông số khí hậu theo từng địa phương nên cần có thời gian tiếp cận, nghiên cứu, thử nghiệm và tích lũy kinh nghiệm ở Việt Nam Mặt khác phương pháp này được thiết lập trong điều kiện Mỹ, vì vậy muốn sử dụng được ở Việt Nam cần có

nh ng phân tích, nh ng nghiên cứu địa phương hóa khi sử dụng

Hiện nay, Việt Nam đã và đang sử dụng hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, thi công

và nghiệm thu được biên soạn dựa theo các tiêu chuẩn SHTO, STM Định hướng của Bộ GTVT cũng dần từng bước chuyển sang biên soạn các tiêu chuẩn Việt Nam dựa trên các tiêu chuẩn SHTO và STM

Xuất phát từ yêu cầu thực tế này, việc triển khai nghiên cứu là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có tính thời sự nhằm từng bước tiếp cận công nghệ hiện đại

Hình 2 1:Giao diện phần mềm MEPDG

2.1.1 Khả năng của MEPDG

Phần mềm tính toán kết cấu áo đường theo cơ học thực nghiệm của Mỹ (MEPDG) có thể phân tích 17 loại kết cấu mới hoặc nâng cấp cải tạo [40] với nhiều thư viện kết cấu vật liệu phong phú, các thông số đầu vào tùy biến cao:

 Kết cấu mặt đường mềm có lớp mặt BTN (HM ) làm mới hoặc xây dựng lại;

 Kết cấu mặt đường BTXM phân tấm (JPCP) hoặc BTXM cốt thép liên tục (CRCP) làm mới hoặc xây dựng lại;

 Lớp BTN tăng cường trên mặt đường cũ BTN, BTXM phân tấm hoặc BTXM cốt thép liên tục;

 Lớp BTXM tăng cường, dính chặt hoặc không dính trên mặt đường cũ BTXM phân tấm, BTXM cốt thép liên tục, hoặc mặt đường BTN;

 Kết cấu mặt đường tăng cường có sử dụng lớp tái chế

10

2.1.2 Trình t phương pháp thiết ế theo MEPDG

Quá trình thiết kế theo phương pháp cơ học - thực nghiệm là quá trình thử dần đúng Người thiết kế phải đưa ra 1 kết cấu mặt đường mẫu cùng với các giới hạn hư hỏng có thể chấp nhận được như: Biến dạng không phục hồi (độ lún), nứt do mỏi (nứt dọc & nứt lưới), nứt do nhiệt (nứt ngang), độ gồ ghề (IRI)… tương ứng với từng dự án Nếu kết cấu mẫu không thoả mãn các giới hạn đã được đưa ra, người thiết kế sẽ điều chỉnh và tính toán lại cho đến khi các chỉ tiêu giới hạn trên đều đạt Trong phần mềm MEPDG đã cung cấp tất

cả các kết cấu mẫu, các số liệu đặc trưng, các thông số mặc định, người thiết

kế điều chỉnh các số liệu cho phù hợp

Với các phương trình được thiết lập chủ yếu theo cơ học, sử dụng các hệ số được xác lập từ thực nghiệm, phương pháp cơ học thực nghiệm được thực hiện theo trình tự thiết kế ở hình 2.2

1 Thiết kế cấu tạo một kết cấu ban đầu bao gồm: số lớp vật liệu, loại và chiều dày mỗi lớp, phù hợp với nh ng điều kiện cụ thể như: Đất nền, đặc trưng vật liệu, tải trọng, khí hậu, điều kiện thi công, …

2 Đưa ra các thông số trạng thái giới hạn (các đặc trưng hư hỏng), đặc trưng cho tình trạng mặt đường ở cuối thời kỳ khai thác (ví dụ: Mức độ biến dạng không hồi phục, nứt do mỏi, nứt do nhiệt, độ gồ ghề)

3 Chọn mức độ tin cậy cho các đặc trưng trên Do sự sai khác của vật liệu,

sự thay đổi của điều kiện khí hậu, điều kiện giao thông và công nghệ xây dựng, cần phải xét đến độ tin cậy trong thiết kế kết cấu mặt đường Để xác định độ tin cậy trong thiết kế, các sai số hoặc hệ số sai số của các thông số đầu vào như vật liệu, khí hậu, điều kiện giao thông và kể cả chiều dày lớp được xem xét đến ngay từ các bước xác định thông số đầu vào từ bước (1) đến bước (4) Các ứng suất, biến dạng xác định được theo các mô hình tính toán vì thế đã bao gồm độ tin cậy

Hình 2 2 Trình tự thiết kế theo MEPDG

4 Đưa các thông số khí hậu tại khu vực thiết kế, xây dựng Thông thường MEPDG đã có các số liệu trên toàn bộ lãnh thổ Mỹ và Canada, cần có nh ng nghiên cứu mô hình khí hậu để đưa các thông số của Việt Nam vào

5 Xử lý các thông số đầu vào để xác định: lưu lượng giao thông trung bình tháng, các đặc trưng vật liệu theo từng thời kỳ khí hậu trong năm, các đặc trưng khí hậu trong suốt thời kỳ thiết kế

8 Ước lượng các thông số đặc trưng cho tình trạng mặt đường ở cuối thời kỳ tính toán, ứng với độ tin cậy đã chọn

9 Nếu các thông số đặc trưng cho tình trạng mặt đường ở cuối thời kỳ tính toán không đạt yêu cầu, điều chỉnh thiết kế ở bước 1 và lặp lại các bước từ 5 đến 8, cho đến khi đạt Kết cấu cuối cùng được lựa chọn thỏa mãn các mô hình trạng thái giới hạn ứng với mỗi mô hình phân tích hư hỏng được tính toán

2.1.3 Các thông số thiết ế

Các thông số thiết kế, tuỳ theo mức độ chi tiết, có 3 mức:

- Mức độ 1: Số liệu thu được từ các thí nghiệm, phép đo trực tiếp Ví dụ: Đặc trưng vật liệu rút ra từ thí nghiệm trong phòng, số liệu đếm xe và cân

xe

- Mức độ 2: Số liệu rút ra từ các mối tương quan với các số liệu khác Ví dụ:

Mô đun đàn hồi của vật liệu rút ra từ giá trị CBR thông qua các công thức thực nghiệm, mô đun đàn hồi của bê tông nhựa được xác định từ thành phần hỗn hợp, loại và hàm lượng nhựa, độ rỗng Va, VM ,…

- Mức độ 3: Số liệu mặc định đặc trưng cho từng vùng hoặc từng quốc gia Mức độ chi tiết của số liệu đầu vào tuỳ thuộc: mức độ ảnh hưởng của số liệu đến kết quả tính toán (độ nhạy của số liệu), tầm quan trọng của dự án, nguồn lực dành cho dự án,…

Trong các mức độ trên với chi tiết yêu cầu giảm dần, mức độ 1 là khó thực hiện nhất, đòi hỏi phải có nh ng thí nghiệm, kết quả đếm và cân xe thực tế, mức độ 3 là dễ nhất nhưng độ tin cậy của kết quả thiết kế không cao nhất là thực hiện ở ngoài nước Mỹ

2.1.3.1 Các th ng số đầu vào

1 Thông số về giao thông bao gồm:

 Các thông số chung: Số lần tác dụng của trục xe xe tương ứng với các loại hình trục xe và loại hình bánh xe;

 Hệ số phân bố tải trọng trục, phổ tải trọng trục;

 Các hệ số hiệu chỉnh cho thông số tải trọng, bao gồm: hệ số hiệu chỉnh theo tháng, hệ số phân bố loại xe, hệ số phân bố xe tải theo giờ, hệ số tăng trưởng xe hàng năm

2 Thông số khí hậu bao gồm: Các điều kiện ngoại cảnh có tác động đáng kể tới sự làm việc của kết cấu mặt đường mềm Sự tương tác gi a các yếu tố thời tiết tới vật liệu làm kết cấu mặt đường và tải trọng khá phức tạp Các yếu tố như: Lượng mưa, nhiệt độ, các chu kỳ đóng-tan băng, khoảng cách tới mực nước ngầm,… có tác động tới nhiệt độ và độ ẩm của kết cấu nền-mặt đường, qua đó ảnh hưởng tới khả năng chịu tải của các lớp vật liệu và sự làm việc của mặt đường Phần mềm EICM (Enhanced Integrated Climatic Model) được tích hợp trong ME-PDG để phân tích số liệu khí hậu thời tiết EICM được viết trên cơ sở 3 mô hình: Khí hậu-Vật liệu-Kết cấu; Mô hình đóng băng và tan băng; Mô hình thấm thoát nước

Để thiết kế kết cấu mặt đường mềm, cần có các thông tin sau về khí hậu:

 Nhiệt độ không khí theo giờ trong khu vực thiết kế

 Lượng mưa theo giờ trong khu vực thiết kế

 Vận tốc gió theo giờ trong khu vực thiết kế

 Phần trăm nắng theo giờ trong khu vực thiết kế

 Độ ẩm (tương đối) môi trường theo giờ trong khu vực thiết kế

 Chiều sâu tới mực nước ngầm (không đổi, hoặc theo mùa) tại hiện trường Năm giá trị đầu tiên có thể thu được thông qua các số liệu đo đạc khí tượng Mỗi trạm phải có số liệu thống kê của ít nhất 24 tháng Chương trình có thể nội suy các thông tin khí hậu tại một vị trí bất kỳ (trong lãnh thổ nước Mỹ), nếu được cung cấp kinh độ, vĩ độ của vị trí đó Đối với khu vực ngoài lãnh thổ nước Mỹ thì thông số khí hậu là rào cản lớn nhất khi áp dụng MEPDG

3 Thông số về vật liệu mặt đường và nền đường, bao gồm:

 Số các lớp vật liệu kết cấu áo đường, chiều dày của mỗi lớp

 Các thông số vật liệu và đất nền bao gồm: mô đun đàn hồi, hệ số Poisson

 Thông số độ tin cậy cho thông số vật liệu kết cấu mặt đường và nền đường, gồm có dạng phân bố và hệ số thay đổi của thông số tính toán của mỗi lớp vật

Hình 2 3 Các trạng thái giới hạn của kết cấu mặt đường mềm

1 Độ lún vệt bánh xe: phương trình thiết kế thể hiện mối quan hệ gi a chiều sâu vệt lún thể hiện là tổng cộng biến dạng dẻo của các lớp vật liệu mặt đường và đất nền với số lần tác dụng của tải trọng trong mối ảnh hưởng của các thông số như nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng đối với bê tông nhựa, các thông số vật liệu và đất nền đối với các lớp móng và với đất nền

Độ lún không hồi phục tổng cộng của toàn bộ kết cấu áo đường là tổng độ lún của các phân lớp: Các lớp bê tông nhựa, các lớp móng, và nền đất tự nhiên

2 Nứt do mỏi: phương trình tính toán theo điều kiện nứt do mỏi là phương trình cơ bản Miner với các hệ số hiệu chỉnh theo thử nghiệm thực tế thể hiện mối quan hệ gi a biến dạng kéo và số lần tác dụng lặp của tải trọng

 Nứt do mỏi của lớp bê tông nhựa, xuất hiện từ đáy của lớp bê tông nhựa

 Nứt do mỏi của lớp móng gia cố vô cơ, dẫn đến hiện tượng nứt phản ánh của lớp bê tông nhựa, hoặc đẩy nhanh quá trình nứt do mỏi của lớp bê tông nhựa, xuất hiện từ đáy lớp bê tông nhựa

3 Nứt do nhiệt, nứt ngang: phương trình tính toán thể hiện quan hệ gi a số vết nứt xuất hiện với số lần xuất hiện của tải trọng Số vết nứt xuất hiện có được từ hệ số độ lớn ứng suất kéo do chu kỳ thay đổi nhiệt, được tính toán

có xét đến đặc tính đàn hồi - nhớt - dẻo của bê tông nhựa theo mô hình Maxwell

4 Nứt dọc: Nứt do mỏi của lớp bê tông nhựa, xuất hiện từ bề mặt lớp bê tông nhựa truyền xuống các lớp dưới

5 Độ gồ ghề (IRI): phương trình thiết kế thể hiện phát triển độ gồ ghề theo

số lần tác dụng của tải trọng Phương trình cơ bản là phương trình của thử nghiệm SHO, được hiệu chỉnh theo kết quả nghiên cứu thử nghiệm đặc trưng dài hạn của mặt đường

Giá trị trạng thái giới hạn được xác định theo các cấp độ thiết kế và phụ thuộc vào từng dự án: tầm quan trọng, nguồn vốn và quan điểm của Nhà tài trợ và hoặc Cơ quan Quản lý

Giá trị đặc trưng cho trạng thái giới hạn có thể chấp nhận được của các thông

số này cần được nghiên cứu để xác định cho mỗi loại đường và mỗi mức tải trọng giao thông thiết kế phụ thuộc vào từng dự án Với nh ng đường có chức năng quan trọng và đường cấp cao, các ngưỡng hư hỏng chấp nhận sẽ ở mức thấp hơn và ngược lại

2.1.4 Độ tin cậ thiết ế

Độ tin cậy, được định nghĩa là xác suất mà mỗi dạng hư hỏng hoặc độ gồ ghề (IRI) tích luỹ trong suốt thời kỳ thiết kế, nhỏ hơn các giá trị tới hạn tương ứng

Độ tin cậy:

R =P [ Hư hỏng trong thời kỳ thiết kế < Giá trị giới hạn của hư hỏng ] (2- 1 )

Hoặc Độ tin cậy

R = P [ IRI trong suốt thời kỳ thiết kế < Giá trị IRI giới hạn ] ( 2- 2 )

Độ tin cậy càng cao thì chi phí xây dựng ban đầu càng tốn kém Bù lại, chi

16

Mỗi đặc trưng hư hỏng có thể có độ tin cậy thiết kế khác nhau

Ví dụ: Độ tin cậy của nứt do mỏi được định nghĩa như sau:

R = P [Nứt do mỏi trong suốt thời gian thiết kế < 20 % diện tích làn] ( 2- 3 )

Ví dụ: Độ gồ ghề ở cuối thời kỳ thiết kế là 172 inches mile với độ tin cậy

90% có nghĩa là trong suốt thời kỳ thiết kế, xác suất để độ gồ ghề ở cuối thời

kỳ thiết kế < 172 inches/mile là 90%

Trên thực tế, bản thân phương pháp thiết kế mặt đường đã bao gồm các yếu

tố bất định Ví dụ điển hình là việc ước đoán tải trọng trục của nhiều năm

sắp tới Vật liệu và trình độ thi công cũng ẩn chứa nhiều yếu tố ngẫu nhiên

Hơn n a, các tác động lên mặt đường không đồng nhất trên toàn bộ chiều dài

tuyến Mặc dù các khái niệm cơ học đã cung cấp một phương pháp chính xác

hơn trong việc thiết kế mặt đường, vẫn cần có một phương pháp đánh giá các

yếu tố bất định và dung sai trong thiết kế, để việc thiết kế mặt đường có độ

tin cậy nhất định

Trong chương trình hướng dẫn thiết kế đã xét đến độ tin cậy thiết kế đối với

mọi loại mặt đường

Khi người thiết kế nhập vào các thông số, chương trình sẽ tính ra một giá trị

ứng với với các đặc trưng hư hỏng (hoặc độ gồ ghề IRI) tại một thời điểm t

nào đó Bởi vì giá trị này được tính ra dựa trên các thông số đầu vào (mà

các thông số đầu vào đều lấy giá trị trung bình), nên có thể coi giá trị tính

toán này là giá trị trung bình (ứng với xác suất 50%)

Tuy nhiên, do độ tin cậy yêu cầu R thường > 50% (ví dụ: độ tin cậy 90%),

người ta cần tìm một khoảng giá trị để đặc trưng hư hỏng (hoặc độ gồ ghề)

tại thời điểm đang xét, rơi vào đó với xác suất 90% Ví dụ:

P [a < IRI thực tại thời điểm đang xét < b] = 90% ( 2- 4 ) Hoặc có thể viết lại

P [IRIt-ave - σt-IRI < IRI thực tại thời điểm t < IRIt-ave + σt-IRI] = 90% ( 2- 5 ) Trong đó:

IRIt-ave - Giá trị độ gồ ghề tại thời điểm đang xét do chương trình tính ra, căn cứ

vào các thông số đầu vào (IRIt-ave ứng với xác suất 50%)

σt-IRI - Sai số trung phương hay độ lệch chuẩn của IRIt

Biết được quy luật phân phối của giá trị IRI, biết được IRIt-ave, người ta có thể

tính ra σIRI ứng với độ tin cậy R=90% Từ đó khoanh được khoảng giá trị IRI

theo thời gian ứng với độ tin cậy R=90% Trong hình vẽ dưới đây, đường nét đứt

là biên trên của khoảng giá trị đó Để đảm bảo IRI < IRI giới hạn với độ tin cậy

R=90%, thì đường biên trên này phải nằm dưới đường nằm ngang biểu diễn IRI giới hạn trong suốt thời kỳ thiết kế

Hình 2 4 :Độ tin cậy thiết kế theo trạng thái giới hạn độ gồ ghề

Tương tự như vậy, ta có khái niệm độ tin cậy thiết kế của các đặc trưng hư hỏng như hư hỏng dạng nứt (xem hình 2.5)

Hình 2 5: Độ tin cậy thiết kế theo trạng thái giới hạn hư hỏng nứt

σt

t

Giá trị tính toán, ứng với xác suất 50%

IRIt-ave ứng với x.suất 50%

Giá trị tại

độ tin cậy R

Giá trị ứng với độ tin cậy 50%



- Giá trị thực sự của độ gồ ghề IRI (hoặc đặc trưng hư hỏng) tại thời điểm t có thể cao hơn hoặc thấp hơn giá trị trung bình tính ra bởi chương trình (Để thiên về

an toàn, người ta nối các giá trị cận trên tạo thành đường nét đứt trong hình vẽ)

- Đại lượng IRI (hoặc các đặc trưng hư hỏng) tại thời điểm t tuân theo phân phối chuẩn: N( t-ave, σt) Biết được dạng phân phối, biết giá trị trung bình t-ave (tính

ra từ các thông số đầu vào), biết độ tin cậy, sẽ tính được độ lệch chuẩn σt

Ngược lại, cho trước giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và biết được dạng phân phối, người ta sẽ tìm được độ tin cậy

2.1.5 Phương trình tính toán và ết quả phân tích

Phương trình tính toán là mối quan hệ gi a thông số trạng thái giới hạn và các thông số phụ thuộc, thể hiện sự phát triển hư hỏng theo thời gian, ứng với số lần tác dụng của tải trọng xe Với các phương trình này, có thể tính được giá trị của các chỉ tiêu đặc trưng hư hỏng mặt đường tại từng thời điểm

Phương trình tính toán đối với kết cấu mặt đường bê tông nhựa ứng với các trạng thái giới hạn tính toán:

2.1.5.1 Độ ún

Độ lún (là độ lún tổng cộng tại một điểm bất kỳ trong kết cấu mặt đường, nếu trên bề mặt đường, là chiều sâu vệt lún bánh xe) trong phương pháp thiết kế mặt đường theo cơ học - thực nghiệm được xem là một trạng thái giới hạn để tính toán kết cấu mặt đường mềm Độ lún được đánh giá cho các lớp vật liệu có chất dính kết bitum và các lớp vật liệu hạt không gia cố Các lớp vật liệu hạt gia cố chất liên kết vô cơ không xét trạng thái giới hạn tính toán này

Độ lún tổng cộng của các lớp là tổng lún của các phân lớp, được biểu diễn như sau:

(2-

Với: RD: độ lún tổng cộng (tại một vị trí nhất định) (in)

nsublayer: số lớp được phân lớp

εpi: biến dạng dẻo của lớp i

hi: bề dày của lớp thứ i (in)

Độ lún trong lớp bê tông nhựa

Mô hình độ lún tại một điểm trong các lớp bê tông nhựa được xây dựng từ các kết quả nghiên cứu thử nghiệm trong phòng và hiện trường Thí nghiệm trong phòng là thí nghiệm lún vệt bánh mẫu bê tông nhựa theo tiêu chuẩn của Superpave, với số lượt theo dõi vệt lún qua số lần tác dụng tải trọng tích lũy lên mẫu đến 3476 lần cho kết quả của như sau:

39937 0 734 1 15552 3

k r

2 2

r

o GB

h e

r

o SG

(2-

7) Thử nghiệm hiện trường chính là các đoạn thử nghiệm trong chương trình LTPP, bao gồm 88 đoạn thử nghiệm trên 28 bang của Hoa Kỳ và tổng số lần theo dõi lún là 387 lượt Kết quả sau khi xử lý số liệu với cả thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường như sau:

( 2- 8 )

Trong đó:

εp: biến dạng dẻo tích lũy dưới tác dụng của N lần tác dụng của tải trọng đơn tiêu chuẩn (in)

εr: biến dạng đàn hồi của lớp bê tông nhựa, là hàm số của thuộc tính đàn hồi (E và μ) phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian gia tải (in in)

N: số lần tác dụng của tải trọng

T: nhiệt độ (0F)

k1: hệ số điều chỉnh, phụ thuộc vào tổng chiều dày của các lớp bê tông nhựa (hactính bằng in) và chiều sâu của điểm tính toán (depth, tính bằng in), dùng để hiệu chỉnh áp lực giới hạn ở các độ sâu khác nhau

( 2- 9) ( 2- 10 )

Lún trong các lớp vật liệu không gia cố

Biểu thức xác định độ lún của các lớp vật liệu không gia cố được xây dựng: với hệ số điều chỉnh βGB = 1.673

a (N): độ lún trong lớp đang xét (in)

N: Số tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy tác dụng

20

kz z

p

p( z )  (  , 0) e



v N P

0 ,ln 6

1

z p

z pk





dz z

v : biến dạng đàn hồi trung bình của lớp

h : chiều dày của lớp

βSG, βGB: hệ số điều chỉnh cho các vật liệu nền đất và cốt liệu không gia cố

Lún trong nền đất tự nhiên

Biến dạng dẻo tại vị trí nhất định trong nền đất tự nhiên nhƣ sau:

(2- 14)

Trong đó: p(z) : biến dạng dẻo thẳng đứng ở chiều sâu z (tính từ đỉnh nền đất)

p, z = 0: biến dạng dẻo thẳng đứng ở đỉnh nền đất ( z = 0)

z : chiều sâu tính từ đỉnh nền đất

k : hằng số có đƣợc từ kết quả phân tích hồi quy

Trình tự tính tổng lún của nền đất tự nhiên nhƣ sau:

- Tính biến dạng và ứng suất (theo bán không gian đàn hồi tại đỉnh nền đất và ở

vị trí 6 inches tính từ đỉnh nền

- Tính toán các thông số (0/r), ,  ở chiều sâu z = 0 và z = 6 inches

- Dùng các tham số để tính toán, xác định biến dạng dẻo ở cả hai vị trí:

(2- 15)

- Với d liệu của hai vị trí, xác định hệ số k

(2- 16 )

Biến dạng dẻo của đất nền đƣợc thể hiện theo quan hệ sau:

(2- 17)

Tổng biến dạng theo tích phân từ đỉnh nền đến nền đá cứng:

( 2- 18 )

hoặc: (2- 18 )

3 2

11

1

k k

t

f

E Ck

3 1

1 1

'

* 00432

k N

t

với : tổng biến dạng lún ở nền đất tự nhiên

hbedrock: chiều sâu từ đỉnh nền tới nền đá gốc

2.1.5.2 Nứt do mỏi

Có 2 dạng nứt mỏi, bao gồm nứt từ trên xuống (thường là nứt dọc), và nứt từ dưới lên (thường là nứt lưới) Tính toán hư hỏng do mỏi dựa trên nguyên tắc Miner, trong đó hư hỏng do mỏi được xác định theo quan hệ như sau:

( 2-

Với:

D: hư hỏng dạng mỏi

T: tổng các giai đoạn tính mỏi

ni: tải trọng thực trong giai đoạn xét mỏi thứ i

Ni: tải trọng cho phép ở giai đoạn tính mỏi thứ i

Tính toán hư hỏng do mỏi và nứt mỏi được tính toán như sau:

- Nứt mỏi trong lớp bê tông nhựa

- Các phương trình dự báo nứt do mỏi cũng được phát triển bắt đầu phương trình nứt mỏi được xây dựng từ thí nghiệm mỏi đối với mẫu bê tông nhựa hình dầm trong phòng thí nghiệm, với biến dạng đáy dầm được duy trì không đổi qua các chu kỳ gia tải Phương trình cơ bản từ thí nghiệm mỏi như sau:

(2-

Với:

Nf: số lần tác dụng của tải trọng lên mẫu cho đến khi nứt mỏi

t: biến dạng kéo tại đáy dầm

E: độ cứng của vật liệu

k1, k2, k3: hệ số hồi quy của thí nghiệm trong phòng

C: hệ số điều chỉnh gi a thí nghiệm trong phòng và điều kiện hiện trường Các thí nghiệm trong phòng đã được tiến hành trong chương trình nghiên cứu

và kết quả phương trình mỏi cho nghiên cứu thử nghiệm trong phòng của chương trình này là:

( 2-22 ) Phương trình này được sử dụng trong theo dõi thử nghiệm hiện trường về phát triển vết nứt do mỏi Có 441 số liệu quan sát được tổng hợp từ 82 đoạn thử nghiệm của chương trình LTPP trên 24 bang của Mỹ để tổng hợp lên phương

)) 100 ( 10 log ' ' (C1 C1 C2 C2 D bottom

e FC

 10 56 

1

1000

)) 100 ( 10 log 5 3 0 7

2

10825.0

972.0_

log

c

t c

MR Damage

1

(min)(max)

(min))

CSM CSM

e

E E

E t

Với:

FCbottom: % diện tích làn xe bị nứt từ dưới lên (%)

D: mức hư hỏng do mỏi từ dưới lên

( 2- 24 )

Với:

FCtop: nứt mỏi từ trên xuống (ft mile)

D: mức hư hỏng do mỏi từ trên xuống

Nứt mỏi trong hỗn hợp gia cố vô cơ

Nứt mỏi xảy ra trong lớp hỗn hợp gia cố vô cơ có thể dẫn đến các khả năng sau:

- Nếu lớp hỗn hợp gia cố vô cơ nằm ngay dưới lớp bê tông nhựa, vết nứt sẽ lan truyền qua lớp bê tông nhựa lên đến bề mặt

- Nứt mỏi trong hỗn hợp gia cố vô cơ sẽ làm giảm mô đun lớp này, làm cho biến dạng đàn hồi trong lớp bê tông nhựa sẽ lớn hơn, và làm đẩy nhanh tốc độ phát triển nứt truyền từ lớp dưới lên lớp bê tông nhựa phía trên

Phương trình mô tả đặc điểm nứt mỏi trong lớp hỗn hợp gia cố vô cơ như sau:

(2- 25)

Với:

CTB_Damage: số vết nứt do mỏi trong lớp hỗn hợp gia cố vô cơ

t: tải trọng lớn nhất gây nên ứng suất đàn hồi ở đáy lớp hỗn hợp gia cố vô cơ (psi)

MR: Cường độ uốn của hỗn hợp gia cố vô cơ tại 28 ngày tuổi (psi)

c1, c 2: các hệ số điều chỉnh

Mô đun đàn hồi của lớp hỗn hợp gia cố vô cơ sau khi bị nứt mỏi:

) 1 (

C

log 1

( 2- 26 )

Với:

ECSM(t): mô đun của lớp hỗn hợp gia cố vô cơ khi ở mức hư hỏng D, psi

ECSM(max): mô đun max của lớp hỗn hợp gia cố vô cơ khi chưa hư hỏng, psi D: mức hư hỏng của lớp hỗn hợp gia cố vô cơ, (là % viết ở dạng thập phân) Tương quan thực nghiệm gi a mức hư hỏng và mức độ nứt của lớp hỗn hợp gia

cố vô cơ được định nghĩa:

(2-27)

Với:

C: nứt ở lớp hỗn hợp gia cố vô cơ, feet 500feet chiều dài

D: mức độ hư hỏng của lớp hỗn hợp gia cố vô cơ, % ở dạng thập phân

Hiện nay, do tính phức tạp của hiện tượng nứt, sự phân tán của kết quả trên các đoạn thử nghiệm Các hệ số điều chỉnh cho nứt mỏi được gán cho các giá trị:

1: hệ số hồi quy xác định theo vùng

N(z): hệ số phân bố chuẩn tại chiều sâu z

: độ lệch tiêu chuẩn của log (chiều sâu các vết nứt trong mặt đường)

C: chiều sâu vết nứt

hac: chiều dày lớp bê tông nhựa

Các vết nứt phát triển theo chu kỳ thay đổi nhiệt độ theo quy luật Paris về phát triển vết nứt:

n

K A

 ( 2-29)

Với: