Sử Dụng Bisar-Gas Dự Đoán Mođun Cbr Của Đất Nền Cho Kết Cấu Áo Đường Nhựa Mỏng.pdf

Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHÚ DUY SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ÐOÁN MÔ ÐUN CBR CỦA ÐẤT NỀN CHO KẾT CẤU ÁO ÐƯỜNG NHỰA MỎNG[.]

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHÚ DUY

SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ÐOÁN MÔ ÐUN CBR CỦA ÐẤT

NỀN CHO KẾT CẤU ÁO ÐƯỜNG NHỰA MỎNG

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 2580208

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

S K C0 0 4 8 7 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PH Ố HỒ CHÍ MINH

LU ẬN VĂN THẠC SĨ NGUY ỄN PHÚ DUY

NGÀNH: K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN D ỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 2580208

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016

THÀNH PH Ố HỒ CHÍ MINH

LU ẬN VĂN THẠC SĨ NGUY ỄN PHÚ DUY

NGÀNH: KT XÂY D ỰNG CT DD & CN - 2580208

Hướng dẫn khoa học: TS LÊ ANH THẮNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016

i

I LÝ L ỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: NGUYỄN PHÚ DUY Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/08/1991 Nơi sinh: An Xuyên, Cà Mau

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Chung cư Bình Trưng, đường Nguyễn Duy Trinh, phường Bình Trưng Đông, Quận 2, Thành Phố Hồ Chí Minh

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung h ọc chuyên nghiệp:

Ngành học: Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế Chung Cư Lô C, Phường 9,

Quận 3, Thành phố Hồ Chí Minh

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Bảo vệ đồ án tốt nghiệp vào ngày 24 tháng 08 năm 2013, tại Trường ĐH Cửu Long

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Kiệp

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN K Ể TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI

H ỌC:

05/2014 – 08 /2015 Công ty TNHH Delta Architect VN Nhân viên triển khai bản vẽ

ii

Tôi tên: Nguyễn Phú Duy, là học viên cao học ngành Kỹ thuật công trình dân dụng và công nghiệp xin cam đoan đề tài “Sử dụng Bisar-GAs dự đoán mô đun CBR của đất nền cho kết cấu áo đường nhựa mỏng” là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp H ồ Chí Minh, ngày 25 tháng 03 năm 2016

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Phú Duy

iii

Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất nhiệt tình của quý thầy cô ở khoa và quý thầy cô trong ban giám hiệu của trường Đại học sư phạm kỹ thuật, nhân đây xin gửi đến quý thầy cô

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng của bản thân, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Anh Thắng, là người chịu trách nhiệm trực tiếp hướng đẫn và truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báo trong quá trình nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, dù đã rất cố gắng hoàn thành tốt nhất, nhưng vì là lần nghiên cứu đầu tiên nên tôi không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong sự thông cảm và đóng góp từ quý thầy cô để luận văn của tôi có thể hoàn thành tốt hơn Xin chân thành cám ơn!

Học viên Nguyễn Phú Duy

là một cách tiếp cận của quá trình tính toán ngược Đây là quá trình tiếp cận toán

học, vì vậy độ tin cậy của phương pháp này đang là câu hỏi được đặt ra cho nhiều nhà nghiên cứu kết cấu áo đường

Mục tiêu của nghiên cứu này là so sánh mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường dự đoán từ Bisar-GAs và các phương pháp thí nghiệm khác Bên cạnh kết quả từ phòng thí nghiệm, các kết quả từ các phương pháp thí nghiệm không phá hủy

mẫu như: thí nghiệm sóng âm (SPA), thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn (DCP) cũng được sử dụng so sánh Các kết quả thí nghiệm thu được từ Trung tâm nghiên cứu giao thồng vận tải (CTR) và Đại học Texac ở EI Paso (UTEP) được sử dụng trong nghiên cứu

Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng: phần mềm Bisar-GAs có thể dự đoán tốt các giá trị mô đun phòng thí nghiệm được sử dụng trong thiết kế kết cấu áo đường Dường như không có mối tương quan giữa Bisar-GAs với các phương pháp thí nghiệm khác Một số hệ số dựa trên phương pháp xác suất được đề xuất cho mối quan hệ của thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs và các phương pháp thí nghiệm khác

v

FWD testing are currently used and studied worldwide Results obtained from experiments are the elastic modulus of pavement structure layers, estimated based on deflection surface under a load caused by falling heavy object Elastic moduli are determined by a backcalculation program Combination of a series linear layers analysis program such as Bisar and genetic algorithm, which called as Bisar-GAs, is an approach of the backcalculation process This process is a mathematic approach, so the reliability of the approach is a question of several pavement researchers

The goal of this study was a comparison process between elastic moduli of a pavement structure estimated by Bisar-GAs and other testing methods Besides laboratory testing results, result values of several nondestructive testing (NDT) methods considered in this study including Falling Weight Deflectometer (FWD), Seismic Pavement Analyzer (SPA) and Dynamic Cone Penetration (DCP) are used

in comparesion The experimental results obtained from the Center for Transportation Research (CTR) and those of The University of Texas at El Paso (UTEP) were used in the study

The results from this study indicate that BISAR-GAs software can predict the laboratory modulus values which are used in pavement structure design There appeared to be no correlation between FWD testing use Bisar-GAs and other NDT methods Some coefficients based on probability method are proposed for relation

of FWD testing use Bisar-GAs approach and other NDT methods

vi

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xii

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan nghiên cứu và mục đích chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 4

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 5

1.3 Khách thể và đối tương nghiên cứu 7

1.4 Giả thuyết nghiên cứu 7

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8

1.6 Độ tin cậy của đề tài 8

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10

2.1 Phương pháp thí nghiệm trong phòng (Laboratory - LAB) 11

2.1.1 Thí nghiệm nén ba trục động (tải trọng lặp) 11

2.1.2 Chương trình máy tính Kenlayer 14

2.2 Phương pháp thí nghiệm không phá hủy mẫu 17

2.2.1 Thí nghiệm xuyên động (Falling Weight Deflectometer - FWD) 17

2.2.1.1 Thí nghiệm xuyên động FWD 17

2.2.1.2 Chương trình thuật toán Bisar-GAs 22 2.2.1.3 Tiêu chuẩn thiết kế mặt đường 22 TCN 355-06 và tiêu chuẩn

vii

2.2.2 Thí nghiệm sóng âm

2.2.2.1 Thí nghiệm sóng âm - SPA 30

2.2.2.2 Mô hình điều chỉnh giá trị mô đun từ thí nghiệm SPA 33

2.2.3 Thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn (The Dynamic Cone Penetration - DCP) 35

2.3 Ưu và nhược điểm của các phương pháp thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi 40

2.4 Lý thuyết xác suất thống kê 41

2.5 Phương pháp nghiên cứu 42

Chương 3: TIẾN TRÌNH XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI TỪ CÁC THÍ NGHI ỆM KHÁC NHAU 43

3.1 Kết cấu áo đường và lựa chọn vị trí 43

3.2 Thí nghiệm trong phòng LAB 44

3.2.1 Yêu cầu lấy mẫu 44

3.2.2 Thí nghiệm nén ba trục (tải trọng lặp) 45

3.2.3 Xác định mô đun của kết cấu thông qua chương trình Kenlayer 45

3.3 Thí nghiệm tải động FWD 46

3.3.1 Kết quả từ thí nghiệm FWD 46

3.3.2 Sử dụng Bisar-GAs để dự đoán mô đun của kết cấu áo đường 46

3.3.3 Giá trị mô đun của lớp đất nền từ tiêu chuẩn thiết kế mặt đường 48

3.4 Thí nghiệm sóng âm - SPA 48

3.5 Thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn - DCP 49

3.6 So sánh giá trị mô đun của các phương pháp thí nghiệm 51

3.6.1 Phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng và phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu ngoài thực tế 51

3.6.2 Các phương pháp không phá hủy mẫu ngoài thực tế 52

Chương 4: TỔNG HỢP KHẢO SÁT, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ 56

4.1 Kết cấu áo đường của các khu vực thí nghiệm 56

viii

4.3 So sánh mô đun đàn hồi của các phương pháp thí nghiệm không phá hủy

mẫu ngoài thực tế 59

4.3.1 So sánh giá trị mô đun từ thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs và tính toán từ tiêu chuẩn thiết kết 59

4.3.2 So sánh giá trị mô đun từ thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 60

4.3.3 So sánh giá trị mô đun từ thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 63

4.4 Đánh giá độ tin cậy của các phương pháp thí nghiệm 65

4.4.1 Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs trên lớp đá (base) 66

4.4.2 Thí nghiệm SPA với Thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 67

4.4.2.1 Lớp Bê tông nhựa (AC) 67

4.4.2.2 Lớp đá cấp phối (Base) 68

4.4.2.3 Lớp đất nền (Subgrade) 69

4.4.3 Thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 70

4.4.3.1 Lớp đá cấp phối (Base) 70

4.4.3.2 Lớp đất nền (Subgrade) 71

4.5 Nhận xét 72

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 75

5.1 Kết luận 75

5.2 Khuyến nghị 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Phụ lục A: Toán đồ xác định tỷ số EP/MR 82

Phụ lục B: Kết quả điển hình từ chương trình Kenlayer 83

Phụ lục C: Mô đun thu được từ thí nghiệm trong phòng sử dụng chương trình Kenlayer 86

ix

Phụ lục E: Mô đun thí nghiệm FWD sử dụng chương trình Bisar-GAs 94

Phụ lục F: Mô đun theo độ sâu lớp đá từ thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 97

Phụ lục G: Mô đun đất nền tính lặp từ tiêu chuẩn thiết kế 102

Phụ lục H: Mô đun thí nghiệm sóng âm - SPAvà mô đun SPA điều chỉnh 106

Phụ lục I: Kết quả thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn - DCP 109

Phụ lục J: Mô đun thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn - DCP 112

Phụ lục K: Tỷ số mô đun của thí nghiệm LAB với thí nghiệm FWD 114

Phụ lục L: Tỷ số mô đun lớp bê tông nhựa và lớp đất nền của các thí nghiệm dự đoán mô đun với thí nghiệm FWD 116

Phụ lục M: Tỷ số mô đun lớp đá của các thí nghiệm dự đoán mô đun với thí nghiệm FWD 118 Phụ lục N: Bảng tra phân phối chuẩn 120

x

Hình 1.1: Tóm tắt tiến trình thực hiện luận văn 6

Hình 2.1: Chu kỳ thí nghiệm tác dụng lên mẫu 12

Hình 2.2: Giao diện chương trình Kenpave-Kenlayer 15

Hình 2.3: Giao diện Main Menu của Kenlayer 15

Hình 2.4: Thông tin mô hình kết cấu áo đường 16

Hình 2.5: Khai báo thông số chiều dày lớp, hệ số poisson 16

Hình 2.6: Khai báo loại tải tác dụng và giá trị tải 16

Hình 2.7: Thiết bị thí nghiệm không phá hủy FWD 17

Hình 2.8: Vùng ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng tải trọng 18

Hình 2.9: Sơ đồ tải trọng tác dụng FWD và độ võng 18

Hình 2.10: Bộ tạo xung lực gồm tải trọng, thanh dẫn, bộ phận giảm chấn 18

Hình 2.11: Tấm ép truyền tải trọng tác động xuống mặt đường 19

Hình 2.12: Các đầu cảm biến của thiết bị FWD 20

Hình 2.13: Hệ thống lưu trữ và thiết bị thí nghiệm 21

Hình 2.14: Thông tin thí nghiệm hiển thị trên màn hình 21

Hình 2.15: Hình dạng độ võng dạng phễu lún vẽ được từ thí nghiệm FWD 21

Hình 2.16: NST của bài toán ba lớp, ba biến được trình bày dạng mã nhị phân 24 Hình 2.17: Sơ đồ tính toán của chương trình Bisar-GAs 24

Hình 2.18: Khai báo tải trọng rơi và đường kính tấm ép trong Bisar-GAs 25

Hình 2.19: Khai báo chiều dày, hệ số possion và giới hạn mô đun từng lớp 26

Hình 2.20: Số lượng và khoảng cách đầu dò (sensor) độ võng 26

Hình 2.21: Khai báo độ võng ứng đầu dò (sensor) 26

Hình 2.22: Tiến hành cho máy tính phân tích và tính toán 27

Hình 2.23: Kết quả hiển thị của mô hình Bisar-GAs 28

Hình 2.24: Sơ đồ tính toán giá trị mô đun đàn hồi lớp nền 30

Hình 2.25: Thiết bị thí nghiệm sóng âm SPA 31

xi

Hình 2.27: Cấu tạo thành phần chính trong thiết bị của thí nghiệm SPA 32

Hình 2.28: Chương trình máy tính trong thí nghiệm SPA 33

Hình 2.29: Đường cong tán sắc ghi nhận trong chương trình máy tính 33

Hình 2.30: Biểu đồ quan hệ biến dạng và ứng suất của vật liệu 35

Hình 2.31: Mô hình điều chỉnh mô đun thí nghiệm SPA 36

Hình 2.32: Cấu tạo thiết bị thí nghiệm DCP 37

Hình 2.33: Tiến trình thực hiện thí nghiệm DCP 37

Hình 2.34: Yêu cầu số nhân lực tiến hành thí nghiệm DCP 38

Hình 2.35: Xử lý lớp bê tông nhựa trước khi thí nghiệm DCP 39

Hình 2.36: Kết quả thí nghiệm DCP trình bày dạng biểu đồ quan hệ 39

Hình 4.1: Tỷ số mô đun của thí nghiệm LAB với thí nghiệm FWD 59

Hình 4.2: Tỷ số mô đun lớp đất nền của thí nghiệm FWD sử dụng chương trình Bisar-GAs và tính lặp từ tiêu chuẩn thiết kế 61

Hình 4.3: Tỷ số mô đun lớp bê tông nhựa từ thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 62

Hình 4.4: Tỷ số mô đun lớp đá của thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA 63

Hình 4.5: Tỷ số mô đun đất nền của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 63

Hình 4.6: Tỷ số mô đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 65

Hình 4.7: Tỷ số mô đun lớp đất nền của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 65

xii

Bảng 2.1: Trình tự thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của mẫu 13

Bảng 2.2: Phạm vi tham số đề suất tham số trong Bisar-GAs 25

Bảng 2.3: Phạm vi mô đun sử dụng trong Bisar-GAs 25

Bảng 2.4: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp dự đoán mô đun 41

Bảng 3.1: Chiều dày kết cấu áo đường và tải trọng tác dụng 44

Bảng 3.2: Hệ số mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm 46

Bảng 3.3: Thông số đầu vào và giá trị mô đun từ mô hình Kenlayer 46

Bảng 3.4: Kết quả từ thí nghiệm xuyên động FWD 47

Bảng 3.5: Giá trị mô đun thu được từ thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 48

Bảng 3.6: Thông số kết cấu và gí trị mô đun từ Bisar-GAs 48

Bảng 3.7: Giá trị mô đun xác định theo tiêu chuẩn thiết kế 49

Bảng 3.8: Giá trị mô đun thu được từ thí nghiệm sóng âm SPA 50

Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP 50

Bảng 3.10: Giá trị mô đun thu được từ thí nghiệm DCP 51

Bảng 3.11: So sánh mô đun thí nghiệm FWD và thí nghiệm LAB 52

Bảng 3.12: So sánh mô đun lớp bê tông nhựa giữa thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA 53

Bảng 3.13: So sánh mô đun lớp đá (đá vôi) giữa thí nghiệm FWD với thí nghiệm SPA và thí nghiệm DCP 54

Bảng 3.14: So sánh mô đun lớp đất nền giữa thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA 55

Bảng 3.15: So sánh mô đun lớp đất nền giữa thí nghiệm FWD với tiêu chuẩn thiết kế và thí nghiệm DCP 55

Bảng 3.16: Tổng hợp mô đunvà tỷ số đại điện cho các thí nghiệm 56

Bảng 4.1: Vị trí và chiều dày các lớp của kết cấu ở các khu vực 57

Bảng 4.2: Thuộc tính của vật liệu sử dụng trong nghiệm cứu 58

xiii

Bảng 4.4: Mô đun điển hình lớp đá cấp phối theo độ sâu từ thí nghiệm LAB

và thí nghiệm FWD 59

Bảng 4.5: Mô đun điển hình từ thí nghiệm FWD 60

Bảng 4.6: Mô đun lớp đất nền điển hình tính lặp từ tiêu chuẩn thiết kế 61

Bảng 4.7: Mô đun điển hình từ thí nghiệm SPA 62

Bảng 4.8: Mô đun điển hình từ thí nghiệm DCP 64

Bảng 4.9: Khoảng kỳ vọng yêu cầu về xác suất trong tính toán, thiết kế của các loại đường trong tiêu chuẩn AASHTO 93 66

Bảng 4.10: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số của thí nghiệm LAB và thí nghiệm FWD 67

Bảng 4.11: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số theo vật liệu sử dụng của thí nghiệm LAB và thí nghiệm FWD 67

Bảng 4.12: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun bê tông nhựa của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 68

Bảng 4.13: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm FWD sử dụng Bisar và thí nghiệm SPA 69

Bảng 4.14: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun theo vật liệu của thí nghiệm FWD sử dụng Bisar và thí nghiệm SPA 70

Bảng 4.15: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun đất nền của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 71

Bảng 4.16: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 72

Bảng 4.17: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun theo vật liệu của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 72

Bảng 4.18: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun đất nền của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 73

Bảng 4.19: Tổng hợp các hệ số qui đổi theo độ tin cậy 75

1

Chương 1

1.1 Tổng quan nghiên cứu và mục đích chọn đề tài

Trong ngành xây dựng nói chung và xây dựng cầu đường nói riêng thì yếu tố cường độ là quan trọng nhất Áo đường được xem là đủ cường độ nếu như dưới tác

dụng của tải trọng do xe chạy trong suốt thời gian đã định mà nó vẫn giữ tính toàn

khối và độ bằng phẳng của bề mặt

Cường độ mặt đường mềm sẽ bị phá hoại theo các điều kiện sau:

- Phát sinh các biến dạng dư khi xãy ra phá hoại sự cân bằng giới hạn về trượt trong đất nền và các lớp vật liệu kém dính kết của kết cấu áo đường

- Phát sinh ứng suất kéo khi vượt quá giới hạn bền gây ra các vết nứt trong các

lớp toàn khối của cả kết cấu áo đường

Các điều kiện về trạng thái giới hạn đó đều có liên quan với độ võng đàn hồi dưới tải trọng Mô đun đàn hồi được sử dụng để mô tả đặc tính ứng xử phi tuyến của ứng

suất và biến dạng của các lớp kết cấu áo đường Căn cứ vào giá trị mô đun của các

lớp, ta có thể đánh giá được tình trạng của các lớp trong toàn bộ kết cấu Từ đó, tiến hành thiết kế kết cấu áo đường mới, sửa chữa những khu vực kết cấu các lớp bị phá

hoại hay dự đoán tuổi thọ của cả đoạn đường khi chịu tải trọng của bánh xe trong một

thời gian dài Đây là một đại lượng mà qua nhiều nghiên cứu, đặc trưng cho cường

độ của kết cấu áo đường mềm Vì thế qui trình thiết kế áo đường mềm 22TCN

355-06 và AASHTO 93 của Hoa Kỳ hiện đang áp dụng phương pháp tính toán áo đường dựa theo ba tiêu chuẩn về trạng thái giới hạn: độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi)

của áo đường dưới tải trọng, sức chịu uốn của các lớp toàn khối và sức chống trượt

của đất nền và các lớp vật liệu kém dính kết Tuy nhiên khi đánh giá cường độ thực

tế của kết cấu áo đường mềm người ta vẫn dùng chủ yếu là độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi)

2

Hiện nay, đo độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi) là một tiêu chuẩn trạng thái giới hạn chủ yếu của áo đường khi thử nghiệm chúng Điểm cơ bản của tiêu chuẩn này là việc đo được các trị số đó khá đơn giản trong những điều kiện hiện trường Để đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu áo đường thường dùng hai phương pháp chính là: Phương pháp phá hoại mẫu và phương pháp không phá hoại mẫu

Phương pháp phá hoại mẫu: theo phương pháp này, người ta tiến hành khoan lấy

mẫu trong các lớp kết cấu của các lớp kết cấu mặt đường rồi thông qua các thí nghiệm trong phòng để xác định các thông số tính toán, từ đó dự báo khả năng chịu tải của

kết cấu Do không thể lấy quá nhiều mẫu trên mặt đường nên các thông số phản ánh tình trạng mặt đường thông qua các thí nghiệm thường mang tính cục bộ nhất định, phương pháp này tốn thời gian và chi phí thí nghiệm

Phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu: đánh giá theo phương pháp không phá hoại mẫu thường được tiến hành bằng cách đo độ võng trên bề mặt đường hay

chỉ số CBR để dự đoán giá trị mô đun và tính được khả năng chịu tải của kết cấu mặt đường Các phương pháp như: thí nghiệm tải động (FWD), thí nghiệm sóng âm (SPA), thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn (DCP)

Tuy nhiên, để đưa các giá trị mô đun từ phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu vào sử dụng trong thiết kế, sửa chữa hay dự đoán tuổi thọ mặt đường thì đòi hỏi

có sự so sánh, đánh giá sự nhất quán trong giá trị mô đun của hai phương pháp Trên

thế giới có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này Nhưng chủ yếu là so sánh thí nghiệm tải động FWD và thí nghiệm trong phòng và chủ yếu tập trung ở lớp đất nền (subgrade) như: K P Greorge (2003) [7]; Biqing Sheng (2010) [8] và Daehyeon Kim, Yigong Ji, Nayyar Zia Siddiki (2010) [9]

Một số ít nghiên cứu khác tập trung so sánh và đánh giá các phương pháp không phá hoại mẫu với thí nghệm trong phòng: thí nghiệm SPA, thí nghiệm DCP với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu chỉ

có kết luận khá chung về các kết quả thí nghiệm của các phương pháp với nhau, giữa các phương pháp không có mối tương quan hoặc nếu có thì chỉ là tương đối như:

3

Marwan F Aouad, Kenneth H Stokoe and Jose M Roesset (1993) cho rằng

mô đun của thí nghiệm SASW lớn hơn mô đun từ thí nghiệm FWD và khuyến cáo tỷ

số của hai thí nghiệm trong nghiên cứu của mình là 0,75; [10]

Jian-Neng Wang, Ph.D, John Bilyeu, Dar-Hao Chen, Ph.D., P.E (2001) cho

rằng mô đun trong phòng thí nghiệm lớn hơn mô đun thí nghiệm DCP và mô đun thí nghiệm FWD, mô đun lớp đá cấp phối (base) và lớp đất nền (subgrade) của thí nghiệm SASW lớn hơn thí nghiệm FWD tương ứng là 1,2 và 2,3 lần; [11]

Norman Dennis, Ph.D., P.E., Kevin D Hall, Ph.D., and Sutapa Hazra, Ph.D (2012) đưa ra mối tương quan của các thí nghiệm với nhau và nhận thấy thí nghiệm FWD dự đoán mô đun tốt nhất, tiếp đến là thí nghiệm DCP; không có mối tương quan tương ứng của thí nghiệm SASW với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng thí nghiệm [12]

Ở nước ta, cũng sử dụng hai phương pháp chính trong dự đoán mô đun đàn hồi

của kết cấu áo đường Nhưng chỉ dừng lại ở việc so sánh, đánh giá thí nghiệm FWD

sử dụng công cụ tính toán ngược với thí nghiệm trong phòng đồng thời dự đoán mô đun cho quá trình thiết kế, sửa chữa và xác định tuổi thọ công trình Tin tưởng tuyệt đối và chỉ sử dụng phương pháp thí nghiệm FWD là tiền đề dự đoán mô đun không phá hoại mẫu như:

TS Trần Thị Kim Đăng (2007) ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD để tính toán

mô đun đàn hồi các lớp áo đường mềm; [4]

Đề tài nghiện cứu của Nguyễn Hữu Hưng và Nguyễn Mạnh Hùng (2003) dùng thiết bị FWD để tính toán mô đun vật liệu; [6]

TS Nguyễn Hữu Trí (2003) dùng thiết bị tải động FWD để dự báo tuổi thọ mặt đường; [5]

TS Lê Anh Thắng và ThS Bùi Anh Dũng (2013) thiết lập công cụ tính toán ngược (backcalculation) Bisar-GAs từ kết quả thí nghiệm FWD và so sánh Bisar-GAs với các phần mềm tính toán ngược khác [2][3]

Từ những phân tích trên, cho thấy các nhận định và kiến nghị của các nhà nghiên

cứu chưa thật sự thống nhất với nhau, sự so sánh của phương pháp phá hoại mẫu và

4

phương pháp không phá hoại mẫu chưa đưa đến nhận định rõ rằng các nghiên cứu

đa phần trên lớp đất nền, một vài trên lớp đá cấp phối nên việc dự đoán không khả quan Ở Việt Nam, đa phần chưa nhiều nghiên cứu về vấn đề này, nên sự áp dụng công nghệ và so sánh các phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu còn khó khăn,

chủ yếu tin tưởng vào nghiên cứu và nhận định của nước ngoài gây nên sự xáo trộn trong nhận định thật về mô đun thực tế của các kết cấu áo đường ở những khu vực,

quốc gia khác nhau Và đó cũng là lý do tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này

1.2 M ục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

1.2.1 M ục tiêu nghiên cứu

Từ những nhận xét trên, mục tiêu của nghiên cứu đề ra là:

- Khẳng định mối tương quan của hai phương pháp dự đoán mô đun được xác định trên môi quan hệ của thí nghiệm FWD sử dụng mô hình tính toán ngược Bisar-GAs và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm trên lớp đá cấp phối với một số loại vật

liệu khác nhau;

- Tạo mối liên hệ của các phương pháp thí nghiệm không phá hủy được các nhà nghiên cứu cho rằng không có một mối tương quan nào thích hợp, nghiên cứu này thể hiện mối liên hệ các thí nghiệm thông qua hệ số qui đổi với độ tin cậy xác

suất thống kê từ các thí nghiệm thực tế;

- Ứng dụng mô hình chương trình Bisar-GAs, một mô hình tính toán ngược từ thí nghiệm FWD với kết quả tính lặp lớp đất nền của tiêu chuẩn thiết kế áo đường và các thí nghiệm dự đoán mô đun khác;

- Giúp cho quá trình thiết kế, sửa chữa và dự đoán tuổi thọ của kết cấu áo đường được trực quan và chính xác khi nhận thức rõ mô đun thiết kế và mô đun thực

của kết cấu làm việc ngoài thực tế

5

1.2.2 Nhi ệm vụ nghiên cứu đề tài

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đề ra, nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm các việc làm sau:

- Chọn lọc và sử dụng các số liệu từ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm; các thí nghiệm không phá hoại mẫu: thí nghiệm tải động FWD, thí nghiệm sóng âm SPA

và thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP;

- Sử dụng mô hình tính toán ngược Bisar-GAs để dự đoán mô đun các lớp

kết cấu từ thí nghiệm FWD Thực hiện tính toán và so sánh đánh giá trên nhiều khu

vực, nhiều vị trí trong mỗi khu vực, và nhiều độ sâu khác nhau trong từng vị trí;

- Xác định mô đun lớp đất nền thiết kế từ tiêu chuẩn ngành (tiêu chuẩn 22TCN 355-06 và tiêu chuẩn AASHTO 93);

- Xác định mô đun từ thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP;

- Tiến hành tổng hợp, so sánh, lập tỷ số giữa các thí nghiệm với nhau theo

lớp và theo loại vật liệu của kết cấu áo đường;

- Sử dụng lý thuyết xác suất thống kê để xác định hệ số qui đổi, theo độ tin cậy kỳ vọng, giữa các thí nghiệm

Hình 1.1 thể hiện tóm tắt các thí nghiệm, các loại vật liệu, các lớp kết cấu sẽ được tiến hành so sánh và đánh giá trong luận văn

6

GHI CHÚ:

So sánh mô đun các lớp trong kết cấu áo đường (lớp bê tông nhựa, lớp đá cấp phối, lớp đất nền);

Vật liệu sử dụng lớp đá cấp phối: đá vôi (limestone), trầm tích (caliche), quặng sắt (Iron-Ore)

Hình 1.1: Tóm tắt tiến trình thực hiện của luận văn

S Ử DỤNG KENLAYER

THÍ NGHI ỆM XUYÊN CÔN - DCP

TIÊU CHU ẨN THIẾT KẾ 22TCN 355-06 VÀ AASHTO 93

BÊ TÔNG NHỰA

7

1.3 Khách th ể và đối tượng nghiên cứu

Khách thể nghiên cứu: kết cấu áo đường của 8 khu vực khảo sát thu thập từ một

phần của dự án 1177 của trung tâm nghiên cứu gia thông vận tải (CTR) và trường đại

học Texas tại EI Paso (UTEP), lớp đá cấp phối (base) được sử dụng là vật liệu lấy từ

mỏ đá và đã đưa vào sử dụng 2 – 3 năm

Đối tương nghiên cứu của đề tài này bao gồm:

- Sử dụng công cụ tính toán ngược Bisar-GAs để dự đoán mô đun và so sánh

với mô hình tính toán lặp lớp đất nền của các tiêu chuẩn thiết kế từ kết quả thí nghiệm FWD;

- Mối tương quan trong giá trị mô đun của một số vật liệu sử dụng làm lớp đá

cấp phối (base) giữa thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs với thí nghiệm mẫu trong phòng thí nghiệm;

- Đưa ra tỷ số với độ tin cậy từ tỷ số các giá trị mô đun của thí nghiệm FWD, thí nghiệm SPA và thí nghiệm DCP Từ đó, đề xuất ra hệ số qui đổi của các phương pháp thí nghiệm dự đoán mô đun ngoài thực tế

1.4 Gi ả thuyết nghiên cứu

Đa phần các nghiên cứu trước đây tập trung vào nghiên cứu lớp đất nền, một số nghiên cứu khác nghiên cứu lớp đá cấp phối nhưng chỉ thể hiện qua hệ số chung Tuy nhiên, vật liệu sử dụng làm lớp đá cấp phối rất đa dạng nên có ứng xử vật liệu khác nhau, dẫn đến những ảnh hưởng trong quá trình dự đoán giá trị mô đun

Về bản chất các thí nghiệm không phá hoại mẫu đều như nhau và mục đích chung

là dự đoán mô đun các lớp của kết cấu áo đường, nên các phương pháp này sẽ có mối liên hệ với nhau

Nghiên cứu sử dụng mô hình tính toán ngược ở Việt Nam, bước đầu cho nền tảng nghiên cứu riêng biệt và tách khỏi ý kiến chủ quan của các nghiên cứu nước ngoài khác Nhận định riêng trong nghiên cứu ứng xử của kết cấu áo đường Việt Nam

8

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Phát triển một công cụ tính toán ngược Bisar-GAs hỗ trợ cho thí nghiệm FWD trong việc dự đoán mô đun của kết cấu áo đường;

- Thể hiện được một số mối tương quan trong giá trị mô đun lớp đá cấp phối

của thí nghiệm FWD với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng thí nghiệm;

- Thể hiện mối liên hệ của các phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu trên tỷ

số qui đổi với độ tin cậy trong mối liên hệ các giá trị mô đun;

- Đưa ra một các nhìn trực quan về mô đun thiết kế và mô đun thực của kết cấu làm việc ngoài thực tế;

- Giúp cho các kỹ sư Việt Nam nhận thức rõ mối liên hệ giữa các phương pháp

dự đoán giá trị mô đun khác nhau Từ đó, nhận thức được giá trị mô đun sử dụng để thiết kế

1.6 Độ tin cậy của đề tài

Kết cấu áo đường là hệ đàn hồi nhiều lớp hết sức phức tạp, việc giải bài toán hệ đàn hồi nhiều lớp để tìm ra hàm ứng suất – biến dạng là hết sức khó khăn Trước đây

do công cụ tính toán chưa phát triển, để đơn giản cho việc tính toán người ta thường qui đổi hệ nhiều lớp về hệ 2, 3 lớp để giải nên sai số rất lớn Với việc phát triển của khoa học và công nghệ như ngày nay, đặc biệt là máy tính đã góp phần giảm nhẹ khối lượng tính toán và có thể giải những bài toán gần đúng

Chương trình tính toán ngược Bisar-GAs là một công cụ kết hợp của chương trình Bisar 3.0, một phần mềm phổ biến trong tính toán kết cấu áo đường và thuật toán di truyền (Genetic Algorithm–GA) để tìm lời giải tối ưu Trong đó, chương trình Bisar 3.0 là chương trình được sử dung rộng rãi trong các nghiên cứu nước ngoài như:Stefan

A Romanoschi and John B Metcalf (2002) [15]; Jianfeng Qin (2010) [13], tập sách

“Nondestructive testing of pavements and backcalculation moduli” số phát hành 1198 [14], v.v

Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm–GA) được giới thiệu và sử dụng, phát triển thành mô hình tính toán ngược Bisar-GAs trong bài báo nghiên cứu khoa học

của TS Lê Anh Thắng và ThS Bùi Anh Dũng (2013) [2]

9

Độ tin cậy của chương trình Bisar-GAs được so sánh với các chương trình tính toán ngược khác như Michback, Elmod6.0 và Bakfaa cho thấy Bisar-GAs cho kết quá tính toán hợp lý và sai số nhỏ hơn các chương trình khác [3]

Số liệu các thí nghiệm và nội dung cơ sở lý thuyết sử dụng trong đề tài được trích

dẫn từ các tiêu chuẩn trong và ngoài nước hay nguồn đáng tin cậy

Từ những dẫn chứng trên, cho thấy những kết quá tính toán của đề tài là đáng tin

cậy

chữa hay dự đoán tuổi thọ của kết cấu áo đường mà đích đến cuối cùng là xác định giá trị mô đun của kết cấu áo đường đang là một bài toán khó của các kỹ sư

Có nhiều cách thức xác định giá trị mô đun của kết cấu áo đường khác nhau như: xác định giá trị mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường trong phòng thí nghiệm(thí nghiệm phá hủy mẫu); xác định giá trị mô đun của kết cấu áo đường từ thí nghiệm

thực tế (thí nghiệm không phá hủy mẫu) như: thí nghiệm tải động FWD, thí nghiệm sóng âm SPA và thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP, v.v

Các thí nghiệm xác định giá trị mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm cũng

có sự khác biệt khá rõ rệt so với các thí nghiệm xác định mô đun khác ngoài thực tế

Sự khác biệt này có thể do: mẫu bị xáo trộn, mất liên kết trong kết cấu, không đảm

bảo môi trường làm việc của kết cấu, trong quá trình kiểm tra và thí nghiệm,v.v được Anderson D.G and Woods R.D (1975) đề cập trong nghiên cứu [16]

Nhìn chung, hai phương pháp dự đoán mô đun đàn hồi của các lớp áo đường đều thực hiện được trên cả hai loại kết cấu áo đường nhựa mỏng và áo đường nhựa dày Tuy nhiên, các số liệu được thực hiện trong nghiên cứu đa số là kết cấu áo đường nhựa mỏng Kết cấu áo đường được xem là kết cấu áo đường nhựa mỏng, trung hay dày tùy thuộc vào độ dày của lớp bê tông nhựa bên trên:

- Kết cấu áo đường nhựa mỏng lớp bê tông nhựa dày dưới 30 mm;

- Kết cấu áo đường nhựa trung có lớp bê tông nhựa dày 30 – 100 mm;

- Kết cấu áo đường nhựa trung có lớp bê tông nhựa dày trên 100mm

11

2.1 Phương pháp thí nghiệm trong phòng (Laboratory-LAB)

Việc đánh giá mô đun trong phòng thí nghiệm là hết sức quan trọng vì đây được coi là quá trình đánh giá khá chính xác giá trị mô đun và nêu rõ bản chất của kết cấu

áo đường nhất Mẫu thí nghiệm được lấy từ hiện trường và được bảo quản hết sức kỹ lưỡng để đảm bảo đúng các giá trị sơ khai của kết cấu áo đường như độ ẩm, độ bán dính của các hạt cốt liệu, nhiệt độ, v.v Thí nghiệm tiến hành trong môi trường giả

lặp giống như môi trường làm việc thực tế của kết cấu

Thí nghiệm được tiến hành trên máy nén 3 trục với mẫu đất hình lăng trụ tròn

có chiều cao gấp 2 lần đường kính Kích thước mẫu thông thường là 38 x 76mm, 50

x 100mm hoặc một số kích thước khác tùy thuộc vào kích thước buồng nén

Theo trình tự thí nghiệm, đầu tiên mẫu đất hình lăng trụ tròn được tạo thành hình và đặt lên đế bàn nén giữa hai tấm đá thấm bảo hòa nước ở 2 mặt trên và dưới mẫu đất, mẫu đất được bọc trong màng cao su không thấm Màng cao su sẽ ngăn nước xâm nhập vào mẫu đất khi tiến hành tạo áp lực trong buồng nén, bơm đầy nước vào buồng nén và tạo áp lực, áp lực nước trong buồng sẽ tác dụng lên mẫu đất từ các phía (3 trục), giữa áp lực buồng không đổi, áp lực nén dọc trục tăng lên với tốc độ biến dạng không đổi cho đến khi mẫu bị phá hoại Áp lực bổ sung tác dụng dọc trục

và gây phá hoại mẫu được gọi là ứng suất lệch, ứng suất chính lớn nhất sẽ có giá trị bằng tổng giá trị áp lực buồng và ứng suất lệch

12

Thí nghiệm được tiến hành ít nhất với 3 giá trị áp lực buồng nén ổn định khác nhau Trạng thái ứng suất lúc mẫu đất bị phá hoại sẽ được biểu thị trên hệ trục tọa độ (τ,σ) bằng 3 vòng tròn Mohr, đường tiếp tuyến chung của 3 vòng tròn Mohr là đường chống cắt Mohr – Coulomb Từ đó xác định ra thông số chống cắt của mẫu đất và các thông số khác

Ở thí nghiệm thí nghiệm nén ba trục (tải trọng lặp), mẫu được thực hiện như thí nghiệm nén 3 trục nhưng áp lực nén dọc trục tác dụng lên mẫu là tải động theo chu

kỳ nhất định Một dạng sóng hình sin với thời gian 0.1 giây và nghĩ 0.9 giây, trong

suốt chu kỳ kéo dài 1 giây chu kỳ khác lại lặp lại thể hiện Hình 2.1 [17]

Gồm sáu cảm biến dọc trục được đặt ở vị trí một phần ba của mẫu, hai đầu dò

đo biến dạng ngang và xác định hệ số poisson Năm chu kỳ được thực hiện cho mỗi

mẫu để tối ưu hóa thời gian thí nghiệm cũng như giảm thiểu những kết quả ngoài vi

Hình 2.1: Chu kỳ thí nghiệm tác dụng lên mẫu [30]

Khi đó giá trị mô đun đàn hồi được tính từ công thức sau:

d R ax

Trong đó: Δdlà biến dạng ngang của mẫu; di là đường kính mẫu

Giá trị mô đun được xác định thông qua ứng suất lệch khác nhau và áp lực

buồng khác nhau được thể hiện ở Bảng 2.1 [17]

B ảng 2.1: Trình tự thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của mẫu

14

2.1.2 Chương trình máy tính Kenlayer

Theo phương trình 2.6, giá trị mô đun phải được tính toán tại một áp lực buồng

nhất định và ứng suất lệch nhất định Để xác định những ứng suất, mô hình chương trình máy tính về lớp đàn hồi Kenlayer do Huang (1994) phát minh đã được sử

dụng.Kenlayer cho phép mô hình hóa các ứng xử phi tuyến đàn hồi của một hệ thống các lớp áo đường và phân tích, ước lượng tình trạng ứng suất của khối kết cấu dưới

tải tác dụng Trong đó, môđun (Ei), độ dày và tỷ lệ poisson (ν) của từng lớp, cũng như các tải tác dụng là thông số đầu vào Các kết quả đầu ra của chương trình là những ứng suất tại bất kỳ thời điểm yêu cầu Các tải trọng đầu vào đã được giả định là một tiêu chuẩn kép song song của xe tải [18]

Các đặc điểm chính của mô hình Kenlayer liên quan đến trạng thái ứng suất:

- Phân tích đàn hồi của hệ thống nhiều lớp, cho phép xây dựng mô hình hệ thống áo đường khác nhau bao gồm một vài lớp, với độ dày, mô đun đàn hồi và tỷ lệ poisson khác nhau;

- Cho phép phân tích ứng suất do sự chồng chất áp lực trên nhiều tải trọng phân bố của các loại xe có mộ trục đơn, hai trục hay ba trục;

- Phân tích ứng xử của kết cấu bằng các xem xét các biến thể của mô đun đối với trạng thái ứng suất;

- Điểm để xác định những ứng suất có thể được biểu diễn trong tọa độ radian

15

Hình 2.2: Giao diện chương trình Kenpave-Kenlayer.[18]

Ở Hình 2.3, tiến trình nhập vào Kenlayer các điều kiện một mô hình kết cấu áo đường như: mô hình kết cấu, vị trí lấy kết quả, chiều dày lớp, bề mặt tiếp xúc các lớp, loại tải trọng tác dụng, loại ứng xử, xem Hình 2.3 đến Hình 2.6

Hình 2.3: Giao diện Main Menu của Kenlayer.[18]

Trong mỗi giao diện của chương trình đều có hướng dẫn giúp cho quá trình khai báo thông tin cũng như lựa chọn mô hình giống như mô hình thực tế mong muốn Khai báo mô hình kết cấu theo ý muốn người dùng, xem Hình 2.4

16

Hình 2.4: Thông tin mô hình kết cấu áo đường.[18]

Hình 2.5: Khai báo thông số chiều dày lớp, hệ số poisson.[18]

Hình 2.6: Khai báo loại tải tác dụng và giá trị tải [18]

Kết quả của chương trình là bảng tổng hợp những khai báo mô hình kết cấu áo đường trong Kenlayer và cho giá trị ứng suất dọc theo vị trí mà người dùng mong

muốn, thể hiện phụ lục B

17

2.2 Phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu

2.2.1 Thí nghi ệm tải động ( Falling Weight Deflectometer- FWD)

Thí nghiệm tải động FWD được bắt đầu đưa vào sử dụng năm 1983 Hiện nay đang được sử dụng rộng rãi để đánh giá kết cấu áo đường Khi thực hiện thí nghiệm, người ta sẽ biết được độ võng, hình dạng chậu võng của mặt đường, từ đó suy ra mô đun đàn hồi thực tế của mặt đường và căn cứ vào đó đánh giá kết cấu áo đường FWD đóng một vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn các chiến lược kết cấu

áo đường và phục hồi chức năng tối ưu FWD là một công cụ được sử dụng để đạt được nhanh chóng và lặp lại tại chỗ đặc tính của lớp mặt đường cứng

Hình 2.7: Thiết bị thí nghiệm không phá hủy FWD.[14]

2.2.1.1 Thí nghi ệm tải động FWD.

Nguyên tắc hoạt động chung của thiết bị:

Tải trọng va đập và tác dụng lên mặt đường do vật nặng có khối lượng nhất định từ độ cao định trước xuống hệ thống đệm cao su và truyền tải xuống mặt đường

trọng khoảng thời gian 0,02 giây đến 0,06 giây

Đầu đo tải trọng gắn tại tâm truyền tải xác định tải trọng P tác dụng xuống

mặt đường Chuyển vị đứng tại tâm tấm truyền tải và tại các điểm cách tâm tấm truyền

tải các khoảng cách nhất định được ghi tại bằng các đầu đo chuyển vị hoạt động trên nguyên tắc bộ chuyển động vận tốc Tải trọng được điều chỉnh theo chiều cao rơi của

vật nặng và độ võng trên bề mặt đường được tính toán từ số liệu đầu ra của các bộ chuyển đổi vận tốc

18

Hình 2.8: Vùng ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng tải trọng [4]

Hình 2.9: Sơ đồ tải trọng tác dụng FWD và độ võng [4]

Thiết bị thí nghiệm FWD bao gồm:

Bộ phận tạo xung lực: khối tải trọng được đưa lên độ cao quy định, sau đó rơi tự do thẳng đứng theo một thanh dẫn, đặt vào một tấm ép thông qua bộ phận giảm

chấn lò xo (hoặc sao su), tạo nên một xung lực tác dụng lên mặt đường tại vị trí tấm

ép

Thời gian tác dụng của xung lực lên mặt đường phù hợp với điều kiện tác động thực tế của tải trọng lên mặt đường Thông thường, bộ phận giảm chấn được thiết kế có độ cứng phù hợp để đảm bảo thời gian tác dụng của xung lực vào khoảng

0,02 giây đến 0,06 giây

Hình 2.10: Bộ tạo xung lực gồm tải trọng, thanh dẫn, bộ phận giảm chấn [1]

19

Tấm ép: truyền tác dụng của tải trọng lên mặt đường có dạng hình tròn, đường kính D = 30 cm Tấm được chế tạo bằng hợp kim, mặt đáy tấm có dán một lớp cao su mỏng, giữa tâm của tấm ép có lỗ rỗng để đạt các cảm biến

Hình 2.11: Tấm ép truyền tải trọng tác động xuống mặt đường [1]

Các cảm biến đo độ võng: để đo độ võng trên mặt đường dưới tác dụng của xung lực Số lượng đầu đo độ võng thông thường là 7 đầu đo, tối thiểu là 5 đầu đo.Các đầu đo độ võng được lắp đặt thẳng hàng trên một giá đõ dọc theo hướng xe đo Có

một đầu đo đặt tại tâm tấm ép, các đầu đo khác cách tâm một khoảng quy định Thông thường, khoảng cách các đầu đo là 30cm (khoảng cách giữa các đầu đo đến tâm tấm

r (cm) là khoảng cách từ chiếc cảm biến đo độ võng kề chiếc cảm biến

đo độ võng cuối cùng đến tâm tấm ép;

ac là bán kính của bầu ứng suất nằm ở mặt phân cách giữa đất nền với kết cấu mặt đường và được tính theo công thức sau:

Mr (MPa) là mô đun đàn hồi của lớp đất nền, được tính ngược từ các số

liệu đo được bằng thiết bị FWD

Hình 2.12: Các đầu cảm biến của thiết bị FWD [1]

Cảm biến đo lực: có khả năng đo được giá trị xung lực lớn nhất tác dụng lên

mặt đường tại mỗi lần khối tải trọng rơi Cảm biến đo lực làm việc theo nguyên lý điện trở hoặc hiệu điện thế dòng điện, có độ chính xác cao

Hệ thống ghi, lưu trữ và xử lý số liệu: ghi lại các dữ liệu như độ lớn tải trọng (xung lực) tác dụng, áp lực tác dụng lên mặt đường, trị số độ võng của mặt đường đo được, v.v Các thông tin hỗ trợ khác như nhiệt độ không khí, nhiệt độ mặt đường, khoảng cách giữa các vị trí đo, lý trình vị trí đo được lưu lại bằng phần mềm hoặc ghi

lại vào sổ tay [1]

21

Hình 2.13: Hệ thống lưu trữ và thiết bị thí nghiệm [1]

Hình 2.14: Thông tin thí nghiệm hiển thị trên màn hình [4]

Kết quả từ chương trình máy tính trong thí nghiệm FWD với các độ võng và

đồ thị mô đun chung ứng tại chiều sâu tương đương các khoảng cách đo độ võng

Hình 2.15: Hình dạng độ võng dạng phễu lún vẽ được từ thí nghiệm FWD [4]

2.2.1.2 Chương trình thuật toán Bisar-GAs

Từ thí nghiệm hiện trường FWD cho thấy để tính được mô đun đàn hồi của

kết cấu áo đường thì cần một chương trình tính toán ngược (backcaculation) Có rất nhiều phương pháp tính toán mô đun từ giá trị đầu ra của thí nghiệm FWD như: phần

mềm máy tính Modulus, Pedmon, Evercal, Issem4, Modcomp3, Wesdef hay thuật toán mạng Neural (ANN) của Bashar Tarawneh / Munir D Nazzal (2014), phương pháp thuật toán đồng luân của Xudong Zha, Qiuming Xiao(2003), … Ở đây, ta cũng

đề cập đến thuật toán di truyền cho bài toán ngược với Bisar 3.0 sử dụng dữ liệu đầu vào từ kết quả thí nghiệm FWD và cho ra giá trị mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường

Bisar-GAs được phát triển để xác định mô đun đàn hồi của các lớp kết cấu áo đường khi có tải trọng và độ võng mặt đường, dạng bài toán ngược,từ thí nghiệm tải động FWD Nó là sự kết hợp của chương trình Bisar 3.0, một phần mềm phổ biến trong tính toán kết cấu áo đường và thuật toán di truyền (Genetic Algorithm–GA) để tìm lời giải tối ưu Thuật toán di truyền được dùng để tìm bộ mô đun đàn hồi tối ưu cho sai số độ võng bé nhất Các tham số của thuật giải di truyền cần được xác định

để có kết quả tối ưu tốt cho từng lớp bài toán cụ thể

Mức độ ảnh hưởng của chúng đến sai số độ võng lần lượt được khảo sát Dựa trên kết quả khảo sát, giá trị hợp lý của các tham số được đề xuất Khả năng đáp ứng

của chương trình đối với sự thay đổi đặc tính vật liệu trên phạm vi rộng cũng đã được khảo sát Kết quả cho thấy Bisar-GAs có khả năng tìm kiếm kết quả mô đun đàn hồi trong phạm vi giá trị rộng và với độ chính xác cao

Sơ đồ thuật toán di truyền Bisar-GAs bao gồm:

Thuật toán đi truyền có khả năng tìm lời giải tối ưu với hàm mục tiêu ở dạng

ẩn, hàm mục tiêu không có đạo hàm bậc nhất và bậc hai

23

Thuật toán di truyền thuộc lớp các thuật giải có sử dụng xác suất, nhưng khác với các thuật giải ngẫu nhiên khác trong cách xử lý

GA kết hợp giữa tìm kiếm trực tiếp và ngẫu nhiên Nó duy trì và xử lý trên

một tập các lời giải (gọi là một quần thể) GA có ưu thế riêng so với một số phương pháp tìm kiếm hiện có khác

Trong GA, trị số của các biến chưa biết được mã hoá thành các chuỗi nhiễm

sắc thể (NST), mang kí tự 0 và 1, trước khi áp dụng các giải pháp di truyền như lai ghép, hay đột biến để phát sinh ra các trị số mới Hàm mục tiêu được dùng để đánh giá độ tốt của mỗi NST Hàm này còn được gọi là “hàm đánh giá”

1

Trong đó: f = hàm đánh giá; RMS (Root Mean Square) là bình phương sai

số, được xác định như sau:

2 m

d -D1

Trong đó: m là số lượng cảm biến; Dj,dj: độ võng thực đo và độ võng

tính toán tại vị trí của cảm biến thứ j

Để đạt được kết quả tối ưu, các nhiễm sắc thể (NST) có trong dân số của quần

thể được đánh giá, và chọn lọc cho thế hệ sau NST tốt nhất trong các đời thế hệ là NST có giá trị hàm đánh giá f = 1 Cá thể có NST tốt được coi là cá thể tốt và được

chọn cho thế hệ sau Thuật toán di truyền đánh giá và chọn lọc NST nhiều lần, qua

một vòng lặp giống như qua một thế hệ di truyền Tổng số lần đánh giá NST bằng số thế hệ nhân với quy mô dân số

Hình 2.17: Sơ đồ tính toán của chương trìnhBisar-GAs [2]

Giao diện chương trình Bisar-GAs, đầu tiên khai báo tải trọng tác dụng (kN)

và bán kính tấm ép (mặc định R = 0,15 m), xem Hình 2.18 Dữ liệu đầu vào khác của bài toán bao gồm: tên các lớp kết cấu (Bisar-GAs có thể tính toán tới 10 lớp kết cấu

áo đường, lớp cuối cùng có chiều dày bán vô hạn), chiều dày (m), hệ số poisson và

phạm vi mô đun (MPa) tương ứng Các giá trị được mặc định và có thể thay đổi theo người dùng, thể hiện Hình 2.19