BÙI TUẤN ANH Bộ môn Đường bộ Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo phân tích quy luật phân bố ứng suất kéo uốn trong kết cấu mặt đường mềm dưới tác dụng c
Trang 1PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT KÉO UỐN TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ XÉT ĐẾN ĐIỀU KIỆN
DÍNH BÁM GIỮA CÁC LỚP BÊ TÔNG ASPHALT
PGS TS BÙI XUÂN CẬY ThS NGUYỄN QUANG PHÚC ThS BÙI TUẤN ANH
Bộ môn Đường bộ Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bài báo phân tích quy luật phân bố ứng suất kéo uốn trong kết cấu mặt đường
mềm dưới tác dụng của cả tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang có xét đến điều kiện dính
bám giữa các lớp bê tông asphalt
Summary: The paper analyzes flexural stress distribution principles in flexible
pavements under different vertical and horizontal loads considering the bonding condition between asphalt layers
CT 2
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Khi đề xuất kết cấu áo đường mềm, ngoài các nguyên tắc cấu tạo chung còn cần phải nghiên cứu, tính toán trạng thái ứng suất, biến dạng và chuyển vị phát sinh trong các lớp kết cấu dưới tác dụng của tải trọng để so sánh trị số này với khả năng chịu lực tương ứng của vật liệu nhằm khống chế phát sinh phá hoại Các nội dung cần phân tích, đánh giá là: ứng suất trong nền đất; độ võng tại bề mặt mặt đường; ứng suất kéo - uốn ở đáy lớp mặt bê tông atphalt (BTAP) và các lớp móng liền khối; ứng suất cắt - trượt lớn nhất ở bề mặt lớp mặt và vị trí tiếp xúc giữa các lớp tùy thuộc vào điều kiện dính bám
Trị số ứng suất kéo - uốn ở đáy lớp mặt và lớp móng liền khối lớn làm cho lớp vật liệu bị mỏi, nứt gẫy dẫn đến phá hoại Bài báo trình bày những kết quả nghiên cứu về ứng suất kéo-uốn trong các lớp mặt BTAP và lớp móng liền khối của kết cấu áo đường mềm có xét đến ảnh hưởng của lực ngang và điều kiện dính bám giữa các lớp
Trang 2II ỨNG SUẤT KÉO UỐN DƯỚI TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI CỦA LỰC THẲNG ĐỨNG
VÀ LỰC NGANG
2.1 Mô hình nghiên cứu
E 1 , μ 1
E 2 , μ 2
E 3 , μ 3
E chm , μ chm
d=2r
F V
d=2r
F V r
X O
Z Y
d=2r
F V
F h
p h
Y
Z O
X
Z
E 1 , μ 1
E 2 , μ 2
E 3 , μ 3
E chm
E chm
1 2 3
τ τ τ
p h
p h
Líp mãng
Líp mãng
E chm , μ chm 3r
Hình 1 Mô hình tải trọng đề nghị nghiên cứu ứng suất biến dạng
CT 2
Sử dụng mô hình 2 vòng tròn tương đương như hình 1 để nghiên cứu Tải trọng thẳng đứng
và nằm ngang phân bố đều trên 2 vòng tròn vệt tiếp xúc có giá trị là pv và ph Giá trị lực ngang
ph từ (0-0,8) lực thẳng đứng pv Khi xe chạy đều ph = (0,2-0,3)pv; Khi tăng tốc, giảm tốc ph =
(0,5-0,6)pv; và khi hãm xe mặt đường sẽ chịu lực ngang lớn nhất đến ph = (0,7-0,8)pv
Tải trọng trục tiêu chuẩn đề xuất trong nghiên cứu là trục 100kN với các thông số:
- Tải trọng trục đơn, bánh kép: P = 2Fv =
Y
Z
O
A
E, μ Líp vËt liÖu B
C D E
F
G
H I J
K
TiÕp xóc 2 líp
- Áp lực tác dụng lên vệt bánh: pv = 0,7
Mpa
- d vệt bánh tương đương: d = 2r = 21
cm
- Bán kính tương đương: r = 10,5 cm
- Cự ly giữa 2 vết bánh xe: 3r =
2x15,75cm
- Các điểm nghiên cứu ứng suất, biến
dạng như thể hiện ở hình 2: A, B, C, D, E; F, G, H, I, J và K
Hình 2 Các điểm nghiên cứu ứng suất,
biến dạng
Trang 3Các điểm dưới tim cụm bánh, phân bố theo chiều sâu các lớp vật liệu: A, B, C, D, E Trong
đó điểm C thuộc lớp trên, điểm D thuộc ranh giới 2 lớp và điểm E thuộc lớp dưới;
- Các điểm dưới tim bánh đơn: F, G, H, I, J Trong đó điểm H thuộc lớp trên, điểm I thuộc ranh giới 2 lớp và điểm J thuộc lớp dưới
2.2 Tổ hợp kết cấu và điều kiện tiếp xúc
Phân tích 2 loại kết cấu KC2 và KC3 được sử dụng phổ biến cho các đường ô tô cấp cao hiện nay, các lớp vật liệu mô tả như hình 1 Tổ hợp chiều dày các lớp, mô đun đàn hồi và hệ số
poisson của các lớp được tập hợp bảng 1 và bảng 2 Giá trị E của các lớp ở các nhiệt độ tính
toán lấy theo 22TCN211-06 [1] Giá trị tải trọng ngang, điều kiện dính bám và mô đun đàn hồi
chung trên mặt lớp móng tiến hành khảo sát được tập hợp ở bảng 3
Bảng 1 Tổ hợp các lớp nghiên cứu kết cấu KC2
Mô đun đàn hồi E (MPa)
Trượt, 600C Kéo uốn, 150C Độ võng, 300C
µ
1 BTAP chặt
2 BTAP chặt
3 Cấp phối đá dăm
4 Lớp móng dưới
CT 2
Bảng 2 Tổ hợp các lớp nghiên cứu kết cấu KC3
Mô đun đàn hồi E (MPa)
Trượt, 600C Kéo uốn, 150C Độ võng, 300C µ
1 BTAP chặt hạt mịn
2 BTAP chặt hạt thô
Đánh mã số các bài toán khảo sát bằng 5 trường thay đổi: Kết cấu_Tải trọng ngang_Điều kiện tiếp xúc_Mô đun Echm_Tổ hợp h, E, µ Ví dụ: KC2_T8_X1_M3_1
Sử dụng phần mềm BISAR3.0 của Shell để khảo sát, đánh giá trạng thái ứng suất kéo uốn trong tổ hợp các bài toán của các kết cấu đề xuất
Trang 4Bảng 3 Điều kiện tải trọng, giá trị Echm và điều kiện tiếp xúc
Lớp 1,2 chuyển dịch; lớp 2,3 dính 20%;
Lớp 1,2 chuyển dịch; lớp 2,3 chuyển dịch;
0% pv
20% pv
50% pv
80% pv
T0
T2
T5
T8
Lớp 1,2 dính 20%; lớp 2,3 dính 20%;
2.3 Kết quả phân tích ứng suất kéo uốn
Điểm xuất hiện ứng suất kéo uốn lớn nhất luôn luôn ở dưới tim vệt bánh xe gia tải, dưới
đáy các lớp liền khối và có trị số tùy thuộc vào E, µ và điều kiện tiếp xúc
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
0.24
0.28
0.32
0.36
0.40
-0.9 -0.7 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
σ
T0M1 T0M3 T0M5
Hình 3 Ứng suất kéo-uốn trong các lớp của KC3
khi p h = 0p v khi các lớp dính chặt
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40
-0.9 -0.7 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
σ
T0X4M1 T0X4M5 T0X5M5
Hình 4 Ứng suất kéo-uốn trong các lớp của KC3
khi p h = 0p v theo điều kiện tiếp xúc
CT 2
Các biểu đồ hình 3, hình 4, hình 5 là kết quả ứng suất kéo uốn (MPa) trong kết cấu KC3
khảo sát với tổ hợp các chiều dày h1; h2; h3 lần lượt là 4; 8; 15cm
Biểu đồ hình 3 chỉ rõ khi các lớp dính chặt, dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng pv thì
ứng suất kéo khi uốn ở đáy các lớp liền khối phía trên rất nhỏ (hoặc không có) vật liệu chỉ chịu
nén là chủ yếu Khi tăng mô đun đàn hồi Echm thì ứng suất kéo-uốn giảm rất ít
Biểu đồ hình 4 thể hiện sự thay đổi ứng suất kéo-uốn khi điều kiện tiếp xúc thay đổi dưới
tác dụng của pv Khi tiếp xúc giữa các lớp không tốt, ứng suất kéo - uốn tăng nhanh rõ rệt, xuất
hiện ngay đáy các lớp trên với giá trị lớn Khi tăng mô đun đàn hồi Echm thì ứng suất kéo-uốn
giảm khá nhiều
Dưới tác dụng của cả lực thẳng đứng pv và lực ngang ph = 0,8pv ứng suất kéo uốn ở đáy các
lớp vật liệu tăng lên không nhiều so với khi không có lực ngang ở tất cả các điều kiện tiếp xúc
và Echm Điều này chứng tỏ lực ngang có ảnh hưởng không đáng kể đến ứng suất kéo - uốn ở
đáy các lớp vật liệu tầng mặt Xem các biểu đồ hình 4, hình 5
Khi thay đổi chiều dày lớp mặt trên h1 ứng suất kéo uốn cũng thay đổi theo, tác dụng của
lực ngang ph đến sự thay đổi này không lớn Ứng suất kéo - uốn tại đáy lớp thứ 1 lại tăng lên rõ
Trang 5rệt khi chiều dày h1 tăng, đây là một nội dung cần tập trung nghiên cứu (các biểu đồ hình 6 - T0X4M5; hình 7 - T8X4M5)
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40
-0.9 -0.7 -0.5 -0.3 -0.1 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
σ
T8X1M1 T8X4M1
Hình 5 Ứng suất kéo - uốn của các lớp KC3
khi p h = 0,8p v theo điều kiện tiếp xúc
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40
-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2
σ
T0X4M5 h1=3 T0X4M5 h1=8
Hình 6 Ứng suất kéo - uốn của kết cấu KC3,
p h = 0,0p v khi thay đổi h1
Nếu sử dụng lớp móng trên cấp phối đá dăm như kết cấu KC2 không có khả năng chịu
kéo thì ứng suất kéo - uốn ở đáy các lớp mặt
BTAP sẽ rất lớn, điều này rất nguy hiểm vì sẽ
gây nứt ở đáy các lớp này Biểu đồ hình 8 a, b
thể hiện ứng suất kéo - uốn trong KC2 với h1
= 4cm; h2 = 8cm và thay đổi chiều dày lớp
móng h3
Qua các kết quả khảo sát trên nhận thấy rằng chiều dày lớp mặt và điều kiện tiếp xúc
có ảnh hưởng rất lớn đến ứng suất kéo - uốn ở
đáy lớp vật liệu liền khối Để đảm bảo không
phát sinh phá hoại cần bố trí các lớp vật liệu
có cường độ chịu kéo - uốn cao ở những lớp
trên và có biện pháp đảm bảo dính bám tốt
giữa các lớp
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40
-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2
σ
T8X4M5 h1=3 T8X4M5 h1=8
Hình 7 Ứng suất kéo - uốn của kết cấu KC3,
p h = 0,8p v khi thay đổi h1
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
σ
T8X1h3=15cm T8X1h3=20cm
a) Điều kiện dính bám X1
0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
σ
T8X4h3=15cm T8X4h3=20cm
b) Điều kiện dính bám X4
CT 2
Hình 8 Ứng suất kéo - uốn của kết cấu KC2, p h = 0,8p v khi thay đổi h 3
Trang 6Nờn bố trớ lớp múng trờn bằng vật liệu liền khối, cú sử dụng chất liờn kết (đỏ gia cố xi
măng, BTAP rỗng, đỏ dăm đen) để chịu 1 phần ứng suất kộo uốn cho cỏc lớp mặt phớa trờn của
kết cấu ỏo đường mềm và phõn bố đều ứng suất xuống cỏc lớp múng dưới và nền đất
III PHÂN TÍCH NỨT MỎI TRấN LỚP MẶT KẾT CẤU
Echm
+
8
Echm, μchm
ετ
στ
Các lớp móng dưới
+ nền đất
kéo nén
Lớp bê tông nhựa 2
Lớp móng trên
E2, μ2
E3, μ3
Hỡnh 9 Mụ hỡnh tớnh toỏn N f
Tỏc dụng động và trựng phục của tải trọng bỏnh xe lờn mặt đường làm phỏt sinh hiện tượng mỏi và hiện tượng tớch lũy biến dạng dư Hiện tượng mỏi thể hiện ở việc cỏc chỉ tiờu cường độ của vật liệu như cường độ chống cắt, cường độ chịu kộo uốn của chỳng giảm đi khi qua một số lần chịu tỏc dụng nhất định của tải trọng
Số lần tỏc dụng trựng phục của tải trọng mà lớp mặt BTAP trong kết cấu ỏo đường cú thể chịu được trước khi xuất hiện hiện tượng nứt mỏi được gọi là tuổi thọ chịu mỏi Tuổi thọ chịu mỏi phụ thuộc vào thành phần vật liệu và trị số ứng suất hoặc biến dạng lặp lại mà mặt đường phải chịu
Theo nghiờn cứu của Viện Asphalt (Asphalt Institute), 1993 và tỏc giả Huang YH, 1993 [3]
thỡ tuổi thọ chịu mỏi Nf của lớp mặt trờn bằng BTAP (hỡnh 9) cú mụ đun đàn hồi E1 (MPa)
được xỏc định theo cụng thức (1):
CT 2
-f 2 -f 3 (1)
N = f (ε ) (E )
Trong đú:
Νf: Tuổi thọ chịu mỏi của kết cấu (lần); εt: Biến dạng kộo lớn nhất theo phương ngang ở
đỏy lớp mặt (àm/m); Ε1: Mụ đun đàn hồi của lớp mặt khi tớnh toỏn mỏi (Mpa); f1, f2, f3: Cỏc hệ
số hồi quy được xỏc định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào độ cứng của lớp mặt và nhiệt độ tớnh
toỏn Theo cỏc nghiờn cứu của Asphalt Institute thỡ cỏc giỏ trị hồi quy f1 = 0,0796; f2 = 3,291 và
f3 = 0,854
Bảng 4 Cỏc thụng số tớnh toỏn tuổi thọ mỏi
Mụ đun đàn hồi Echm (tớnh với điều kiện kộo - uốn) MPa 80; 100; 120
Trang 7Với mô hình tính toán ở hình 9, các thông số đầu vào như bảng 4, dùng chương trình BISAR3.0 để tính toán ứng suất, biến dạng ở đáy lớp trong điều kiện thông thường, lực ngang
ph = 20%pv và các lớp dịch chuyển, sau khi xử lý được các biểu đồ hình 10 và hình 11
Từ kết quả trên rút ra những nhận xét sau:
- Tuổi thọ chịu mỏi của lớp mặt trong kết cấu phụ thuộc vào ứng suất kéo và biến dạng kéo theo phương ngang, ứng suất càng lớn thì tuổi thọ mỏi càng giảm nhỏ;
- Với tải trọng xe tiêu chuẩn đang xét, khi chiều dày lớp mặt h1 = 6 - 8cm (h/d từ 0,29 - 0,38) thì ứng suất kéo theo phương ngang là lớn nhất tương ứng với tuổi thọ mỏi là nhỏ nhất Các đường quan hệ đều có cực trị trong khoảng này Như vậy, không nên thiết kế kết cấu chỉ có
1 lớp BTAP có h/d từ 0,29 - 0,38 Lớp BTAP phía trên nên là 4cm vừa đảm bảo công nghệ thi công lại cho khả năng chịu lực và chống mỏi tốt nhất Các định hình kết cấu áo đường của Đức cũng sử dụng chiều dày lớp BTAP trên cùng luôn bằng 4cm [4];
- Lớp mặt BTAP có cường độ cao liên kết với lớp dưới tốt sẽ đảm bảo điều kiện chịu kéo - uốn và tuổi thọ mỏi cao;
Sử dụng lớp móng rời rạc, không có khả năng chịu kéo dẫn đến ứng suất kéo - uốn ở các lớp trên cao, tuổi thọ mỏi giảm hơn nhiều so với sử dụng lớp móng liền khối, được gia cố chất liên kết
KC3
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
N f
6 )
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Nf-M1X4 Nf-M3X4 Nf-M5X4 USt-M1X4 USt-M3X4 USt-M5X4
CT 2
Hình 10 Đồ thị ứng suất kéo uốn ở đáy lớp mặt và N f theo chiều dày - KC3
KC2
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
N f
6 )
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Nf-M1X4 Nf-M3X4 Nf-M5X4 USt-M1X4 USt-M3X4 USt-M5X4
Hình 11 Đồ thị ứng suất kéo uốn ở đáy lớp mặt và N f theo chiều dày - KC2
Trang 8IV KẾT LUẬN VÀ NHỮNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Qua nghiên cứu ứng suất kéo uốn và điều kiện mỏi của các lớp BTAP dưới tác dụng của tải
trọng, phụ thuộc vào điều kiện dính bám giữa các lớp nêu trên có thể rút ra được những kết luận:
1 Phá hoại mặt đường do ứng suất kéo uốn lớn chủ yếu về mùa lạnh, nhiệt độ mặt đường
thấp Khi nhiệt độ giảm, độ cứng của BTAP tăng lên sẽ phát sinh vết nứt dẫn đến phá hoại;
2 Chiều dày lớp mặt và điều kiện tiếp xúc có ảnh hưởng rất lớn đến ứng suất kéo - uốn ở
đáy lớp vật liệu liền khối Để đảm bảo không phát sinh phá hoại cần bố trí các lớp vật liệu có
cường độ chịu kéo - uốn cao ở những lớp trên và có biện pháp đảm bảo tiếp xúc tốt giữa các lớp;
3 Nên bố trí lớp móng trên bằng vật liệu liền khối, có sử dụng chất liên kết (vật liệu đất, đá
gia cố xi măng, vôi, tro bay; BTAP rỗng; đá dăm đen) để chịu 1 phần ứng suất kéo uốn cho các
lớp mặt phía trên của kết cấu áo đường mềm và phân bố đều ứng suất xuống các lớp móng dưới
và nền đất;
4 Không nên bố trí kết cấu chỉ có 1 lớp BTAP với chiều dày 6 - 8cm vì sẽ làm tăng ứng
suất kéo - uốn ở đáy lớp này và giảm tuổi thọ mỏi Lớp BTAP phía trên nên là 4cm vừa đảm
bảo công nghệ thi công lại cho khả năng chịu lực và chống mỏi tốt nhất Tổng chiều dày các lớp
BTAP trong kết cấu nên thiết kế trên 12 - 15cm;
Các hướng nghiên cứu:
1 Nghiên cứu loại BTAP có cường độ cao, dính bám tốt với lớp dưới và có khả năng
chống lại ứng suất kéo uốn lớn ở nhiệt độ thấp Chúng tôi đã thực hiện các nội dung này trong
phòng thí nghiệm với loại Mastic Asphalt (Gussasphalt - Bê tông nhựa đúc) cho những kết quả
2 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu cho lớp dính bám và các giải pháp công nghệ thích hợp để
tăng mức độ dính bám giữa các lớp BTAP tầng mặt kết cấu áo đường;
3 Nghiên cứu lựa chọn vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ tận dụng vật liệu địa phương như
vôi, tro bay để làm lớp móng, chịu một phần ứng suất kéo uốn của lớp mặt truyền xuống Chúng
tôi đang tiến hành các nội dung này trong phòng thí nghiệm Trường Đại học Giao thông Vận tải
Chúng tôi rất mong được sự quan tâm, cộng tác của các nhà khoa học và đồng nghiệp
Tài liệu tham khảo
[1] Bộ Giao thông Vận tải (2006), Tiêu chuẩn ngành 22TCN 211-06 - Quy trình thiết kế áo đường mềm
[2] PGS.TS Bùi Xuân Cậy, ThS Nguyễn Quang Phúc (2007), Nghiên cứu sử dụng các loại cốt tăng
cường khả năng chịu kéo và chống nứt của bê tông nhựa, Tạp chí Giao thông vận tải, số 12 - tháng 12
năm 2007, trang 32 - 34
[3] Lubinda F Walubita, Martin F C van de Ven (2000), Stresses and strains in asphalt - surfacing
pavements, South African Transport Conference-Action in Transport for the New Millennium, South
Africa, 17 - 20 July 2000
[4] Standardisierung (2001), Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaues von Verkehrsflächen -
RStO 01♦
