Đặt vấn đề Từ trước đến nay để đánh giá sức chịu tải của một lớp hoặc cả kết cấu mặt đường mềm nói chung người ta thường xác định gián tiếp thông qua độ võng đàn hồi trên bề mặt kết cấu
Trang 1một số vấn đề về đánh giá mặt đường
bê tông xi măng bằng DYNATEST
NCS l∙ vĂN CHĂM
Bộ môn Đường bộ - ĐH GTVT Tóm tắt: Thiết bị Dynatest 8000 lμ một trong nhiều thiết bị đo động để đánh giá khả năng
chịu tải của mặt đường Trong khuôn khổ bμi viết nμy tác giả giới thiệu cách đo vμ xử lý số liệu
đo được trên mặt đường bê tông xi măng thử nghiệm
Summary: Dynatest 8000 is one of Dynamic measurement equipments to appreciate the
bearing index of pavement structure In this article, the author introduces the measuring method and analysing results on experimentation Rigid Pavement
Đặt vấn đề
Từ trước đến nay để đánh giá sức chịu tải
của một lớp hoặc cả kết cấu mặt đường mềm
nói chung người ta thường xác định gián tiếp
thông qua độ võng đàn hồi trên bề mặt kết
cấu Độ võng đàn hồi được xác định qua thí
nghiệm nén tĩnh, dưới tác dụng của tải trọng
quy định
Mặt đường bê tông xi măng có độ võng
nhỏ hơn nhiều so với mặt đường mềm nên
việc xác định chậu võng thường khó khăn,
mất nhiều thời gian công sức mà kết quả khó
chính xác
Gần đây nhiều nước đã sử dụng các thiết
bị đo động để xác định độ võng động của mặt
đường mềm, mặt đường cứng Quy trình
AASHTO 1998 quy định việc xác định hệ số
nền tương đương trên đỉnh lớp móng cho cả
mặt đường cứng và mềm Trị số này được
dùng để tính toán thiết kế kết cấu áo đường
cứng và mềm
Trong khuôn khổ bài viết này tác giả giới
thiệu cách xác định chậu võng động và tính
toán xử lý số liệu khi dùng thiết bị đo
DYNATEST 8000
1 Một số phương pháp đo động
đánh giá sức chịu tải của mặt
đường vμ thiết bị thí nghiệm DyNATEST 8000
Những phương pháp đánh giá sức chịu tải của mặt đường thích hợp nhất là các phương pháp không phá huỷ Các phương pháp này dựa trên các nguyên lý đo đạc khác nhau, nhờ các mối quan hệ xác lập được người ta có thể xác định được một hoặc nhiều thông số của mặt đường, điển hình là các phương pháp sau:
- Phương pháp không phá huỷ dùng tải trọng điều hoà của Cục hàng không liên bang
Mỹ (NDT - Non Destructive Testing)
Từ những năm 1950 Cục hàng không liên bang Mỹ đã nghiên cứu các thiết bị tải trọng rung để đánh giá thử nghiệm mặt đường mềm Phương pháp NDT xác định được mô đun độ cứng động (DSM) từ quan hệ "Tải trọng động -
độ võng động"
Nhờ mối tương quan được lập sẵn giữa DSM và tải trọng người ta có thể xác định tải trọng cho phép trên mặt đường, sân bay thử nghiệm
Trang 2- Phương pháp không phá huỷ dùng tải
trọng búa rơi (FWD): nguyên tắc chung của
phương pháp như sau: Quả nặng rơi từ độ cao
nhất định theo trục dẫn hướng tác dụng lên
mặt đường qua tấm ép Để kéo dài thời gian
tác dụng của tải trọng giống như tải trọng
chạy trên đường (bánh xe chuyển động) người
ta làm bộ lò xo giảm chấn hay các tấm đệm
cao su
Một thiết bị khá điển hình cho loại này và
được dùng khá phổ biến là DYNATEST 8000
có thể dùng cho cả mặt đường cứng và mềm
Thiết bị đo động DYNATEST 8000 của
Phần Lan: đo chậu võng của mặt đường bằng
tải trọng búa rơi, với tải trọng 3 hoặc 5 cấp, bộ
đầu đo gồm 7 cảm biến đặt trên giá thẳng
hàng (hình 1)
Hình 1 Thiết bị đo động DYNATEST 8000.
Phương pháp này thích hợp cho việc xác
định hệ số k cho thiết kế mặt đường trên mặt
đường bê tông cũ khi thiết kế nâng cấp
Sau khi xác định được chậu võng có thể
tính toán đặc trưng của nền móng cũ qua hệ
số kđ (k động), hệ số này được dùng là thông
số tính toán khi thiết kế tăng cường
Trình tự đo và tính toán được tiến hành
như sau:
Bước 1 Đo chậu võng của tấm bản dọc
theo hướng tuyến nhờ bộ đầu đo gồm 7 cảm
biến đặt trên giá thẳng hàng với khoảng cách các điểm đo thích hợp để đảm bảo chính xác Theo AASHTO đo độ võng cách tâm tải trọng một khoảng 0, 8, 12, 18, 24, 36, 60 in (0, 203,
305, 457, 610, 915, 1524 mm) (hình 2)
d o , d 8 , d 12 , d 18 , d 24 , d 36 , d 60
Hình 2 Sơ đồ đo động cho mặt đường cứng.
Bước 2 Tính toán
* Tính AREA7 nhờ trị số độ võng trên bằng công thức thực nghiệm [6]
Với bề mặt BTXM tính giá trị AREA7 của mỗi
hố võng được xác định theo phương trình (1):
AREA7 = 4 + 6 ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ 0
8 d
d
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ 0
12 d
d
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ 0
18 d
d
+
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ 0
24 d
d
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ 0
36 d
d
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ 0
60 d
d
(1)
Trong đó d0, d8, d12, d18, d24, d36, d60 là độ võng đo được tại các vị trí cách tâm tải trọng một khoảng 0, 8, 12, 18, 24, 36, 60 in
* Tính bán kính độ cứng tương đối lest (giả thiết tấm vô hạn) theo công thức:
566 , 2 7
est
696 , 0
708 289
AREA 60 ln l
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
ư
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
* Ước lượng hệ số k ban đầu
Xác định hệ số k ước lượng ban đầu của
mỗi hố võng theo công thức:
Trang 32 est 0
* 0 est
) l (
d
d P
trong đó: P - tải trọng (lb); do - độ võng động
đo được tại tâm tải trọng; do* - là hệ số không
thứ nguyên của độ võng tại tâm tải trọng xác
định bằng công thức sau:
) est l.
07565 0 ( e 14707 0
*
0 0.1245.e
d
* Tính toán hệ số hiệu chỉnh cho d0 và l
Với bản tấm bê tông hữu hạn (chiều dài
tấm Lb, chiều rộng tấm Bb) cần hiệu chỉnh l và
d0 theo công thức sau:
8051 , 0
est l
L 71878 0
0 1 1,15085.e
⎞
⎜⎜
⎛
ư
ư
04831 , 1
est l
L 61662 0
l 1 0,89434.e
⎞
⎜⎜
⎛
ư
ư
trong đó:
b
b.B
L
L = (khi chiều dài tấm Lb ≤ 2Bb)
b
L
2
L = (khi chiều dài tấm Lb > 2Bb)
* Hệ số đàn hồi động Kđ sau khi hiệu
chỉnh theo kích thước bản tấm bê tông hữu
hạn được tính theo (7):
0
2 l
est d
AF AF
k
Loại trừ khỏi dãy số liệu các giá trị phi lý
nhỏ hơn 50psi/in (14 kPa/mm) hoặc lớn hơn
1500 psi/in (407 kPa/mm) trị số Kđ động trung
bình được tính theo công thức (7) trên
* Ước lượng hệ số K tĩnh (Kt) cho thiết kế:
Kt = Kđ/2
Hệ số Kđ hoặc Kt là một thông số tính
toán chiều dày tấm bản của AASHTO
2 Kết quả thử nghiệm tại hiện trường
Tác giả đã làm bốn tấm bê tông thử
nghiệm tại trường Đại học giao thông vận tải
với các thông số nền móng khác nhau, đã tiến hành đo đạc trên các tấm thí nghiệm này bằng DYNATEST 8000 (Thiết bị của Viện Khoa học KT GTVT)
Sơ đồ bố trí mặt bằng như sau:
Hình 3 Sơ đồ bố trí các tấm thử nghiệm
ngoμi hiện trường.
Tấm 1: Tấm BTXM dày 24 cm, M300
trên nền đất E = 550 daN/cm2
Tấm 2: Tấm BTXM dày 24 cm, M300 trên
móng cát gia cố XM 10%, nền đất E = 450 daN/cm2
Tấm 3: Tấm BTXM dày 24 cm, M300
trên móng cấp phối gia cố XM 10%, nền đất
450 daN/cm2
Tấm 4: Tấm BTXM dày 24 cm, M300
trên nền đất E = 650 daN/cm2
Kết quả đo độ võng tại vị trí tim tấm như sau:
Cự ly (cm) Tấm 1 Tấm 2 Tấm 3 Tấm 4
0 0,0141 0,0126 0,0061 0,0123
20,32 0,01308 0,00915 0,0061 0,01216
30,48 0,01255 0,00749 0,00609 0,01208
45,72 0,01108 0,00708 0,00573 0,01142
60,96 0,00966 0,00668 0,00539 0,01076
91,44 0,00834 0,00596 0,00508 0,00963
152,4 0,00556 0,00433 0,00426 0,00671
Thanh truyền lực
Tấm 1 Tấm 2 Tấm 3 Tấm 4
5m 5m 5m 5m
3 m
Trang 4Hình 4 Chậu võng đo được trên
mặt đường thử nghiệm.
Từ kết quả độ võng đo được có thể tính
được hệ số độ võng của các tấm không có
móng (tấm 1, tấm 4), tấm móng cát gia cố
(tấm 2) so với tấm có móng cứng bằng vật liệu
cấp phối gia cố xi măng (tấm 3)
Hệ số độ võng so với tấm gia cố cấp phối
gia cố
Cự ly
(cm) Tấm 1/3 Tấm 2/3 Tấm 3 Tấm 4/3
0 2,31148 2,06557 1,00 2,01639
20,32 2,14492 1,49928 1,00 1,99419
30,48 2,06175 1,22967 1,00 1,98384
45,72 1,93267 1,23505 1,00 1,9917
60,96 1,79178 1,23879 1,00 1,99703
91,44 1,64195 1,17241 1,00 1,89498
152,4 1,3061 1,01596 1,00 1,57559
Hệ số K đ tính theo AASHTO
Hệ số k động 56,16 91,76 184,61 92,10
Nhận xét vμ kết luận
- Nhờ thí nghiệm DYNATEST này chúng
ta có thể xác định chậu võng động rất nhanh
so với các phương pháp đo đạc tĩnh truyền
thống
- Kết quả đo đạc đã phản ánh đúng tình
trạng kết cấu của tấm thí nghiệm
+ Độ võng của các tấm không gia cố (hệ
hai lớp) lớn hơn độ võng tấm có gia cố từ 1,3
đến 2,3 lần
+ Tấm trên móng cát gia cố có độ võng lớn hơn khá nhiều so với độ võng của tấm trên móng cấp phối gia cố xi măng
+ Với kết cấu mặt đường cứng dùng móng gia cố có cường độ cao hiệu quả hơn nhiều so với móng bằng vật liệu khác
- Ghi kết quả đo chậu võng qua khe tấm (tại vị trí cạnh ngắn tấm) có thể đánh giá khả năng truyền tải trọng qua khe, hoặc có thể kiểm tra khe nối có kết cấu thanh truyền lực hay không Kết quả đo trên tấm thí nghiệm cho thấy những khe có bố trí thanh truyền lực chậu võng khá trơn tru êm thuận, tại khe không có thanh truyền lực có sự cập kênh giữa hai tấm (thông qua bước nhảy chuyển vị qua khe)
- Chúng ta cũng có thể xác định hệ số chuyển vị cho các trường hợp tải trọng đặt ở góc và cạnh dài tấm
- Từ kết quả đo đạc có thể lập tương quan đánh giá sức chịu tải của các loại kết cấu mặt đường kể cả mặt đường cứng
- Nếu có phần mềm tính toán tương ứng nhờ việc lập quan hệ mà chúng ta có thể đánh giá một số đặc trưng của vật liệu làm mặt và móng đường
Từ mặt võng đo được người ta có thể giải bài toán ngược để tính được các đặc trưng cường độ của các lớp áo đường hoặc dùng nó làm thông số thiết kế
Tài liệu tham khảo
[1] AASHTO Hướng dẫn thiết kế mặt đường 1986 - Hiệp hội đường bộ Mỹ xuất bản
[2] Nguyễn Quang Chiêu Mặt đường bê tông xi măng -
NXB Xây dựng, 1985
[3] Dương Học Hải Công trình mặt đường ô tô Tủ sách
Sau đại học, Trường Đại học Xây dựng Hà nội 1996
[4] Quy trình thiết kế áo đường cứng 22 TCN 223 - 95
Bộ GTVT 1995
[5] Nguyễn Văn Vượng, Nguyễn Phú Thái Cơ sở phương
pháp đo kiểm tra trong kỹ thuật NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2001
[6] AASHTO Design of Pavement Structures (Part II Rigid Pavement Design & Rigid Pavement Joint Design), 1998 Ă
