Báo cáo khoa học: "nghiên cứu nâng cao độ bền chi tiết toa xe trong điều kiện việt nam" docx

nguyễn hữu trí Viện Khoa học vμ Công nghệ GTVT Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu tóm tắt phương pháp sử dụng kết quả đo độ võng đμn hồi động bằng thiết bị FWD nhiều cấp tải trọng để dự báo t

Dự báo tuổi thọ còn lại của mặt đường

mềm bằng thiết bị FWD

TS nguyễn hữu trí

Viện Khoa học vμ Công nghệ GTVT

Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu tóm tắt phương pháp sử dụng kết quả đo độ võng đμn hồi

động bằng thiết bị FWD (nhiều cấp tải trọng) để dự báo tuổi thọ còn lại của mặt đường mềm Phương pháp dự báo nμy được xây dựng dựa trên cơ sở các mô hình phản ứng vμ mô hình lμm việc của mặt đường Thông qua các mô hình nμy, có thể dự báo được tình trạng hư hỏng mặt

đường do nứt mỏi vμ vệt hằn bánh xe dưới tác dụng của một hoặc nhiều cấp tải trọng

Summary: The paper briefs on the method of measuring the dynamic resilient deflection

by means of falling weight Dynamics to forecast remaining service capacity of flexible pavement

i mở đầu

CBA

Tuổi thọ của mặt đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lưu lượng giao thông, quá trình thi công, xây dựng, quá trình duy tu bảo dưỡng trong thời gian khai thác, cấu trúc kết cấu mặt

đường, tác động của môi trường v.v

Để xác định tuổi thọ còn lại của mặt đường, cần phải xem xét đánh giá các yếu tố như tình trạng hư hỏng hiện tại của mặt đường, khả năng chịu tải của kết cấu, các chỉ tiêu khai thác của mặt đường (về độ nhám, độ bằng phẳng, êm thuận, vệt hằn bánh xe)

Trong khuôn khổ bài báo này, xin giới thiệu một phương pháp sử dụng thiết bị FWD để dự báo tuổi thọ (thời gian khai thác) còn lại của mặt đường mềm và tình trạng phục vụ của mặt

đường thông qua các chỉ tiêu: sự nứt mỏi (fatigue cracking), vệt hằn bánh xe (rutting) trên cơ sở các mô hình phản ứng và mô hình làm việc của mặt đường

ii Mô hình phản ứng (response model) của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng

Dưới tác dụng của một cấp tải trọng nhất định, trong kết cấu mặt đường sẽ xuất hiện tương ứng một trạng thái ứng suất - biến dạng Khi đo được biến dạng xuất hiện trong kết cấu, thông qua các mô hinh tính toán, ta có thể tính ngược ra được tải trọng tác dụng

Từ các thông số chậu võng của mặt đường đo được bằng thiết bị FWD, có thể xác định

được các biến dạng phản ứng của mặt đường như:

1 Biến dạng kéo tại đáy lớp bê tông nhựa

(εac) và biến dạng nén theo phương thẳng đứng

trong lớp bê tông nhựa (εcac );

Hình 1 Các phản ứng của kết cấu mặt đường

dưới tác dụng của tải trọng

2 Biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt của

lớp móng trên (εbase );

3 Biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt đất

nền (εsg);

Để dự đoán giá trị của biến dạng kéo tại đáy

lớp bê tông nhựa εac cho mặt đường sử dụng lớp

móng là vật liệu rời, ta có thể sử dụng phương trình

(1) dưới đây:

log(εac) = 1.078 log(BDI) + 0.180 log(Hac) + 2.772 (1) trong đó:

Hac - là chiều dày của mặt đường bê tông nhựa, mm;

BDI - là chỉ số hư hỏng lớp móng BDI được định nghĩa là độ chênh giữa các độ võng tại

các vị trí cách tâm tấm ép 305 và 610mm

Biến dạng nén theo phương thẳng đứng trong lớp bê tông nhựa εcac được xác định bằng

cách chia khoảng chênh lệch giữa độ võng trên mặt và độ võng dưới đáy lớp BTN cho chiều dày

lớp BTN Giá trị của đại lượng này có thể xác định bằng phương trình (2) dưới đây:

log(εcac) = 1.076 log(SCI)+1.122 log(Hac) + 0.315 (2)

Hac - là chiều dày của mặt đường BTN, mm;

SCI - là chỉ số uốn vồng lớp mặt, được định nghĩa là độ chênh giữa độ võng tại tại các vị trí

cách tâm tấm ép 0 và 305mm

Mô hình phản ứng của mặt đường để xác định εbase được biểu diễn bởi phương trình:

log(εbase) = 0.938 log(BDI) – 0.079 log(Hac) + 0.045 log(Hbase) + 3.826 (3)

trong đó:

Hbase - là chiều dày của lớp móng, mm;

BDI - là chỉ số hư hại lớp móng

Biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt đất nền (εsg) cho mặt đường mềm được xác định

theo phương trình (4) dưới đây:

log(εsg) = 1.017 log(BCI) – 0.042 log(Hac) – 0.494 log(Hbase) + 5.072 (4)

trong đó:

Hac - Chiều dày lớp bê tông nhựa, mm;

Hbase - Chiều dày lớp móng trên, mm;

BCI - Chỉ số độ cong của lớp móng trên Chỉ số độ cong BCI của lớp móng trên được xác

định bằng sự chênh lệch giữa độ võng của 2 đầu đo cách tâm của tấm ép một khoảng là 610 và

914mm

iii Mô hình lμm việc (performance model) của mặt đường

Sự nứt mỏi của mặt đường bê tông nhựa là hiện tượng xuất hiện vết nứt do tác dụng trùng phục của tải trọng lên mặt đường gây ra các ứng suất - biến dạng có trị số thấp hơn các giới hạn của vật liệu

Để theo dõi hiện tượng nứt mỏi của mặt đường bê tông nhựa Viện Asphalt, Mỹ, đã đề xuất mô hình làm việc của mặt đường, được biểu diễn bởi phương trinh (5) dưới đây:

0.854

* 3.291 t

N = εư ư (5)

trong đó:

Nf - Số lần cho phép tác dụng của tải trọng;

εt - Biến dạng kéo tại đáy lớp bê tông nhựa, mm;

*

E - Mô đun đàn hồi động của bê tông nhựa, psi

iv Phương pháp dự báo thời gian khai thác còn lại của mặt đường

Tỷ lệ hư hỏng (Si) mặt đường do một cấp tải trọng gây ra được định nghĩa là tỷ số giữa số lần tải trọng lặp tác dụng thực tế và số lần cho phép tải trọng lặp tác dụng của từng cấp tải trọng Tỷ lệ hư hỏng Si được xác định bằng công thức (16) như sau:

i ,

i i

N

N

S = (6) trong đó:

Ni - Số lần tải trọng tác dụng lặp thực tế của cấp tải trọng i;

Nf,i - Số lần tải trọng tác dụng lặp cho phép của cấp tải trọng i

CBA

Theo giả thuyết của Miner, sự hư hại có tính cộng dồn tuyến tính Điều đó có nghĩa là sự hư hại của mặt đường tại một điểm nhất định có thể được tính bằng cách cộng dồn các hư hại do các cấp tải trọng khác nhau gây ra:

∑

=

∑

=

= n 1

i ,i i n

N S

S (7) trong đó:

S - Hư hỏng cộng dồn do n cấp tải trọng gây ra;

n - Số cấp tải trọng tác dụng;

Si - Tỷ lệ hư hỏng do cấp tải trọng thứ i gây ra

Hệ số hư hại được định nghĩa là sự hư hại do một lần tác dụng của một cấp tải trọng, được xác định theo công thức (8):

i , i

N

1

DF = (8)

trong đó:

DFi - hệ số hư hỏng của cấp tải trọng thứ i;

Nf,i - Số tải trọng lặp tác dụng cho phép của cấp tải trọng i

Mô hình làm việc của mặt đường để theo dõi sự nứt mỏi và vệt hằn bánh xe được áp dụng

để xác định giá trị Nf,i từ đó tính được hệ số hư hỏng của cấp tải trọng thứ i và tỷ lệ hư hỏng do một cấp tải trọng gây ra cho kết cấu mặt đường

Khi tổng các tỷ lệ hư hỏng (S) bằng một thì mặt đường sẽ bị phá hoại Sự hư hỏng tổng

cộng (S) do tác dụng của tổ hợp các cấp tải trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ còn lại của mặt đường

(Y) được xác định từ phương trình (9) dưới đây:

S=∑(PixDFi)xY hay

∑

=

) xDF P (

S Y

i i

(9)

trong đó:

S - Hư hỏng tổng cộng của mặt đường do tác dụng của nhiều cấp tải trọng gây ra;

DFi - hệ số hư hỏng do cấp tải trọng thứ i gây ra;

Pi - Số lần tác dụng lặp lại của cấp tải trọng thứ i

Đo độ võng bằng FWD D(i,T)

Mô hình biến dạng của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng

R(i,T)

Mô hình làm việc của mặt đường

N (i,T) f

DF(i,T)

YRL = S = 1 Σ(Ni x DFi) Σ(Ni x DFi)

CBA

Hình 2 Sơ đồ các bước tiến hμnh dự đoán tuổi thọ còn lại của mặt đường mềm

trên cơ sở kết quả đo võng của thiết bị FWD

Biết được mặt đường bị phá hoại khi hư hại tổng cộng S = 1, các hệ số khác trong phương

trình (10) được xác định từ kết quả thí nghiệm bằng thiết bị FWD và từ các thông số giao thông

trên đường Do đó, từ công thức (10) ta có thể dự báo được tuổi thọ còn lại của mặt đường

v Dự đoán tình trạng nứt do mỏi của mặt đường

Để dự đoán được tình trạng nứt do mỏi của mặt đường, có thể sử dụng số liệu độ võng đo

được bằng thiết bị FWD để xác định các biến dạng kéo theo phương ngang tại đáy lớp BTN (εac)

và mô đun đàn hồi của BTN (Eac)

Giá trị εac do tác động của các cấp tải trọng khác nhau có thể dự đoán được từ mô hình phản ứng của mặt đường (biểu diễn bằng phương trình 1)

Giá trị mô đun đàn hồi của lớp BTN (Eac) được xác định như sau:

log(Eac) = - 1.183log(Hac) - 1.103log(SCI) + 5.096 (10) trong đó:

Hac - là chiều dày của mặt đường BTN, mm;

SCI - là chỉ số uốn vồng lớp mặt

Các giá trị Eac, εac sẽ được đưa vào mô hình làm việc của mặt đường xét đến sự nứt mỏi (phương trình 5 ) để xác định được số lần tải trọng tác dụng lặp cho phép của từng cấp tải trọng (Nf,i ) Xác định sự phá hoại tổng cộng do nứt mỏi gây ra đối với mặt đường mềm thông qua (7) Nếu sự hư hỏng tổng cộng lớn hơn 1 thì mặt đường bê tông nhựa bị phá hoại, trường hợp ngược lại, mặt đường vẫn tiếp tục khai thác được

Đo độ võng bằng FWD

Giải bài toán ngược Mô hình phản ứng của mặt đường

Nf = 0.0796et-3.291E* -0.854

P-0.3

Số lần tải trọng tác dụng (N)

Tỷ lệ hư hỏng (Si)

S t = S 1 +S 2 + +S n

S t < 1

Sai

Đúng Lớp BTN vẫn còn khai thác được Lớp BTN ở tình trạng phá hỏng

CBA

Hình 3 Sơ đồ các bước tiến hμnh dự đoán tình trạng nứt mỏi của mặt đường mềm

trên cơ sở kết quả đo võng của thiết bị FWD

vi Dự đoán chiều sâu vệt hằn bánh xe (rut depth)

Từ kết quả đo độ võng bằng thiết bị FWD và mô hình phản ứng của mặt đường, tính được các biến dạng biến dạng nén theo phương thẳng đứng trong lớp bê tông nhựa (εcac ), biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt của lớp móng trên ( εbase ), biến dạng nén thẳng đứng trên bề mặt

đất nền (εsg);

Sử dụng mô hình vệt lún VESYS để xác định chiều sâu vệt hằn bánh xe trên cơ sở các biến dạng nén dự đoán được, thông số vệt hằn bánh xe VESYS và thông số về tải trọng :

∑

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

∫ ε α

ư

μ

=

∑

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

∫μ ∫ ε

=

α

ư

α

1 i

i d 1 i d c i

i 1 i n

1 i N 0

i d 1 i d c i

1

N dz

) z ( dN N )

N (

RD (11)

trong đó:

z - Chiều dày lớp kết cấu mặt, mm;

εc(z) - Biến dạng nén theo phương thẳng đứng tại độ sâu z, mm;

N - Số lần tác dụng của tải trọng;

α và μ - Các thông số biến dạng VESYS

So sánh giá trị vệt hằn bánh xe dự đoán với trị số giới hạn sẽ xác định tình trạng làm việc

của mặt đường

Đo độ võng bằng FW D

BCI BDI

SCI

hằn bánh xe(α,μ)

M ặt đường ở tình trạng

M ặt đường ở tình trạng

RD<RDgh

RD(N) =Σi=1n

μ i N1ưαι 1ưα ι

d i

d i-1

ε c (z)dz

CBA

Hình 4 Sơ đồ các bước tiến hμnh dự đoán vêt hằn bánh xe của mặt đường mềm

trên cơ sở kết quả đo võng của thiết bị FWD

VIi tổng hợp một số so sánh kết quả dự đoán vμ các số liệu đo đạc

kiểm nghiệm thực tế

7.1 Tỷ lệ hư hỏng mặt đường bê tông nhựa do nứt mỏi

Ngày

Dự đoán

Đo đạc

Ngày

Dự đoán

Đo đạc

7.2 Chiều sâu vệt hằn bánh xe của mặt đường bê tông nhựa

5/95 9/95 1/96 7/96 10/96 3/97 7/97 2/98

Ngày

5/95 9/95 1/96 7/96 10/96 3/97 7/97 2/98

Ngày

viii Kết luận

Sự hư hỏng mặt đường do nứt mỏi và tuổi thọ còn lại của mặt đường hoàn toàn có thể dự

đoán được thông qua kết qua đo võng bằng thiết bị FWD và các mô hình mô phỏng sự làm việc của kết cấu mặt đường

Có thể sử dụng các thông số chậu võng và biến dạng phản ứng giới hạn của mặt đường để xác định cường độ của các vật liệu làm lớp móng và nền đường

Dựa trên các giá trị mô đun đàn hồi và biến dạng kéo dưới đáy lớp BTN, có thể dự đoán

được tình trạng làm việc của lớp bê tông nhựa

CBA

Việc dự đoán chiều sâu vệt hằn bánh xe và sự hư hỏng mặt đường do nứt mỏi dưới tác dụng của tải trọng theo phương pháp đã giới thiệu trên đây có độ tin cậy cao, kết quả dự đoán gần sát với các kết quả đo đạc kiểm nghiệm thực tế

Tài liệu tham khảo

[1] AASHTO AASHTO Guide for Design of Pavement Structures AASHTO, Washington, D.C., 1993 [2] Xu Bing, S R Ranjithan, and Y R Kim Development of Relationships Between FWD Deflections and Asphalt Pavement Layer Condition Indicators Paper submitted to TRB, Paper No 02-3729, 2001

[3] Asphalt Institute AI, Thickness Design – Asphalt Pavements for Highways and Streets Manual Series No 1, 1981 [4] Kenis, W J Predictive Design Procedure, VESYS User’s Manual: An Interim Design Method for Flexible Pavement Using the VESYS Structural Subsystem Report No FHWARD-77-154, Federal Highway Administration, U.S Department of Transportation, Washington, D.C., 1978

[5] Austroads Road Safety Audit Second Edition, Sydney – 2002

[6] Nguyễn Xuân Đμo vμ những người khác Công nghệ hiện đại trong xây dựng, kiểm tra, đánh giá chất

lượng đường ô tô cấp cao & đường sân bay (Báo cáo khoa học đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước mã số KHCN 10-05), HàNội, 6/1999♦