THUYẾT MINH đề tài NCKH XD PM TÍNH TOÁN kết cấu áo ĐƯỜNG BTXM

MỤC LỤC1DANH MỤC BẢNG BIỂU4DANH MỤC HÌNH VẼ5MỞ ĐẦU7CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY91.1. Tải trọng tính toán91.1.1. Tải trọng bánh tính toán91.1.2. Xét ảnh hưởng của tải trọng càng nhiều bánh91.1.3. Quy đổi lưu lượng máy bay khai thác về máy bay tính toán121.2. Cơ sở tính toán kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay121.2.1. Mô hình nền tính toán121.2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán tấm bê tông trên nền đàn hồi141.2.2. Các giả thiết kỹ thuật151.2.3. Trạng thái giới hạn tấm bê tông mặt đường151.3. Phương pháp tính toán kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay theo mô hình nền một hệ số171.3.1. Kết cấu mặt đường bê tông xi măng một lớp171.3.2. Kết cấu mặt đường bê tông xi măng nhiều lớp241.3.3. Kết cấu mặt đường bê tông xi măng tăng cường301.3.4. Tính toán ứng suất nhiệt trong tấm bê tông xi măng311.4. Phương pháp thử nghiệm đánh giá sức chịu tải mặt đường bê tông xi măng sân bay331.4.1. Phương pháp ép tĩnh tại hiện trường331.4.2. Phương pháp đánh giá bằng tải trọng điều hòa351.4.3. Phương pháp AREA361.4.4. Phương pháp ACN – PCN411.5. Phương pháp dự báo tuổi thọ mặt đường bê tông xi măng sân bay theo đặc trưng mỏi của vật liệu441.6. Kết luận chương 151CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY522.1. Giới thiệu phần mềm522.1.1. Tên phần mềm522.1.2. Mục đích xây dựng phần mềm522.1.3. Các nội dung tính toán của phần mềm522.1.4. Cấu trúc phần mềm522.1.5. Ngôn ngữ lập trình532.2. Lập sơ đồ các thuật toán532.2.1. Sơ đồ thuật toán tính kết cấu mới532.2.2. Sơ đồ thuật toán tính kết cấu tăng cường562.3. Giao diện phần mềm572.4. Kết luận chương 260CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ KIỂM ĐỊNH PHẦN MỀM TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY613.1. Khảo sát và kiểm định các nội dung tính toán của phần mềm613.1.1. Khảo sát và kiểm định nội dung tính toán kết cấu mới613.1.2. Khảo sát và kiểm định nội dung tính toán kết cấu tăng cường683.1.3. Khảo sát và kiểm định nội dung đánh giá sức chịu tải mặt đường693.2. Đánh giá độ tin cậy của phần mềm713.3. Kết luận chương 371KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ731. Kết luận732. Kiến nghị74TÀI LIỆU THAM KHẢO75PHỤ LỤC 1: CODE ĐẶC TRƯNG CỦA PHẦN MỀM TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY76PHỤ LỤC 2: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN MÓNG TƯƠNG ĐƯƠNG89

MỤC LỤC C L C ỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY 9

1.1 Tải trọng tính toán 9

1.1.1 Tải trọng bánh tính toán 9

1.1.2 Xét ảnh hưởng của tải trọng càng nhiều bánh 9

1.1.3 Quy đổi lưu lượng máy bay khai thác về máy bay tính toán 12

1.2 Cơ sở tính toán kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay 12

1.2.1 Mô hình nền tính toán 12

1.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán tấm bê tông trên nền đàn hồi 14

1.2.2 Các giả thiết kỹ thuật 15

1.2.3 Trạng thái giới hạn tấm bê tông mặt đường 15

1.3 Phương pháp tính toán kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay theo mô hình nền một hệ số 17

1.3.1 Kết cấu mặt đường bê tông xi măng một lớp 17

1.3.2 Kết cấu mặt đường bê tông xi măng nhiều lớp 24

1.3.3 Kết cấu mặt đường bê tông xi măng tăng cường 30

1.3.4 Tính toán ứng suất nhiệt trong tấm bê tông xi măng 31

1.4 Phương pháp thử nghiệm đánh giá sức chịu tải mặt đường bê tông xi măng sân bay 33

1.4.1 Phương pháp ép tĩnh tại hiện trường 33

1.4.2 Phương pháp đánh giá bằng tải trọng điều hòa 35

1.4.3 Phương pháp AREA 36

1.4.4 Phương pháp ACN – PCN 41

1.5 Phương pháp dự báo tuổi thọ mặt đường bê tông xi măng sân bay theo đặc trưng mỏi của vật liệu 44

1.6 Kết luận chương 1 51

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY 52

2.1 Giới thiệu phần mềm 52

2.1.1 Tên phần mềm 52

2.1.2 Mục đích xây dựng phần mềm 52

2.1.3 Các nội dung tính toán của phần mềm 52

2.1.4 Cấu trúc phần mềm 52

2.1.5 Ngôn ngữ lập trình 53

2.2 Lập sơ đồ các thuật toán 53

2.2.1 Sơ đồ thuật toán tính kết cấu mới 53

2.2.2 Sơ đồ thuật toán tính kết cấu tăng cường 56

2.3 Giao diện phần mềm 57

2.4 Kết luận chương 2 60

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ KIỂM ĐỊNH PHẦN MỀM TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY 61

3.1 Khảo sát và kiểm định các nội dung tính toán của phần mềm 61

3.1.1 Khảo sát và kiểm định nội dung tính toán kết cấu mới 61

3.1.2 Khảo sát và kiểm định nội dung tính toán kết cấu tăng cường 68

3.1.3 Khảo sát và kiểm định nội dung đánh giá sức chịu tải mặt đường 69

3.2 Đánh giá độ tin cậy của phần mềm 71

3.3 Kết luận chương 3 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

1 Kết luận 73

2 Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 1: CODE ĐẶC TRƯNG CỦA PHẦN MỀM TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY 76

PHỤ LỤC 2: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NỀN MÓNG TƯƠNG ĐƯƠNG 89

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng xác định giá trị mômen đơn vị i

x

y

M 20

Bảng 1.2 Hệ số xung kích kđ 23

Bảng 1.3 Bảng hệ số điều kiện làm việc mặt đường 23

Bảng 1.4 Bảng phân loại đánh giá cường độ nền đất 43

Bảng 1.5 Bảng phân loại áp suất bánh hơi 43

Bảng 1.6 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền mỏi bê tông 45

Bảng 1.7 Hệ số chuyển đổi sơ đồ càng máy bay xem xét về sơ đồ càng máy bay tính toán 50

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ chậu võng của mặt đường chịu tải trọng hai bánh xe 10

Hình 1.2 Ý nghĩa đại lượng đặc trưng đàn hồi tấm L 11

Hình 1.3 Mô hình nền một hệ số nền 13

Hình 1.4 Kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay 1 lớp 17

Hình 1.5 Sơ đồ tính nhiều tải trọng tác dụng 19

Hình 1.6 Ý nghĩa đại lượng đặc trưng đàn hồi tấm L 19

Hình 1.7 Toán đồ xác định mô men uốn đơn vị M x i , M y i 22

Hình 1.8 Sơ đồ phân khu vực mặt đường sân bay 23

Hình 1.9 Kết cấu mặt đường bê tông xi măng sân bay nhiều lớp 25

Hình 1.10 Hệ số chuyển đổi cạnh tấm cho tấm bê tông hai lớp 30

Hình 1.11 Đồ thị xác định hệ số Cx và Cy 32

Hình 1.12 Đặc trưng quan hệ tải trọng - độ võng theo phương pháp FAA 36

Hình 1.13 Biểu đồ xác định sức chịu tải bánh đơn tương đương theo DSM 36

Hình 1.14 Ứng xử của tấm bê tông khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe 37

Hình 1.15 Sơ đồ chậu võng tấm bê tông và quan hệ chậu võng - tải trọng 37

Hình 1.16 Sơ đồ lực tác dụng lên tấm khi nén tĩnh hiện trường 39

Hình 1.17 Quan hệ độ bền mỏi và số lần đặt tải 45

Hình 1.18 Phân bố hoạt động của máy bay theo chiều rộng đường CHC 51

Hình 2.1 Cấu trúc phần mềm AD BTXM_SB Version 1.1 53

Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán tính kết cấu áo đường BTXM một lớp 54

Hình 2.3 Sơ đồ thuật toán tính kết cấu áo đường BTXM hai lớp 55

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán tính kết cấu tăng cường BTXM/BTXM (BTN) 56

Hình 2.5 Form đăng nhập phần mềm 57

Hình 2.6 Giao diện form trang chủ và menu thiết kế mới của phần mềm 57

Hình 2.7 Giao diện form tính toán kết cấu mới 58

Hình 2.8 Giao diện form tính toán kết cấu tăng cường 58

Hình 2.9 Giao diện form đánh giá sức chịu tải mặt đường 59

Hình 2.10 Giao diện form giới thiệu phần mềm 59

Hình 2.11 Giao diện form hướng dẫn sử dụng phần mềm 60

Hình 3.1 Kết quả bài toán tính mặt đường BTXM 1 lớp 63

Hình 3.2 Kết quả bài toán tính mặt đường BTXM nhiều lớp 67

Hình 3.3 Kết quả bài toán tính kết cấu tăng cường BTXM/BTN 69

Hình 3.4 Kết quả đánh giá sức chịu tải mặt đường bằng phương pháp AREA 71

MỞ ĐẦU

Để thúc đẩy sự phát triển của giao thông hàng không, chúng ta cần tiến hànhxây dựng hệ thống cảng hàng không (sân bay) đạt chất lượng, có quy mô lớn, tiếpnhận được các máy bay hiện đại của thế giới với lưu lượng, tần suất cất hạ cánh lớnhơn nhiều lần so với thực tế hiện nay Trong đó, để giảm chi phí đầu tư xây dựng,một trong các biện pháp được Đảng và Nhà nước áp dụng là chú trọng nâng cấp,

mở rộng các sân bay hiện có

Vấn đề đặt ra lúc này là việc lựa chọn được giải pháp kết cấu hợp lý nhất chocác hạng mục đường cất hạ cánh, đường lăn, sân đỗ Giải pháp đưa ra vừa phải đảmbảo được khả năng làm việc ổn định của kết cấu mới, sự làm việc thống nhất giữakết cấu tăng cường và kết cấu cũ, vừa đảm bảo chi phí đầu tư thấp nhất

Ở nước ta, kết cấu áo đường bê tông xi măng (BTXM) là kết cấu được sửdụng phổ biến và hiệu quả nhất trong thiết kế sân bay Để đáp ứng được các yêu cầukinh tế và kỹ thuật, người thiết kế cần tiến hành tính toán nhiều phương án sau đó sosánh và lựa chọn ra một phương án tốt nhất, khi đó sẽ cần nhiều thời gian và côngsức Tuy nhiên, thực tế chúng ta lại chưa có một phần mềm chuyên dụng nào về tínhtoán kết cấu áo đường sân bay nói chung và kết cấu BTXM nói riêng

Chính vì vậy, việc đưa ra một phần mềm tự động hóa tính toán kết cấu áođường sân bay là cần thiết, nó giúp cho người kỹ sư tính toán một cách nhanh chóng,khí đó sẽ có nhiều sự lựa chọn hơn về giải pháp kết cấu Đồng thời, phần mềm tựđộng hóa cũng giúp ích trong công tác giảng dạy, là công cụ hỗ trợ cho giảng viên,học viên và sinh viên

Với tổng hòa các lý do trên, nhóm tác giả nhận thấy sự cần thiết khi lựa chọn

nội dung: “Xây dựng phần mềm tính toán kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay” làm đề tài nghiên cứu của mình.

Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài này là xây dựng phần mềm tự động hóatrong tính toán kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay, trong đó có tính toán kếtcấu mới và kết cấu tăng cường Bên cạnh đó, phần mềm mà nhóm đề tài xây dựngcòn nhằm cung cấp các phương pháp xử lý số liệu thử nghiệm trong việc đánh giá

sức chịu tải của mặt đường BTXM đang khai thác và dự báo tuổi thọ của mặtđường này.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Tính toán kết cấu áo đường BTXM sân bay(gồm kết cấu xây dựng mới và kết cấu tăng cường), chịu tác động của máy bay có

hệ càng chính một bánh, hai bánh và bốn bánh

Quá trình xây dựng phần mềm, nhóm tác giả đã căn cứ vào TCCS02-2009/CHK - Quy trình thiết kế mặt đường sân bay dân dụng Việt Nam Đồngthời, có sự tham khảo ý kiến đóng góp của GS.TS Phạm Cao Thăng, giảng viên Bộmôn Cầu đường – Sân Bay, Viện kỹ thuật Công trình đặc biệt, cùng sự hướng dẫn,chỉ đạo của giáo viên hướng dẫn

Hiện nay, chưa có phần mềm chuyên dụng nào về vấn đề này nên các ví dụđưa ra sau khi xử lý bằng phần mềm sẽ được khảo sát độ tin cậy bằng cách so sánhvới lời giải tay

Bố cục chính của đề tài gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và kiếnnghị, cụ thể như sau:

- Mở đầu: (Nêu lên thực trạng, tính cấp thiết và mục đích, phạm vi và đốitượng nghiên cứu của đề tài)

- Chương 1: Cơ sở lý thuyết tính toán kết cấu áo đường BTXM sân bay

- Chương 2: Xây dựng phần mềm tính toán kết cấu áo đường BTXM sân bay

- Chương 3: Khảo sát và kiểm định phần mềm tính toán kết cấu áo đườngBTXM sân bay

- Kết luận và kiến nghị:

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY

1.1 Tải trọng tính toán

1.1.1 Tải trọng bánh tính toán

Trên một sân bay có thể khai thác nhiều loại máy bay với số lượng càng chính,

số lượng bánh trên mỗi càng chính và lưu lượng khai thác mỗi máy bay là khác nhau.Khi tính toán kết cấu áo đường sân bay, ta cần đưa ra được tải trọng tác động bất lợinhất lên kết cấu hay còn gọi là tải trọng tính toán Theo quy định, tải trọng tính toán

là tải trọng bánh trên càng chính của máy bay khai thác có trọng lượng cất cánh lớnnhất và tác động bất lợi nhất lên kết cấu áo đường (máy bay tính toán)

Sơ đồ bố trí bánh trên càng chính có thể là gồm một, hai, bốn hoặc sáu bánh.Tải trọng bánh tính toán là tải trọng càng chính của máy bay tính toán được chiađều cho số lượng bánh trên càng chính đó

Như vậy, khi tính toán kết cấu áo đường sân bay, tải trọng bánh tính toánđược chọn là bánh có tải trọng lớn nhất, đồng thời lưu lượng các loại máy bay kháccần được quy đổi về lưu lượng máy bay tính toán

1.1.2 Xét ảnh hưởng của tải trọng càng nhiều bánh

Do càng chính máy bay có nhiều bánh và khoảng cách giữa các bánh nhỏ nênchúng ta cần xét ảnh hưởng qua lại lẫn nhau giữa các bánh

Để đơn giản, xét trường hợp gồm hai bánh xe kí hiệu PI và PII cách nhau mộtkhoảng X, gây ra độ võng các lớp áo đường (xét trường hợp chỉ gồm lớp mặt và lớpnền), thể hiện trên hình 1.1a Khi khoảng cách X nhỏ, bánh thứ hai nằm trong phạm

vi ảnh hưởng do bánh thứ nhất gây ra, tại vị trí bánh I (được chọn là tiết diện tínhtoán), ta có:

tt

I I I

t t

II I

wI, I, I - tương ứng là độ võng, ứng suất kéo uốn và ứng suất cắt trong nền

do bánh xe tính toán gây ra;

wII, II,  II- tương ứng là phần độ võng, phần ứng suất kéo uốn trong lớpvật liệu bê tông xi măng và phần ứng suất cắt trong nền phụ thêm do bánh thứ IIgây ra tại tiết diện tính toán

Hình 1.1 Sơ đồ chậu võng của mặt đường chịu tải trọng hai bánh xe

Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của tải trọng bánh xe lân cận đến trạng thái ứngsuất – biến dạng tại tiết diện tính toán, cần căn cứ khoảng cách các bánh đến bánh xetính toán và độ cứng của kết cấu áo đường

Trong tính toán kết cấu áo đường BTXM sân bay, vật liệu sử dụng là vật liệuđàn hồi, ít nhậy cảm với trùng phục của tải trọng, vì vậy trong quy trình thiết kế củaViệt Nam và một số nước như Nga, Trung Quốc,… người ta chỉ xét tới chỉ tiêu ứngsuất kéo uốn trong tấm bê tông (BT) và chỉ tiêu ứng suất cắt trong nền tăng lên do ảnhhưởng của bánh xe lân cận đến tiết diện tính toán:

II I

tt     

 và tt  I   II

Chỉ tiêu ứng suất kéo uốn trong tấm BT bao gồm đồng thời cả ứng suất kéo uốn

do bánh tính toán gây ra và phần ứng suất kéo uốn phát sinh do bánh xe ngoài tiếtdiện tính toán gây ra Trong lý thuyết tính toán tấm uốn, đại lượng đặc trưng đàn

đường, được tính theo công thức:

trong đó: D,C - tương ứng là độ cứng kháng uốn tấm BT và hệ số nền

Khi tải trọng thứ hai cách tiết diện tính toán một khoảng bằng L, tại đó ứngsuất kéo uốn đáy tấm sẽ bằng 0 (hình 1.2)

2,5L

Tải trọng bánh đơn, P

Điểm uốn mặt võng Phản lực nền

Mô men uốn

Ứng suất đáy tấm

Ứng suất kéo uốn đáy tấm Ứng suất nén uốn đáy tám

L

Hình 1.2 Ý nghĩa đại lượng đặc trưng đàn hồi tấm L

Khi tính theo chỉ tiêu ứng suất kéo uốn tại tiết diện tính toán tấm bê tông mặtđường, từ hình 1.1b, ta thấy:

- Khi X < L, ta có: II > 0, lúc này tt  I   II

- Khi X = L, ta có: II = 0, do vậy tt  I  0  I

- Khi X > L, ta có: II < 0, do vậy tt  I   II,

Để thiên về an toàn, trong thiết kế người ta bỏ qua đại lượng II âm

Như vậy, xét ảnh hưởng của bánh xe lân cận đến tiết diện tính toán, cần dựavào khoảng cách giữa các bánh đến bánh tính toán (đại lượng X trên hình 1.1) vàđại lượng đặc trưng chống biến dạng của tấm BT mặt đường (L) Để tiện lợi ápdụng trong tính toán thực tế, trong quy trình thiết kế của Việt Nam, Nga, người ta

đã xây dựng các bảng tra để tính phần ứng suất phụ thêm do tải trọng ngoài tiếtdiện tính toán gây ra Một số nước như Mỹ, Anh, Pháp, và theo khuyến cáo thựchành của tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (ICAO) lại áp dụng phương pháp

quy đổi về tải trọng bánh đơn tương đương bằng hệ số quy đổi tải trọng bánh đơntương đương k Giá trị của hệ số k được lấy, có xét ảnh hưởng của khoảng cách đếnbánh tính toán, diện tích truyền tải trọng của bánh xe và đặc trưng khả năng chốngbiến dạng tấm BT mặt đường L Hệ số k được đưa ra dưới dạng toán đồ tra.

Đối với chỉ tiêu ứng suất cắt trong nền sẽ được nói rõ dưới đây

1.1.3 Quy đổi lưu lượng máy bay khai thác về máy bay tính toán

Khi đã chọn được tải trọng càng chính tính toán thì cần quy đổi các càng chínhmáy bay khai thác khác về tải trọng càng chính máy bay tính toán Lưu lượng quyđổi sẽ gây ra một tác động mỏi cho lớp vật liệu, tương đương với lưu lượng thực củacác máy bay khai thác gây ra tại tiết diện tính toán đó

Việc xác định lưu lượng quy đổi khi tính toán kết cấu áo đường cứng sân bay(với áp suất bánh của các loại máy bay là như nhau), có thể tính theo công thức sau:

4

2

P K P

na – là số trục bánh xe trên càng chính của các máy bay i;

Ni – là số lượt khai thác máy bay thứ i trong 25 năm phục vụ

1.2 Cơ sở tính toán kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay

1.2.1 Mô hình nền tính toán

Theo quy trình thiết kế mặt đường sân bay dân dụng Việt Nam (TCCS 02:2009/CHK) cũng như của nhiều nước trên thế giới (Nga, Mỹ,…), hiện nay đều áp dụng môhình nền một hệ số hay còn gọi là mô hình nền Winkler

Mô hình nền một hệ số do Winkler (1867) đề nghị, theo đó mô hình cơ học thểhiện tương tác giữa đất nền với kết cấu công trình bên trên được mô tả, thay thế bằng

hệ các lò xo đàn hồi, độc lập với nhau theo phương thẳng đứng, biến dạng nền lúc này

chỉ xảy ra ở đáy công trình hay nói cách khác ngoài phạm vi đặt tải thì đất nền hoàntoàn không bị lún (hình 1.3) Chính vì sự làm việc của nền được thay thế bằng sự làmviệc của các lò xo đàn hồi nên độ lớn của độ võng mặt nền dưới tác dụng của áp lực tỉ

lệ với độ lớn của áp lực đó

Xét một tấm ép chịu tác dụng tải trọng P, gây ra áp lực q tác dụng xuống mặt nềntại tọa độ (x, y) Kí hiệu C là hệ số nền và gọi wo(x, y) là độ lún mặt nền do áp lựcq(x, y) gây ra, theo mô hình nền một hệ số, ta có:

q x y C

Cũng theo mô hình này, phương trình vi phân mặt võng tấm BT trên nền đànhồi theo lý thuyết tấm mỏng được viết dưới dạng:

) , ( ) , ( ) 2

4 2 2 4 4

4

y x q y x Cw x

w y

x

w x

E, h, – tương ứng là mô đun đàn hồi, chiều dày và hệ số Poisson của tấm bê tông

Ưu điểm của mô hình Winkler là giúp đơn giản trong tính toán Các kết quả thựcnghiệm cho thấy, hệ số nền C có sự biến thiên: khi tấm ép có kích thước nhỏ thì hệ sốnền C phụ thuộc nhiều vào hình dạng và kích thước tấm ép; còn khi tấm ép có đường

kính lớn (trên 70 cm) thì hệ số nền ít phụ thuộc vào kích thước tấm ép Vì thế trong

tính toán kết cấu áo đường cứng sân bay thì hệ số nền C có giá trị không đổi trên toàn

bộ miền tính toán của kết cấu Chính những ưu điểm này mà nó được áp dụng rộng rãi

trong quy trình thiết kế áo đường cứng sân bay của Việt Nam, Nga, trong khuyến cáo

thực hành của tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (ICAO), trong quy trình thiết kế

áo đường cứng đường ô tô của Mỹ (AASHTO)

Tuy nhiên nhược điểm của nó ở chỗ chỉ phần đất ngay dưới kết cấu bị lún (xem

hình 1.3b), còn vùng đất phía ngoài thì không, điều này không sát với thực tế Bởi giữa

các hạt đất luôn có liên kết, dù rằng rất yếu nhưng nhờ vào liên kết kết dính, liên kết keo

nhớt giữa các hạt đất và đặc biệt là ma sát giữa các hạt dẫn đến dưới tác dụng của tải

trọng ngoài không chỉ riêng phần đất bên dưới kết cấu bị lún, mà cả phần đất ngay sát

xung quanh kết cấu cũng bị lún theo, tuy độ lún không nhiều và tắt rất nhanh Ngoài ra,

mô hình này còn không quan tâm rằng đất nền thuộc loại đất gì tức là nó chưa đề cập tới

đặc trưng cơ lý của đất nền Khắc phục một số nhược điểm này thì ta còn có mô hình 2

và 3 hệ số nền nhưng việc tính toán sẽ phức tạp hơn mô hình 1 hệ số nền

1.2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán tấm bê tông trên nền đàn hồi

Khi tính toán tấm BT mặt đường, chúng ta thường sử dụng lý thuyết tấm mỏng

theo lý thuyết đàn hồi Tấm mỏng là tấm thoả mãn điều kiện sau:

, 5

1

≤

≤ 100

1

b

trong đó: h, b – tương ứng là chiều dày và kích thước cạnh nhỏ nhất của tấm BT

Ta nhận được phương trình vi phân độ võng của tấm mỏng theo lý thuyết

Kirchhoff:

) , ( ) , ( ) 2

4 2 2

4 4

4

y x r y x q y

w y

x

w x

y

w x

w D

w D

);

3 3

3

x y

w x

w D

3

y x

w y

w D

trong đó: h, - tương ứng là chiều dày và hệ số poisson của tấm BT

1.2.2 Các giả thiết kỹ thuật

Khi tính toán tấm BT sân bay chịu tác động của tải trọng tĩnh càng máy bay,

chúng ta áp dụng các giả thiết sau:

1 Tấm BT mặt đường được xem như nằm trên nền đàn hồi, tính chất của nó

được thể hiện theo mô hình nền tính toán Tính toán được thực hiện xuất phát từ bài

toán cơ kết cấu của tấm trên nền đàn hồi

2 Việc xác định nội lực trong tấm BT được thực hiện tại tâm tấm, nội lực tại

cạnh tấm và góc tấm được xét đến thông qua các hệ số chuyển đổi

3 Tấm được tính dưới tác dụng của tải trọng tĩnh, ảnh hưởng động được xét đến

thông qua hệ số xung kích

4 Việc xác định nội lực trong tấm dẫn tới việc tìm hàm phản lực nền từ tải trọng

đã cho Trong đó thường xem rằng độ lún của nền đất trùng khít với độ võng của tấm

dưới tác dụng của tải trọng;

5 Hệ số mỏi và sự tăng trưởng cường độ BT theo thời gian được xét đến thông

qua hệ số điều kiện làm việc

1.2.3 Trạng thái giới hạn tấm bê tông mặt đường

Đối với kết cấu áo đường BTXM sân bay khi xuất hiện các vết nứt trong lớp

mặt thì sức chịu tải của tấm sẽ không còn Mặt khác, khi trong nền và trong lớp vật

liệu kém dính xuất hiện ứng suất cắt, khi ứng suất cắt vượt quá giá trị lực dính cho

phép, nền đường sẽ bị biến dạng dẻo, mất khả năng chịu lực Bởi vậy đối mặt

đường này, trạng thái làm việc ứng với giai đoạn xuất hiện vết nứt và trạng thái

biến dạng dẻo trong nền là trạng thái tính toán và được đặc trưng là trạng thái giớihạn theo cường độ.

Trạng thái giới hạn của tấm BT nêu trên được gây ra bởi tác động của ứngsuất kéo uốn và ứng suất cắt trong nền, do vậy điều kiện cơ bản của tính toán có thểđược viết dưới dạng:

 tt  R cp ;

trong đó:tt – là ứng suất kéo uốn ở vị trí bất lợi nhất của tấm BT;

tt

phía trên gây ra trong nền;

R cp – là cường độ kéo uốn cho phép của BT;

Ccp – là lực dính cho phép của nền đường

Cần lưu ý là lực dính của đất nền thường rất nhậy cảm với sự trùng phục củatải trọng Khi lưu lượng tăng, lực dính của đất nhanh chóng bị suy giảm, làm giảmkhả năng chịu lực của nền Nhưng khi tính toán tấm BT sân bay, do lưu lượngtrùng phục tải trọng trên sân bay không lớn, lực dính ít bị suy giảm nên trong quytrình thiết kế mặt đường cứng sân bay cũng như ô tô của Việt Nam và một số nước,người ta thường bỏ qua, không xét chỉ tiêu ứng suất cắt trong nền đất

Ý nghĩa của công thức (1.13) là ở chỗ, nội lực lớn nhất trong kết cấu khôngđược lớn hơn khả năng chịu tải nhỏ nhất của nó, sự sai lệch giữa chúng cần khôngđược vượt quá 3-5% Để giải phương trình (1.9) sẽ giúp tìm độ võng tấm, từ đó tìmđược nội lực trong tấm, quy trình thiết kế sân bay Việt Nam hiện nay sử dụngphương pháp mô hình nền 1 hệ số, sẽ trình bày dưới đây

1.3 Phương pháp tính toán kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay theo mô hình nền một hệ số

1.3.1 Kết cấu mặt đường bê tông xi măng một lớp

Nội lực tính toán được xác định trong trường hợp tải trọng đặt ở tâm tấm, khitải trọng đặt ở cạnh tấm, nội lực tính toán được xác định thông qua hệ số chuyển đổi

Hình 1.4 Kết cấu áo đường bê tông xi măng sân bay 1 lớp

Mô men uốn do bánh xe đặt tại tiết diện tính toán gây ra tại tâm tấm và cạnhtấm lần lượt là:

M0 = Ptt.f() = P k0 d.f() (1.14)

M tt M0.k, (1.15)trong đó: P0 – là tải trọng bánh xe tính toán;

k – là hệ số chuyển đổi mô men uốn từ tấm tấm ra cạnh tấm, xác định bằngthực nghiệm: có thể lấy k = 1,2 khi cạnh tấm có liên kết truyền lực, k = 1,5 khicạnh tấm là tự do;

kd – là hệ số xung kích;

f() – là hàm số, giá trị của nó xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc bánkính đường tròn quy đổi tải trọng và đặc trưng đàn hồi tấm, có thể lấy theo bảng lậpsẵn (xem bảng 1.1), phụ thuộc vào bán kính chuyển đổi , với  xác định như sau:

q – là áp lực tác dụng xuống mặt đường, lấy bằng áp suất bánh;

L – là đặc trưng đàn hồi tấm bê tông (tham số đặc trưng cho khả năng chống

biến dạng của tấm bê tông mặt đường):

L bC

D – là độ cứng uốn trụ của tấm:

) 1 (

E, h,  – tương ứng là mô đun đàn hồi, chiều dày tấm và hệ số Poisson của bê tông;

C – là hệ số nền; b – là chiều rộng tính toán, thường lấy bằng một đơn vị

Theo tính toán, đường kính chậu võng tấm không phụ thuộc độ lớn tải trọng tác

dụng, có độ lớn xấp xỉ bằng 5 lần đặc trưng đàn hồi tấm (xem hình 1.6)

Trường hợp tính toán với tải trọng từ nhiều bánh lân cận, cần xét phần nội lực

phụ thêm do các bánh xe lân cận gây ra Khi đó mô men uốn tính toán được tính:







n i y x y

M

2 ) ( 1

i y

M ( )là mô men đơn vị theo phương x hoặc y, trong tính toán được xác định

theo bảng lập sẵn (bảng 1.2), phụ thuộc khoảng cách tương đối ( ,  ) giữa bánh xe

thứ i đến tiết diện tính toán:  X/L;  Y/L

2

3 4

Điểm uốn mặt võng Phản lực nền

Mô men uốn

Ứng suất đáy tấm

Ứng suất kéo uốn đáy tấm Ứng suất nén uốn đáy tám

L

Hình 1.6 Ý nghĩa đại lượng đặc trưng đàn hồi tấm L

Các giá trị mô men đơn vị i

đã được nhóm đề tài rút ngắn, chỉ xét tới các giá trị mô men dương Tức là, trong tínhtoán nếu xuất hiện các giá trị  ,  nằm ngoài phạm vị tra bảng tra chúng ta sẽ khôngxét tới, giá trị mô men đơn vị tương ứng sẽ bỏ qua

Bảng 1.1 Bảng xác định giá trị mômen đơn vị i

vị khi các giá trị   ( ) thay đổi Qua nghiên cứu, nhóm đề tài đã sử dụng phần mềmGraph để toán đồ hóa bảng tra 1.1 thông qua các hàm toán học, kết quả được toán đồnhư hình 1.7 dưới đây.

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 0

Trong toán đồ trên, tính từ trên xuống, mỗi đường sẽ tương ứng với trường hợp

C và D 1,1 1,1 1,1

Mô men uốn cho phép được tính theo công thức:

N

tt ku

cp mR h k M

Bảng 1.3 B ng h s i u ki n l m vi c m t ảng hệ số điều kiện làm việc mặt đường ệ số điều kiện làm việc mặt đường ố điều kiện làm việc mặt đường điều kiện làm việc mặt đường ều kiện làm việc mặt đường ệ số điều kiện làm việc mặt đường àm việc mặt đường ệ số điều kiện làm việc mặt đường ặt đường điều kiện làm việc mặt đườngường ng

Hình 1.8 Sơ đồ phân khu vực mặt đường sân bay

k N – là hệ số xét đến lưu lượng máy bay tính toán tích lũy trong suốt quá trìnhkhai thác: k N  2  lgN6

N là lưu lượng máy bay tính toán chuyển đổi;

tt

ku

R – là cường độ kéo uốn tính toán, có thể lấy bằng 70% cường độ kéo uốntheo mác thiết kế BT; h – là chiều dày tấm BT

1.3.2 Kết cấu mặt đường bê tông xi măng nhiều lớp

Trong xây dựng mặt đường chịu tác động tải trọng lớn của máy bay thì mộttrong những loại mặt đường có nhiều triển vọng là mặt đường nhiều lớp, có tuổi thọkhai thác cao và cho phép ứng dụng rộng rãi các loại vật liệu tại chỗ, để xây dựngcác lớp dưới Các nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng chịu tải của mặt đường nhiềulớp, có thể đạt được ở nhiều phương án khác nhau về tỷ lệ chiều dày các lớp vàcường độ của vật liệu Việc sử dụng cường độ một cách hợp lý nhất của mặt đường

chỉ đạt được khi ở một tỷ lệ nhất định các tham số tính toán về chiều dày, mô đunđàn hồi và các đặc trưng cường độ khác Khi có sự sai lệch các tham số này so vớigiá trị tối ưu thì phần lớn tải trọng chỉ do một số lớp tiếp nhận, còn các lớp kháctiếp nhận không đáng kể Điều này dẫn đến việc làm giảm tuổi thọ mặt đường vàtrong một số trường hợp gây tốn kém kinh phí sửa chữa trong khai thác.

Bài toán về tấm nhiều lớp trên nền đàn hồi chịu tải trọng vuông góc với mặttấm, đã được nhiều tác giả nghiên cứu và đưa ra các lời giải cho các trường hợp cóxét hoặc không xét lực ma sát giữa các lớp, có xét và không xét lớp đệm đàn hồi(lớp cách ly làm triệt tiêu lực ma sát) giữa các lớp, trong đó phải kể đến lời giải của

N Bêzukhov, V Nikisin, A Sinishưn, I Mednicov,… Trong kết cấu mặt đường

BT nhiều lớp, để triệt tiêu lực ma sát giữa các lớp, nhằm hạn chế tối đa ứng suấtnhiệt phát sinh trong tấm bê tông, do thay đổi nhiệt độ môi trường gây ra, người

ta chỉ xét trường hợp bố trí lớp đệm cách ly giữa các lớp BT

Lý thuyết tính toán tấm BT sân bay nhiều lớp thường sử dụng lý thuyết tấmmỏng, tương tự như đã nêu ở trường hợp tính toán tấm một lớp

Trong sơ đồ tính, các lớp đệm cách ly được xem như là lớp nền của lớp trên

và có hệ số độ cứng được giả thiết tuân theo quy luật hệ số nền Khi chịu áp lực từlớp trên truyền xuống, lớp cách ly bị nén ép lại, sẽ gây ra phản lực tác dụng lại lớpphía trên Phản lực này sẽ gây ra sự phân bố lại nội lực trong các lớp Gọi w1 và w2 là

độ võng của lớp trên và lớp dưới, khi đó, độ nén ép của lớp cách ly nằm giữa hai lớpvật liệu được tính bằng hiệu hai độ võng của hai lớp BT (z = w1- w2)

Hình 1.9 Kết cấu mặt đường bê tông xi măng sân bay nhiều lớp

Nếu gọi Ccl là hệ số độ cứng của lớp cách ly, giả thiết tuân theo quy luật hệ

số nền, khi đó theo lý thuyết đàn hồi ta có:

Tương tự cách viết phương trình vi phân cân bằng mặt võng cho tấm một lớp,

ta có thể viết phương trình vi phân cho hệ mặt đường nhiều lớp, trường hợp tấmmặt đường hai lớp, khi đó theo lời giải của Sinishưn, ta có:

) 2

(

);

, ( ) (

) 2

(

2 1 2

4 4 2 2 2 4 4

4 2

2 1 4

4 2 2 1 4 4

4 1

w w C Cw y

w y

x w x

w D

y x q w w C y

w y

x w x

w D

cl

cl

(1.26)trong đó: w1, w2 – là độ võng các lớp;

q1(x,y) – là tải trọng ngoài tác động lên tấm trên;

Di, D2 – tương ứng là độ cứng uốn trụ lớp thứ trên và dưới

Giải hệ phương trình (1.26) với hai phương trình hai ẩn số là các độ võng các

lớp, sẽ xác định được độ võng của từng lớp bê tông, từ đó xác định được nội lựctrong từng lớp của mặt đường

Để đánh giá ảnh hưởng của lớp cách ly đến phân bố nội lực trong các lớp(tính đến độ nén ép của lớp cách ly làm thay đổi nội lực trong các lớp), trường hợpmặt đường hai lớp, từ (1.26) ta có hệ phương trình:

; , 1

2 2 2

1 2 2 4

1 1 2 1 1 1 4

y x q D w

w D

C w

y x q D w w D

C w

z D

C D

C z

CL CL

,

1 ,

1

2 2

1 1 2

2 4

D

D z D

D C

Khi tính được q2(x, y) từ (1.29) xác định được đại lượng z, từ đó tính được

mô men phát sinh do độ nén ép lớp cách ly gây ra

Từ phương trình (1.29) ta thấy rằng, đại lượng z phụ thuộc không chỉ tỷ lệ độ

cứng của các lớp, mà còn phụ thuộc cường độ nền, vì quy luật thay đổi q2(x, y) phụ

thuộc độ lớn hệ số nền

Nếu kể đến sự nén ép của lớp cách ly, để có được giá trị thực của độ võng

lớp trên cần cộng thêm vào độ võng trung bình của hai lớp một nửa hiệu các độ

võng, tức là w1 = w + 2z và nếu từ đại lượng độ võng trung bình trừ đi đại lượng z/

2, ta sẽ có độ võng tấm dưới, hay w2 = w – 2z Từ kết quả tính toán trên cho thấy,

độ võng của các lớp trên và lớp dưới trong kết cấu mặt đường nhiều lớp là khác

nhau: độ võng lớp trên lớn hơn độ võng lớp dưới

Mô men uốn sinh ra trong các lớp trên và dưới, có thể xem là kết quả cộng

Từ mô men trong các lớp, so sánh điều kiện chịu lựcM  tt M cp với M cp là

mô men giới hạn cho phép hoặc tìm ứng suất kéo uốn và so sánh điều kiện

cp

tt R

 , xác định riêng cho từng lớp

Trong tính toán, việc giải hệ phương trình vi phân (1.26) để tìm độ võng của

các lớp bằng phương pháp giải tích là hết sức phức tạp, bởi vậy trong thực tế tính

toán mặt đường, người ta thường sử dụng các phương pháp số

Để đơn giản trong tính toán, trong quy trình thiết kế mặt đường nhiều lớp,

bao gồm cả tính toán lớp tăng cường là BTXM, người ta bỏ qua ảnh hưởng của lớp

cách ly và giả thiết rằng độ võng các lớp là bằng nhau

Khi sử dụng giả thiết độ võng các lớp bằng nhau (w = w1 = w2) Cộng từng

vế hệ phương trình, trong trường hợp tấm BT hai lớp trong công thức (1.26), ta

nhận được phương trình có dạng:

y

w y

x

w x

w D

4 4

4 2

Chúng ta nhận thấy, phương trình trên đồng nhất với phương trình độ võng

mặt đường một lớp, có nghĩa là nếu giả thiết mặt đường nhiều lớp có độ võng các

lớp bằng nhau, thì lời giải của bài toán mặt đường nhiều lớp, đưa về lời giải của bài

toán mặt đường một lớp, có độ cứng tương đương bằng tổng độ cứng của các lớp.

De = D1 + D2

Khi đó, để tính mô men trong từng lớp, tiến hành theo trình tự sau:

Từ điều kiện De = D1 + D2, sử dụng các công thức đã biết để tính mô menuốn của mặt đường một lớp tương đương có độ cứng bằng De;

Để phân phối mô men tính toán cho các lớp trên và dưới có độ cứng D1, D2,

ở đây ta sử dụng giả thiết mô men uốn các lớp phân phối theo tỷ lệ độ cứng của cáclớp, đối với mặt đường hai lớp:

 

0

0.4 0.2 0.6

bt

o

0.8

Suy ra : M1 + M2 = Mtt (1.32)trong đó: M1, M2 – là mô men uốn của lớp một và lớp hai;

Mtt– là mô men uốn của mặt đường một lớp tính với độ cứng bằng tổng độcứng các lớp, tính theo công thức tính mô men uốn tâm tiết diện tính toán đã biết:

trong đó: f( )lấy gần đúng theo công thức sau: f(  )  0 , 0592  0 , 0928 ln 

α = R/L, R- bán kính vệt bánh xe quy đổi;

L – là đặc trưng đàn hồi tấm bê tông: 4 1 2

C

D D

L= +

D1, D2, C – tương ứng là độ cứng kháng uốn của lớp trên, lớp dưới và hệ số nền Điều kiện so sánh cường độ cho từng lớp BT:

M1 M cp1 ; M2 M cp2 (1.34)

trong đó: M cp1 , M cp2 – tương ứng là mô men uốn cho phép của BT lớp 1 và 2

Trường hợp khi cần tính toán ứng suất kéo uốn trong các lớp trên và dưới,theo lý thuyết đàn hồi ta có:

trong đó: R cp1 , R cp2 - tương ứng là cường độ kéo uốn giới hạn của BT lớp 1 và 2.

Khi tính toán cần chú ý đến điều kiện biên của tấm (trùng khe hoặc không trùngkhe giữa các lớp), để lựa chọn hệ số chuyển đổi cạnh tấm Kết cấu trùng khe tấm trên

và tấm dưới, khi cạnh tấm lệch nhau không quá chiều dày lớp trên

Trong trường hợp ngược lại gọi là lệch khe Khi đó, để nhận được giá trị mômem uốn tính toán, cần nhân mô men uốn khi tải trọng tác dụng tại tâm tấm, với hệ sốchuyển đổi k

Hình 1.10 Hệ số chuyển đổi cạnh tấm cho tấm bê tông hai lớp

a) trường hợp trùng khe; b) trường hợp lệch khe 1- lớp trên; 2- lớp dưới; 3- cạnh tấm; 4- thép truyền lực

1.3.3 Kết cấu mặt đường bê tông xi măng tăng cường

1.3.3.1 Kết cấu tăng cường BTXM/BTXM

Khi tính toán kết cấu tăng cường BTXM/BTXM, người ta bỏ qua ảnh hưởngcủa lớp cách ly và giả thiết rằng độ võng các lớp là bằng nhau, lời giải của bài toánmặt đường nhiều lớp lúc này đưa về lời giải của bài toán mặt đường một lớp Việctính toán hoàn toàn tương tự như đã nêu trên Cần lưu ý khi tăng cường lớp BTXMmới, cần gia cố sửa chữa các hư hỏng của lớp cũ, căn cứ mức độ hư hỏng đó đểđiều chỉnh, chiết giảm chiều dày trước khi tính toán lớp tăng cường cũng như đánhgiá cường độ còn lại của lớp BTXM cũ Tức là sau khi tính toán được chiều dàylớp BTXM tính toán (có khả năng chịu được tải trọng máy bay khai thác) là HBTXMtt,thì chiều dày lớp BTXM tăng cường (HBTXMtc) tính theo công thức:

HBTXMqd là chiều dày lớp BTXM cũ được quy đổi về BTXM trong tính toán,

trong đó: k là hệ số chiết giảm chiều dày tấm BTXM cũ.

1.3.3.2 Kết cấu tăng cường BTXM/BTN

Tương tự, tính toán kết cấu tăng cường BTXM/BTN, sau khi đánh giá mô đunđàn hồi còn lại của lớp BTN, ta cần quy đổi chiều dày lớp BTN đó về chiều dàyBTXM tính toán thông qua công thức:

trong đó: HBTXMqd – là chiều dày BTXM quy đổi từ lớp BTN cũ;

HBTNcu, EBTNcu – lần lượt là chiều dày và mô đun đàn hồi còn lại của lớp BTN cũ;

EBTXMtt – là mô đun đàn hồi của lớp BTXM sử dụng trong tính toán

Cuối cùng là tính chiều dày lớp BTXM tăng cường (Htc) theo công thức:

trong đó: Htt – là chiều dày lớp BTXM tính toán

1.3.4 Tính toán ứng suất nhiệt trong tấm bê tông xi măng

Trong điều kiện khai thác tấm BT mặt đường sân bay bao giờ cũng tồn tại sựkhác biệt giữa nhiệt độ bề mặt và đáy tấm BT và giữa các thời điểm khác nhautrong ngày, trong năm Sự tăng giảm nhiệt độ trung bình ngày trong tấm gây rahiện tượng dãn dài hoặc co ngắn tấm BT, còn khi nhiệt độ bề mặt và đáy tấm khácnhau sẽ gây ta hiện tượng uốn vồng tấm Khi nhiệt độ bề mặt lớn hơn nhiệt độ đáytấm (ban ngày) trên bề mặt tấm sẽ xuất hiện ứng suất nén uốn, ở đáy tấm sẽ xuấthiện ứng suất kéo uốn, còn ban đêm thì ngược lại, nhiệt độ bề mặt tấm nhỏ hơnnhiệt độ đáy tấm thì trên bề mặt tấm sẽ xuất hiện ứng suất kéo uốn, đáy tấm là ứngsuất nén uốn Như vật, vào ban ngày, mùa hè, khi vừa chịu tác dụng tải trọng máybay, vừa có tác dụng nhiệt độ, thớ dưới đáy mặt đường sẽ chịu đồng thời ứng suấtkéo uốn do tải trọng xe và do nhiệt độ, mặt đường làm việc ở điều kiện bất lợi nhất.Trường hợp vào ban đêm thì ngược lại Khi biến dạng của tấm BT bị cản trở do

trường nhiệt độ phân bố không đều theo chiều sâu tấm hoặc bị cản trở do ma sátgiữa đáy tấm và nền, trong tấm sẽ xuất hiện ứng suất nhiệt độ.

Tuy nhiên, để giảm hoặc triệt tiêu ma sát đáy tấm ta có thể dùng biện phápcấu tạo thêm lớp cách ly, lúc này chỉ cần xét đến ứng suất do phân bố nhiệt độkhông đều theo chiều sâu Có thể tính toán gần đúng và đơn giản ứng suất uốnvồng theo công thức dưới đây (lần lượt là ứng suất tại cạnh tấm và tâm tấm):

1

 - là ứng suất nhiệt tại tâm tấm;

 - là hệ số dãn nở nhiệt bê tông,  10 (1/  5 0C)

Thông qua tính toán ứng suất nhiệt ta sẽ quyết định được kích thước tấm bêtông mặt đường

Hình 1.11 Đồ thị xác định hệ số Cx và Cy

L0 – là đặc trưng đàn hồi tấm; Cx xác định theo L/L0, còn Cy xác định theo B/B0

1.4 Phương pháp thử nghiệm đánh giá sức chịu tải mặt đường bê tông xi măng sân bay

Sức chịu tải (SCT) cho phép hay cường độ kết cấu mặt đường sân bay là chỉtiêu quan trọng của mặt đường sân bay, nó cho phép tiếp nhận các máy bay tính toánvới mật độ khai thác không hạn chế mà không gây hư hại cho kết cấu mặt đường

Chỉ tiêu SCT cho phép, kí hiệu P0 của mặt đường được đánh giá qua đặctrưng cường độ và mức độ biến dạng cho phép của vật liệu mặt đường đối với mỗiloại máy bay tính toán cụ thể (tải trọng càng, số lượng bánh trong mỗi càng chính,

áp suất bánh)

Gọi tải trọng bánh của máy bay khai thác tác dụng lên mặt đường là P, như vậykhi thoả mãn điều kiện P  P0, mặt đường cho phép khai thác không hạn chế loạimáy bay đó

Đánh giá SCT mặt đường sân bay theo từng giai đoạn khai thác là công việcbắt buộc trong khai thác kỹ thuật sân bay khi cần tiếp nhận các loại máy bay mới,mặt khác nó giúp các nhà chức trách quản lý sân bay có kế hoạch sửa chữa cải tạo,nâng cấp mặt đường sân bay Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (ICAO) cũngyêu cầu các nước thành viên hàng năm đều phải thông báo SCT của mặt đường sânbay, đặc biệt là các sân bay quốc tế

Trong lĩnh vực khai thác kỹ thuật đánh giá SCT mặt đường sân bay hiện nay,trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng nhiều công nghệ đánh giá với thiết bị đồng

bộ và hiện đại cho phép đánh giá nhanh và chính xác SCT mặt đường Các côngnghệ đánh giá bao gồm phương pháp đánh giá phá huỷ (ép tĩnh, ép động tại hiệntrường), phương pháp không phá huỷ (tải trọng động, phương pháp siêu âm ) và cácphương pháp lý thuyết hoặc lý thuyết kết hợp thực nghiệm Dưới đây xem xét một sốcông nghệ phổ biến hiện nay

1.4.1 Phương pháp ép tĩnh tại hiện trường

Bản chất của phương pháp thử nghiệm ép tĩnh tại hiện trường là tác độngmột tải trọng tĩnh lên mặt đường thông qua tấm ép bằng thép có đường kính 45 cm(tương đương với đường kính quy đổi vệt bánh máy bay), gắn các thiết bị đo, ghilại độ võng mặt đường và độ lớn của tải trọng tương ứng trong suốt quá trình đo

Tải trọng được gia tải theo từng cấp, cho đến khi đạt tải trọng phá hoại mặt đường(pgh), thời điểm tấm được coi là bị phá hoại khi xuất hiện đường nứt trong tấm, tức

là khi mà độ võng tấm tăng đột biến Trên cơ sở các số liệu đo đạc thu được, xử lý,xây dựng đường tương quan giữa tải trọng và độ võng để phân tích trạng thái ứngsuất biến dạng của kết cấu mặt đường cũng như xác định SCT của mặt đường

Ưu điểm của phương pháp thử nghiệm tải trọng tĩnh là cho kết quả chính xáccao, song có nhược điểm là thiết bị cồng kềnh, thời gian thử nghiệm lâu sẽ ảnhhưởng tới hoạt động khai thác của sân bay Khi đánh giá sẽ làm phá huỷ tấm bê tông

Để xác định SCT của mặt đường sân bay bằng phương pháp ép tĩnh hiệntrường, thời gian đánh giá thường được tiến hành vào mùa mưa, khi mà nền đất ởtrạng thái ẩm ướt, tức là lúc có cường độ thấp nhất Kết thúc quá trình thử nghiệm,chúng ta nhận được hàng loạt các giá trị tải trọng phá hoại tấm bê tông (Pi) ở các vịtrí khác nhau Tải trọng phá hoại là tải trọng mà tại thời điểm đó trên đường congtải trọng - độ võng, độ võng tấm biến thiên đột ngột - điểm gẫy của đường cong

Xử lý số liệu, xác định tải trọng cho phép theo trình tự sau:

Giá trị trung bình của tải trọng phá hoại sẽ là:





n i

2 tb

P ( ) 1 n (

1

Hệ số biến động (biến sai) của đại lượng tải trọng:

tb P

Như vậy, SCT của mặt đường được đánh giá thông qua tải trọng tác động lêntấm ép, được xác định qua kết quả thực nghiệm:

trong đó: m – là hệ số điều kiện làm việc của mặt đường

P0 - là tải trọng bánh đơn tương đương biểu thị sức chịu tải của mặt đường

1.4.2 Phương pháp đánh giá bằng tải trọng điều hòa

Theo phương pháp này, trong quá trình đánh giá, tải trọng thử tác động lênmặt đường được dùng là tải trọng động theo chu kỳ, phù hợp với đặc điểm tải trọngmáy bay tác động lên mặt đường

Ưu điểm của phương pháp đánh giá bằng tải trọng động là thời gian thửnghiệm nhanh do đó không ảnh hưởng đến hoạt động khai thác của sân bay

Tại mỗi vị trí đo, người ta bắt đầu gia tải tấm bê tông từ 0 đến mức tải trọngtương đương 15  20% tải trọng phá hoại, tải trọng được gia tải theo từng cấp vớitần số dao động xác định là 15Hz Độ võng động tương ứng ở các cấp tải trọng đượcghi lại Sau khi kết thúc thử nghiệm, xây dựng biểu đồ quan hệ tải trọng động - độvõng cho từng điểm kiểm tra Trong quá trình xử lý, người ta sử dụng khái niệm môđun độ cứng động (DSM) Trị số mô đun độ cứng động được xác định như sau:

1 2

1 2

W W

P P DSM

W1, W2 - lần lượt là độ võng tấm tại các cấp tải trọng tương ứng P1 và P2

Trong miền tải trọng P1 đến P2, đường quan hệ tải trọng - độ võng là tuyếntính vì độ lớn tải trọng P1, P2 nhỏ hơn rất nhiều so với tải trọng phá hoại Trên hình2.6 mô tả đặc trưng quan hệ "tải trọng - độ võng" của mặt đường dưới tác dụng củatải trọng

Từ hình 1.12 cho thấy, nếu mặt đường có SCT lớn, trị số DSM cũng sẽ lớn vàngược lại Như vậy có thể thấy rằng đại lượng DSM đặc trưng cho SCT mặt đường,hay nói một cách khác, mỗi kết cấu mặt đường có một giá trị DSM duy nhất

Sau khi xác định được trị số mô đun độ cứng động (DSM), tra theo biểu đồhình 1.13, xác định được tải trọng bánh đơn tương đương (P0), đặc trưng cho SCTmặt đường kiểm tra Tải trọng bánh đơn tương đương xác định được theo biểu đồhình 1.13 cần:

- Giảm đi 10% trong trường hợp có từ 25% trở xuống số tấm có dấu hiệu võngcạnh tấm;

- Giảm đi 25% trong trường hợp có từ 30  50% số tấm có dấu hiệu nứt gẫy

do tải trọng, trương nở đất, lún tấm Nếu có từ 50% số tấm trở lên bị nứt vỡ thì mặtđường xem như đã bị hỏng

Hình 1.12 Đặc trưng quan hệ tải trọng - độ võng theo phương pháp FAA

Hình 1.13 Biểu đồ xác định sức chịu tải bánh đơn tương đương theo DSM

1.4.3 Phương pháp AREA

1.4.3.1 Khái niệm về độ lớn chậu võng mặt đường.

Chậu võng mặt đường là phần mặt đường bị uốn võng xuống, do tác dụngcủa tải trọng Đối với tấm BTXM là đẳng hướng, khi tải trọng tác dụng tại tâm tấm,chu vi chậu võng có dạng hình tròn Đặc điểm của chậu võng mặt đường là độ lớnđường kính của nó không phụ thuộc vào độ lớn của tải trọng tác dụng Khi thay đổi

độ lớn tải trọng tác dụng, chỉ làm thay đổi độ lớn của độ võng tấm mà không làmthay đổi đường kính chậu võng

Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đường kính chậu võng mặtđường chỉ phụ thuộc vào độ cứng uốn trụ của tấm BT (D) và độ cứng của nền (C):

trong đó: L - đặc trưng đàn hồi tấm BT

E,h, - tương ứng là mô đun đàn hồi, chiều dày và hệ số poisson của tấm BT;

§iÓm uèn

 ku

Hình 1.14 Ứng xử của tấm bê tông khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe

Thí dụ minh họa kết quả tính đường kính chậu võng cho các trường hợp tảitrọng tác dụng là 4, 5 và 6T

Hình 1.15 Sơ đồ chậu võng tấm bê tông và quan hệ chậu võng - tải trọng

Tấm bê tông dày 22cm, hệ số nền C = 0,9 Mpa/cm

Đường kính chậu võng tính toán cho các trường hợp tải trọng tác dụng bằngnhau, Dcv = 5L, với L - đặc trưng đàn hồi tấm (L = 70cm)

1.4.3.2 Thử nghiệm xác định hệ số nền

1) Cơ sở lý thuyết tính toán hệ số nền từ số liệu đo độ võng hiện trường

Khi chịu tải trọng tác dụng, tấm bị võng và truyền áp lực xuống nền Trườnghợp tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh, trong nền xuất hiện phản lực tác dụng lêntấm Chiếu tất cả các lực tác dụng lên tấm theo phương Z, gồm có tải trọng tácdụng và phản lực nền:





s

ds y x r

trong đó: P - tải trọng tác dụng;

r(x,y) - phản lực nền tại toạ độ x,y, theo mô hình nền một hệ số r(x,y) =C.w(x,y);

W(x,y) - độ võng tấm tại toạ độ x,y, được giả thiết bằng với độ võng nền;

C - hệ số nền tương đương (móng và nền tự nhiên);

S - diện tícch hình chiếu bằng chậu võng mặt đường

Thay biểu thức r(x,y) vào công thức, ta được:





s

ds y x C

S

V ds y x

W( , ). , với V- thể tích chậu võng mặt nền, lấy bằng thể tích chậuvõng mặt đường, được xác định từ số liệu thử nghiệm

2 2

 - hệ số lực cản nhớt, =Ttr.k, Ttr - thời gian trễ của biến dạng do nhớt;

k-hệ số độ cứng của nền; Vd - thể tích động của chậu võng

Theo kết quả thí nghiệm, hệ số nền động có giá trị bằng 2 lần hệ số nền tĩnh

r(x,y)

D qd

q

q X

Z

Dcv

Hình 1.16 Sơ đồ lực tác dụng lên tấm khi nén tĩnh hiện trường

2) Xác định hệ số nền theo đặc trưng chậu võng mặt đường

Để đơn giản trong thử nghiệm hiện trường, tại Mỹ trong hướng dẫn thựchành của Cục hàng không liên bang (FAA), người ta đã tiến hành nghiên cứu thựcnghiệm, xác định sự tương quan giữa hình dạng độ cong mặt võng tấm (thông qua

độ võng một số điểm trên chậu võng) với độ cứng tấm, thông qua tham số đặctrưng khả năng chống biến dạng tấm bê tông (bán kính độ cứng tương đối) Phươngpháp đánh giá được gọi là phương pháp AREA, cơ sở phương pháp như sau:

Sử dụng thiết bị đánh giá với bốn đầu đo độ võng mặt tấm Từ các độ võng

Wo,W1,W2,W3 ( inch), đo được đối với tấm bê tông dày không quá 40cm, tại vị trítâm tải trọng và cách tâm tải trọng tương ứng 12, 24 và 36 inch (30, 60 và 90 cm),xác định tham số AREA:

) 2

2 1 ( 6

0

3 0

2 0

1

w

w w

w w

trong đó: các hằng số thực nghiệm: A = 36; B = 1812,279; C = - 2,559; D = 4,387Khi biết độ võng tại tâm tải trọng W0 và đặc trưng đàn hồi L, hệ số nền C cóthể được xác định từ công thức của Westergaad:

ln(

2

1 1

R L

R L

w

P C

trong đó: R - bán kính vệt bánh xe quy đổi

Cần lưu ý, khi thử nghiệm bằng thiết bị gia tải tĩnh thì các giá trị độ võng tấm

đo được là các độ võng tĩnh và hệ số nền nhận được từ công thức trên sẽ là hệ sốnền tĩnh Khi thử nghiệm bằng thiết bị gia tải động thì sẽ nhận được các giá trị độvõng động Khi đó hệ số nền nhận được từ công thức trên là hệ số nền động Donền đường là vật liệu có đặc tính đàn nhớt, nền thể hiện đặc tính biến dạng trễ khichịu tác dụng của tải trọng động, nên độ võng động sẽ nhỏ hơn với độ võng tĩnh

Do vậy hệ số nền động nhận được từ tính toán sẽ lớn hơn so với hệ số nền tĩnh

Để đánh giá xác định tải trọng cho phép là tải trọng tĩnh như tải trọng dùngtrong tính toán thiết kế, cần quy đổi hệ số nền động về hệ số nền tĩnh Sự khác biệt của

hệ số nền động so với hệ số nền tĩnh phụ thuộc loại đất nền, độ cứng của tấm bê tôngmặt đường và tốc độ gia tải của tải trọng thử nghiệm Theo kết quả nghiên cứu thựcnghiệm của tác giả và các cộng sự, đối với nền đất sét pha, giá trị hệ số nền động lớnhơn hệ số nền tĩnh khoảng 2 lần Theo hướng dẫn của cục hàng không liên bang Mỹ,trong tính toán đánh giá sức chịu tải mặt đường ô tô và sân bay, có thể lấy chung chocác loại nền đường, giá trị hệ số nền động lớn gấp hai lần hệ số nền tĩnh Tương tự, giátrị mô đun đàn hồi động nền đường cũng lớn hơn so với mô đun đàn hồi tĩnh

c Xác định mô đun đàn hồi tấm bê tông xi măng tại thời điểm đánh giá

Khi đó biết đặc trưng đàn hồi tấm bê tông L và hệ số nền C, khi biết chiều dàytấm bê tông, có thể xác định mô đun đàn hồi bê tông theo công thức tính đặc trưngđàn hồi tấm bê tông: