Nghiên cứu đề xuất kiểm toán chỉ tiêu vệt hằn bánh xe trong thiết kế kết cấu áo đường mềm ở điều kiện Việt Nam

Nội dung nghiên cứu: - Thu thập thông tin về hiện trạng lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tôngnhựa ở Việt Nam; - Cập nhật các kết quả nghiên cứu mới nhất về hằn lún vệt bánh xe ở trongnư

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Trong thời gian gần đây, các loại biến dạng, hư hỏng xuất hiện sớm trên mặtđường bê tông nhựa ở nước ta rất phổ biến, đặc biệt là lún vệt bánh xe Sự xuất hiệncủa lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa gây mất an toàn và giảm tiện nghichạy xe, đồng thời làm tăng chi phí duy tu, bảo dưỡng và sữa chữa Do đó, lún vệtbánh xe đang là mối quan tâm không chỉ của riêng ngành giao thông, mà còn là của

cả xã hội Chính vì vậy, việc nghiên cứu để tìm ra đúng nguyên nhân xuất hiện và

đề xuất giải pháp khắc phục loại hư hỏng này là một vấn đề vô cùng cấp thiết

Để có thể giải quyết vấn đề trên, Bộ Giao Thông Vận Tải đã quyết địnhthành lập “Tổ nghiên cứu các giải pháp khắc phục hiện tượng lún vệt bánh xe đốivới mặt đường bê tông nhựa” vào tháng 6/2014 và chỉ đạo tập trung nghiên cứutheo 3 nhóm: nhóm nghiên cứu các nội dung tiêu chuẩn, qui trình; nhóm tập trungnghiên cứu các nội dung về công tác thi công, giám sát, nghiệm thu; nhóm nghiêncứu về qui định quản lý

Thực tế khai thác đường chỉ ra rằng, hiện tượng hằn lún vệt bánh xe trên mặtđường bê tông nhựa xuất hiện tương đối phổ biến ở các nước trên thế giới với mức

độ tương đối nhỏ từ 10-25mm Điều đó cho thấy, ở các nước tiên tiến trên thế giớitiêu chuẩn thiết kế của họ có thể kiểm soát và ngăn ngừa lún vệt bánh xe

Tuy nhiên, tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của Việt Nam hiện nay là 22 TCN211-06 lại không đề cập đến kiểm toán chỉ tiêu lún vệt bánh xe Vì thế việc nghiêncứu đề xuất kiểm toán chỉ tiêu kháng lún vệt bánh xe đối với kết cấu áo đường mềmtrong điều kiện Việt Nam là hết sức cần thiết

Kết quả đề tài đạt được sẽ là tiền đề quan trọng cho việc bổ sung chỉ kiểmtoán lún vệt bánh xe vào tiêu chuẩn ngành 22 TCN 211-06

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đề xuất phương pháp kiểm toán chỉ tiêu lúnvệt bánh xe đối với kết cấu áo đường mềm trong điều kiện Việt Nam vào tiêu chuẩnngành 22TCN 211-06

Kết quả của đề tài sẽ góp phần ngăn ngừa sự xuất hiện của lún vệt bánh xetrên mặt đường bê tông nhựa ở Việt Nam.

3 Nội dung nghiên cứu:

- Thu thập thông tin về hiện trạng lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tôngnhựa ở Việt Nam;

- Cập nhật các kết quả nghiên cứu mới nhất về hằn lún vệt bánh xe ở trongnước cũng như trên thế giới;

- Phân tích các nguyên nhân chính làm xuất hiện biến dạng lún vệt bánh xetrên mặt đường bê tông nhựa ở Việt Nam:

- So sánh đánh giá các phương pháp kiểm toán chỉ tiêu lún vệt bánh xe đốivới kết cấu áo đường mềm của một số nước trên thế giới;

- Đề xuất phương pháp kiểm toán chỉ tiêu lún vệt bánh xe đối với kết cấu áođường mềm phù hợp với điều kiện Việt Nam

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ LÚN VỆT BÁNH XE TRÊN

MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA

1.1 Tình hình xuất hiện lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa ở Việt

Nam

Lún vệt bánh xe là một trong những dạng hư hỏng chủ yếu của kết cấu áođường mềm Ngay từ thập niên 90, việc đánh giá các nguyên nhân gây ra biến dạnglún trồi của mặt đường bê tông nhựa đã được quan tâm Năm 1990, nghiên cứu củaFrazier Parker và E.Ray Brown đã chỉ ra rằng, nguyên nhân chủ yếu gây ra lún vệtbánh xe trên mặt đường bê tông nhựa là do biến dạng dẻo tích lũy của một hay một

số lớp kết cấu của áo đường [18]

Thông thường, kết cấu áo đường mềm có cấu tạo gồm một hay một số lớpvật liệu khác nhau được đặt trên nền đường (hình 1.1 và hình 1.2) Lớp mặt của kếtcấu áo đường mềm có thể là lớp láng nhựa hoặc bê tông nhựa, chịu tác động trựctiếp của tải trọng xe cộ Lớp móng có nhiệm vụ tiếp nhận, phân bố và truyền tảitrọng xuống nền đất Chính vì vậy, sự ổn định của các lớp vật liệu trong kết cấu áođường là một vấn đề rất quan trọng Sự mất ổn định của các lớp vật liệu là nguyênnhân làm xuất hiện và tích lũy biến dạng dẻo trong kết cấu áo đường, đặt biệt làtrong điều kiện hiện nay, dưới tác dụng của tải trọng nặng, lưu lượng lớn và điềukiện thời tiết khắc nghiệt

Hình 1.1: Cấu tạo các lớp trong kết cấu áo đường

Hình 1.2: Hình ảnh cắt dọc của kết cấu áo đường [48]

Lún vệt bánh xe là dạng hư hỏng phổ biến xuất hiện trên mặt đường bê tôngnhựa Lún vệt bánh xe tạo ra những rãnh tích nước (hình 1.3 và 1.4), theo thời giannước sẽ thấm xuống các lớp kết cấu phía dưới làm giảm cường độ của toàn bộ kếtcấu áo đường Ngoài ra, lún vệt bánh xe còn xuất hiện ở các lớp móng phía dưới, vàđây cũng là một trong những nguyên nhân làm hư hỏng lớp bê tông nhựa phía trên[22]

Biến dạng lún vệt bánh xe xuất hiện trên mặt đường bê tông nhựa do cácnguyên nhân sau:

 Tích lũy biến dạng dẻo trong các lớp bê tông nhựa;

 Tích lũy biến dạng dẻo trong các lớp móng của kết cấu áo đường;

 Tích lũy biến dạng dẻo trong toàn bộ kết cấu áo đường mềm

Sự xuất hiện của lún vệt bánh xe trên mặt đường làm mất an toàn chạy xe,tiêu hao nhiên liệu, giảm khả năng thoát nước của đường, tăng chi phí cho các côngtác duy tu, bảo dưỡng và sửa chữa

Hình 1.3: Lún vệt bánh xe làm nước mặt không thoát được [49]

Hình 1.4: Lún vệt bánh xe tạo thành những rãnh dọc [50]

Trong thời gian qua, Việt Nam đã đầu tư mạnh mẽ cho việc phát triển cơ sở

hạ tầng giao thông, nhiều công trình được xây dựng, nâng cấp theo hướng côngnghiệp hóa - hiện đại hóa Tuy nhiên, một thực trạng rất đáng quan tâm là nhiềutuyến đường quan trọng vừa được đưa vào sử dụng đã xuống cấp và hư hỏng, trong

đó lún vệt bánh xe xuất hiện ngày càng nhiều đã trở thành mối quan tâm lớn củatoàn xã hội Kết quả khảo sát thống kê thực tế của Tổng Cục Đường bộ cho thấy,hiện tượng hằn lún vệt bánh xe xuất hiện khá phổ biến từ Bắc vào Nam, chủ yếu tậptrung trên các tuyến quốc lộ có lưu lượng xe và tải trọng xe lớn (quốc lộ 1,3,5…);các vùng có thời tiết nắng nóng (khu vực miền Trung) và các vị trí đặc biệt (gần

trạm thu phí, đèo dốc, đường cong, ngã tư có đèn tín hiệu, trạm kiểm tra cảnh sátgiao thông…) [44].

Tại các đoạn mới cải tạo trên Quốc lộ 1A ở khu vực phía Bắc đều rãi rác xuấthiện lún vệt bánh xe như: đoạn Hà Nội – Lạng Sơn; đoạn Phủ Lý – Hà Nam; đoạnqua Ninh Bình

Hình 1.5: Lún vệt bánh xe xuất hiện tại Quốc lộ 1A đoạn qua thành phố Phủ Lý [51]

Hình 1.6: Đoạn đường từ Tam Điệp đến thành phố Ninh Bình (Quốc lộ 1A) [52]

Hình 1.7: Lún vệt bánh xe trên Quốc lộ 1A đoạn Hà Tĩnh- Vinh sâu 2,5 cm [8]

Hình 1.8: Lún vệt bánh xe trên Quốc lộ 1A đoạn qua tỉnh Quảng Bình [7]Tại các gói thầu số 1, 2 trên Quốc lộ 3 (từ Km 54+560 - Km 62 +450), xuấthiện các vệt lún, phạm vi ảnh hưởng khoảng 1900 m (tương đương 5700 m2), nằm

cả bên trái và bên phải tuyến Trên Quốc lộ 5 đoạn Km 94 +20 - Km 99+240, lúnvệt bánh xe cũng ảnh hưởng gần 1900 m (tương đương 6635 m2), với chiều sâutrung bình từ 5-10 cm vào tháng 6 năm 2014 [8] Đặc biệt, có những tuyến đã hạnchế tải trọng xe nhưng lún vệt bánh xe vẫn xuất hiện (hình 1.9)

Hình 1.9: Lún vệt bánh xe xuất hiện trên Quốc lộ 5 đoạn Hà Nội- Hải Phòng [53]Trên Quốc lộ 1 đoạn Thanh Hóa - Thừa Thiên Huế khoảng 70 km có xuấthiện biến dạng lún vệt bánh xe, tập trung hư hỏng nặng nhất ở khu vực Vinh - Ðông

Hà Ở tuyến tránh TP Vinh cũng xuất hiện lún vệt bánh xe sâu 5 - 7 cm chạy suốtgần 20 km Đoạn qua Diễn Châu (Nghệ An), tại một số vị trí lún vệt bánh xe cóchiều sâu lớn hơn 10 cm Trên mặt cầu Bến Thủy 2, mới đưa vào khai thác chưađầy một năm nhưng mặt cầu cũng xuất hiện lún vệt bánh xe sâu khoảng 10 - 12 cm[8]

Trên đoạn Ðà Nẵng - Khánh Hòa, lún vệt bánh xe xuất hiện trên hơn 90 km,nhiều đoạn vệt lún sâu hơn 7 cm, diện tích mặt đường bị lún tương đương 150000

m2 Đoạn Bình Ðịnh - Phú Yên, khu vực đèo Cù Mông, Rọ Tượng, nhiều chỗ xuấthiện lún vệt bánh xe sâu đến 15 cm [8]

Hình 1.10: Lún vệt bánh xe trên Quốc lộ 1A đoạn qua Diễn Châu- Nghệ An [54]

Hình 1.11: Lún vệt bánh xe xuất hiện trên cầu Bến Thủy 2 [55]

Hình 1.12: Quốc lộ 1A đoạn qua Đà Nẵng- Ngã Ba chợ Miếu Bông [56]

Hình 1.13: Quốc lộ 1A đoạn qua Bình Định – Phú Yên xuất hiện lún vệt bánh xe

Minh [58]

1.2 Nguyên nhân xuất hiện lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa ở

Việt Nam

Hiện nay, trên các tuyến đường Quốc lộ, tỉnh lộ hiện tượng lún vệt bánh xekéo dài xuất hiện nhiều Điển hình trên Quốc lộ 1A (hình 1.8), đoạn đường qua cáctỉnh miền Trung như Hà Tĩnh, Quảng Bình, Phú Yên,

Trên nhiều đoạn đường chiều sâu của vệt lún bánh xe đến 10 cm [8] Giá trịnày vượt xa giới hạn chiều sâu cho phép nhằm đảm bảo an toàn cho phương tiện vàngười tham gia giao thông Theo [35], chiều sâu giới hạn này phụ thuộc vào tốc độthiết kế và thể hiện tại bảng 1.1

Bảng 1.1 Chiều sâu lún vệt bánh giới hạn an toàn cho mặt đường bê tông nhựa

Vận tốc thiết kế, km/h Độ sâu của vệt lún hk, mm

Cho phép Giới hạn cho phép

Hiện nay trên các tuyến Quốc lộ lượng xe tải trọng nặng tham gia lưu thôngtăng Phần lớn trong số đó đều chở quá tải trọng cho phép [1] Tải trọng nặng đólàm nền - mặt đường bị mất ổn định, kết cấu áo đường không hoàn thành được chứcnăng tiếp nhận tải trọng bánh xe và phân bố chúng xuống các lớp phía dưới Các lớpvật liệu trong kết cấu áo đường, nền đường xuất hiện và tích lũy biến dạng dẻo Kếtquả là lún vệt bánh xe hình thành ở trên bề mặt đường

Một số trường hợp nền đường không có biến dạng dẻo hoặc biến dạng dẻokhông đáng kể; hiện tượng lún vệt bánh xe vẫn xuất hiện ở trên mặt đường Nguyênnhân là những biến dạng xuất hiện ở trong các lớp phía trên của kết cấu áo đường

dưới tác dụng của tải trọng trùng phục từ phương tiện giao thông trong điều kiệnnhiệt độ mặt đường quá cao [38].

Vệt lún bánh xe còn xuất hiện cả trên những làn đường dành cho xe con hoặc xethô sơ; mặc dù tải trọng của những phương tiện này nhỏ, thậm chí không được xétđến trong tính toán và thiết kế kết cấu áo đường Lớp áo đường là những loại bêtông nhựa có tính ổn định cao đối với các biến dạng trượt Điều đó chứng tỏ nguyênnhân của sự xuất hiện lún vệt bánh xe trên đường không phải hoàn toàn do tải trọngnặng mà là do tổ hợp của những yếu tố sau đây [35]:

1.2.1 Yếu tố khách quan

- Tác động của tải trọng: cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế,nhu cầu giao thông vận tải đường bộ cũng không ngừng gia tăng Số lượng xe tảitrọng nặng và xe rơ móc tham gia giao thông ngày càng tăng để đáp ứng nhu cầucủa vận chuyển hàng hóa Điều này làm số lượng trục xe cũng như tải trọng thamgia giao thông tăng đáng kể, lớn rất nhiều so với dự tính ban đầu của các đơn vịthiết kế đường

Ngoài ra, việc tải trọng xe vượt tải quá lớn, thậm chí gấp 2-3 lần quy địnhgây ra biến dạng lớn trong nền đường Điển hình là xe Howo, theo quy định đăngkiểm cho phép tải trọng toàn bộ (cả xe và thùng) chỉ 20 - 30 tấn, nhưng sau khi cơinới thêm thùng xe thì xe có thể chở đến 60-70 tấn Sự ảnh hưởng của tải trọng bánh

xe đến chiều sâu vệt lún bánh xe được thể hiện ở trên hình 1.16 [6]

Số lần tác dụng của tải trọng (lần)Hình 1.16: Quan hệ giữa chiều sâu vệt lún và tải trọng tác dụng của mẫu bê tôngnhựa C19 ở nhiệt độ 50ºC trong môi trường nước với các mức tải trọng 700N và

730N

(Nguồn: [6])

Dễ dàng nhận thấy rằng, lún vệt bánh xe thường hay xuất hiện nhất ở những

vị trí có tải trọng xe lớn đồng thời vận tốc xe chạy chậm (ngã tư, trạm thu phí)

- Yếu tố thời tiết - khí hậu và chế độ phân bố ẩm trong đất nền đường: ViệtNam nằm trong vành đai nội chí tuyến, quanh năm có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn.Nhiệt độ trung bình tại Việt Nam dao động từ 21o đến 27oC và tăng dần từ Bắc vàoNam Mùa hè, nhiệt độ trung bình trên cả nước là 25oC Việt Nam có lượng bức xạmặt trời rất lớn với số giờ nắng từ 1400 - 3000 giờ/năm Lượng mưa trung bìnhhàng năm từ 1500 đến 2000 mm[42] Như vậy, kết cấu áo đường ở Việt Nam làmviệc trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm rất phức tạp và bất lợi Theo các kết quảkhảo sát, nhiệt độ trung bình trong lớp bê tông nhựa ở khu vực phía nam có thể đạtđến 70oC[5],[7] Như đã biết, bê tông nhựa là loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ.Khi nhiệt độ tăng cao, bê tông nhựa trở nên mềm hơn và giảm khả năng phân bố vàtruyền tải trọng xuống các lớp móng phía dưới Chính vì vậy, vào mùa hè trên mặtđường bê tông nhựa dể xuất hiện các loại biến dạng dẻo, đặc biệt là dưới tác dụngcủa tải trọng nặng trùng phục

Sự ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng đến chiều sâu vệt lún bánh xe đượcthể hiện trên các hình 1.17-1.20

Số lần tác dụng của tải trọng (lần)Hình 1.17: Mối quan hệ giữa chiều sâu vệt lún bánh xe và số lần tác dụng của tải

trọng đối với bê tông nhựa loại B ở các nhiệt độ khác nhau

bê tông nhựa loại B – 20 (nhựa 60/90) khi ở 55ºC

hỗn hợp Stone Mastic Asphalt – 20 (nhựa 60/90) khi ở nhiệt độ 55ºC

(Nguồn:[43])

và số lần tác dụng của tải trọng xe trên bãi thử vòng tròn

(Nguồn:[43])

Từ số liệu trên các hình 1.17-1.20 ta có thể rút ra một số nhận xét sau:

- Chiều sâu vệt lún bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa tăng khi nhiệt độtăng, đặc biệt là ở các nhiệt độ cao thì sự phát triển của vệt lún càng mạnh mẽ;

- Khi tải trọng tác dụng lên mặt đường tăng, chiều sâu vệt lún bánh xe cũngtăng theo, đặc biệt là khi tải trọng càng lớn thì chiều sâu vệt lún tăng càng mạnh;

- Chiều sâu vệt lún bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa tăng khi số chu kỳtác động của tải trọng tăng, đặc biệt là khi số lượng chu kỳ tác động của tải trọngcàng lớn thì sự phát triển của lún vệt bánh xe càng mạnh

1.2.2 Yếu tố chủ quan

 Ảnh hưởng của việc sử dụng nhựa đường không đảm bảo chất lượng

Nước ta đang nhập khẩu nhựa đường từ hơn 10 quốc gia như: Iran, Malaysia,Singapor, Trung Quốc, với số lượng lớn và hầu hết để phục vụ sản xuất bê-tôngnhựa cho ngành giao thông Tuy nhiên, hiện tại không có cơ quan đơn vị nào đượcgiao kiểm soát chất lượng nhựa nhập khẩu

Việc thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của nhựa để kiểm soát chất lượngkhông được thực hiện đầy đủ Kết hợp với việc sử dụng tràn lan các mỏ đá phục vụcho sản xuất bê-tông nhựa, trong khi nhiều mỏ không đủ tiêu chuẩn sản xuất đá chobê-tông nhựa, công tác thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý không trung thực,hình thức để hợp thức hóa hồ sơ Chính vì vậy, chất lượng hỗn hợp bê tông nhựathường không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật quy định

Ngoài ra, theo tiêu chuẩn Việt Nam 7493-2005 [10], nhựa đường được phânloại theo độ kim lún, tùy theo giá trị độ kim lún nhựa đường được chia làm 6 loạikhác nhau, từ loại mềm nhất 200/300 đến loại cứng nhất 20/30 Thực tế ở ViệtNam, nhựa có độ kim lún 60/70 được sử dụng nhiều nhất Tuy nhiên, loại nhựa này

có nhiệt độ hóa mềm thấp (khoảng 53oC và không chịu được nhiệt độ thực tế trênmặt đường) và độ ổn định nhiệt thấp (chỉ số PI âm)

Những yếu tố trên đây chính là một trong những nguyên nhân làm giảm chấtlượng của mặt đường bê tông nhựa, và làm xuất hiện biến dạng lún vệt bánh xe trênmặt đường

 Ảnh hưởng của thành phần cấp phối

Sự làm việc đồng nhất giữa cốt liệu và nhựa là một trong những yếu tố ảnhhưởng tới cường độ của hỗn hợp bê tông nhựa, cốt liệu và nhựa liên kết với nhau cả

về mặt hóa học lẫn cơ học Chính vì vậy nếu sự liên kết này không đảm bảo, cónghĩa là không có sự tương thích giữa nhựa và cốt liệu, hỗn hợp bê tông nhựa sẽkhông đạt các yêu cầu về cường độ, gây nên hư hỏng mặt đường [16], [21], [22]

Trong quá trình thiết kế bê tông nhựa, hàm lượng nhựa tối ưu phải được xácđịnh sao cho nhựa vừa đủ để bao bọc các hạt cốt liệu và liên kết chúng lại với nhau.Tuy nhiên trong quá trình sản xuất bê tông nhựa với khối lượng lớn tại trạm trộn,nếu công nghệ không đảm bảo sẽ dẫn tới hiện tượng cốt liệu không được bao bọcbởi nhựa làm chúng không liên kết được với nhau, hoặc nếu dư quá nhiều nhựacũng làm cho các hạt cốt liệu cách xa nhau, đây là nguyên nhân dẫn tới giảm cường

độ và xuất hiện hư hỏng trên mặt đường bê tông nhựa, trong đó có biến dạng lún vệtbánh xe [16], [22]

 Ảnh hưởng của việc sử dụng bột khoáng thu hồi

Bột khoáng là một thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông nhựa Khitrộn chung với nhựa đường, thành phần hạt mịn trong bột khoáng có kích thước hạtnhỏ hơn chiều dày màng nhựa có tác dụng làm cứng nhựa đường và tạo nên hỗnhợp mastic có nhiều tính năng ưu việt như tăng bám dính giữa đá và nhựa, tăng độ

ổn định, tăng độ bền trong môi trường ẩm ướt, giảm nứt nẻ và lún vệt bánh xe [41]

Thực tế ở Việt Nam, tại một số công trình có sử dụng bột khoáng thu hồi từthiết bị lọc bụi của trạm trộn để thay thế một phần bột khoáng nghiền trong thànhphần bê tông nhựa Chính điều này cũng là một nguyên nhân làm suy giảm đáng kểkhả năng kháng lún vệt bánh xe nhất là trong điều kiện làm việc bất lợi của nhiệt độmôi trường và tải trọng quá tải hiện nay

Ở Việt Nam hiện có trên 500 trạm trộn bê tông nhựa Các trạm này chủ yếu

là loại trạm trộn cưỡng bức, chu kỳ, lọc bụi khô Theo tiêu chuẩn Việt Nam8819:2011 [11] hàm lượng bụi bùn sét không quá 2% đối với đá và 3% đối với cát

Vì vậy trong thành phần cốt liệu có thể vẫn tồn tại nhiều hạt bụi bùn sét, những hạtnày khi qua tang sấy lẫn trong phần bụi Phần bụi này được lọc và được nhiều trạmtrộn tận dụng để thay thế bột khoáng nghiền trong thành phần cấp phối bê tôngnhựa Mặc dù theo quy định 858/BGTVT không dùng quá 25% lượng bột khoángthu hồi và chất lượng phải được đảm bảo như bột khoáng nghiền, nhưng thực tế thìcác trạm trộn khó có thể kiểm soát được chất lượng bột khoáng thu hồi

Theo TS Vũ Minh Đức [14], ở các trạm trộn có sử dụng bột khoáng thu hồi,việc thay thế bột khoáng nghiền đã làm giảm khả năng kháng lún vệt bánh xe củamặt đường bê tông nhựa hơn 40% (bảng 1.2 và hình 1.21-1.22).

Bảng 1.2: So sánh kết quả thí nghiệm suy giảm số lượt chạy xe trên cùng một chiều sâu lún khi có sử dụng bột thu hồi

sử dụngbột thu hồi (số lượt)

Kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe không sử dụng bột thu hồi

Mức độ suy giảm khi sử dụng bột thu hồi

Ghi chú

Trạm

C4-CP1 12,5mm/8.500 lượt 12,5 mm/14.200 lượt 40%

Thí nghiệm môi trườngnước, tải trọng tiêu chuẩn,nhiệ

t độ nước

Trạm

XT-CP1

12,5mm/10.500 lượt3,85mm/7.000 lượt 3,85mm/15.000 lượt >50%

Trạm

XT-CP2

12,5mm/11.000 lượt5,5 mm/ 4.000 lượt 5,5 mm/15.000 lượt >50% 50

0C

Trạm

C4-CP2

12,2mm/8.900 lượt8,47 mm/5.600 lượt 8,47 mm/15.000 lượt >50%

Điều kiện tăng tải trọng 7,2%

(Nguồn: [14])

không sử dụng bột khoáng thu hồi

sử dụng bột khoáng thu hồi

(Nguồn: [14])

 Ảnh hưởng của việc sử dụng cát tự nhiên thay cho cát xay

Để giảm chi phí các đơn vị thi công thường sử dụng cát tự nhiên để chế tạo

bê tông nhựa Theo PGS TS Lã Văn Chăm [2] việc sử dụng cát tự nhiên làm cho

khả năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa suy giảm đáng kể (Hình 1.24).

cấp phối sử dụng 10% cát tự nhiên

(Nguồn:[2])

 Ảnh hưởng của chất lượng thi công

Chất lượng thi công nền đường, các lớp móng và các lớp mặt bê tông nhựacũng ảnh hưởng rất lớn đến sự xuất hiện và tích lũy các loại biến dạng dẻo trên mặtđường Công tác lu lèn ảnh hưởng quyết định tới việc hình thành cường độ của mặtđường, đây là quá trình tác động bằng ngoại lực làm cho các hạt vật liệu sắp xếpmột cách trật tự từ đó độ rỗng của cốt liệu giảm Trong quá trình lu lèn, hai yếu tố

quan trọng nhất là áp lực lu và vận tốc lu, nếu không kiểm soát tốt quá trình này thìcường độ và độ chặt của các lớp bê tông nhựa bị giảm đáng kể, làm giảm khả năngtiếp nhận, phân bố và truyền tải trọng xuống các lớp kết cấu phía dưới.

Theo tác giả Larry Santucci [20], công tác lu lèn ảnh hưởng tới khả năngchống biến dạng của toàn bộ kết cấu áo đường (hình 1.25) Khi đạt độ chặt khoảng95÷98% và độ rỗng của hỗn hợp bê tông nhựa xấp xỉ 5÷7%, sự xuất hiện của lúnvệt bánh xe được giảm đáng kể [20]

Hình 1.25: Sự xắp xếp vật liệu sau khi hoàn thành công tác lu lèn

(Nguồn:[20])

Ngoài ra, trong quá trình thi công cần phải tuân thủ các quy định về nhiệt độ.Nhiệt độ khi trộn và lu lèn không đảm bảo dẫn đến độ chặt không đạt Tùy vào từngloại nhựa theo tiêu chuẩn Việt Nam 8819-2011 [11], nhiệt độ hỗn hợp bê tông nhựakhi trộn trong thùng phải đạt từ 145-165oC, khi cho vào xe phải đạt 135-155oC, vàkhi bắt đầu lu lèn phải ≥115-125oC

1.3 Các biện pháp kỹ thuật ngăn ngừa sự xuất hiện và xử lý biến dạng lún vệt

bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa

Theo PGS TS Trần Thị Kim Đăng [12] để nâng cao độ ổn định của mặtđường bê tông nhựa và hạn chế hiện tượng lún vệt bánh xe cần phải: tuân thủ

nghiêm ngặt quy trình, quy phạm để đảm bảo chất lượng công trình (kiểm tra chấtlượng công trình theo từng công đoạn, kiểm tra chất lượng lu lèn theo từng lớp);kiểm soát chặt chẽ chất lượng vật liệu đầu vào; nâng cao năng lực tư vấn giám sát

và nghiệm thu công trình

Biện pháp xử lý lún vệt bánh xe được lựa chọn tùy vào từng trường hợp cụthể; dựa trên kết quả nghiên cứu, phân tích nguyên nhân của lún vệt bánh xe, độ sâucủa vệt lún, các đặc trưng hình học của vệt lún, lưu lượng và thành phần giao thông

Để hạn chế sự xuất hiện và khắc phục biến dạng lún vệt bánh xe ở trên mặt đường

bê tông nhựa cần tiến hành các biện pháp sau [35]:

- Nhóm các biện pháp kỹ thuật nhằm giảm nhịp độ phát triển của vệt lún

bánh xe: Theo kết quả phân tích của Tổng cục đường bộ [44], tại 3 trạm cân lắp đặt

tại Quốc lộ 1 và Quốc lộ 10 trong dự án nâng cấp cải tạo mạng lưới đường bộ chothấy tỷ lệ xe vượt tải chiếm tới trên 50% trong thành phần dòng xe Vì vậy, cần cógiải pháp hạn chế hoặc cấm xe có tải trọng quá nặng tham gia giao thông, đặc biệtvào thời điểm nhiệt độ cao, thời tiết xấu; tổ chức phân luồng giao thông đều khắptrên toàn bộ bề rộng phần xe chạy, dở bỏ chướng ngại vật trên đường nhằm tăng tốc

độ cho phương tiện, giảm thời gian tác động của tải trọng lên đường;

- Nhóm các biện pháp khắc phục vệt lún bánh xe mà không xử lý nguyên

nhân gây ra chúng: Sử dụng vật liệu để sửa chữa, san lấp những vị trí lún vệt bánh

xe, xử lý vệt lún bánh xe bằng phương pháp tái chế nóng hoặc tái chế nguội;

- Nhóm các biện pháp xử lý vệt lún bánh xe đồng thời với khắc phục hoàn

toàn các nguyên nhân gây ra chúng: Sử dụng các biện pháp gia cường lớp bê tông

nhựa, nâng cao độ cứng các lớp phía dưới của mặt đường, gia cường hoặc thay thếđất nền trong phạm vi hoạt động của nền đường, đảm bảo thoát nước tốt cho tuyếnđường; (sử dụng hỗn hợp Stone Mastic Asphalt, CBP – Concrete Block Paver, mặtđường bê tông xi măng)

- Nhóm các biện pháp hạn chế sự xuất hiện của biến dạng lún vệt bánh xe:

Áp dụng các biện pháp nâng cao độ ổn định đất nền đường và vật liệu trong cáclớp kết cấu áo đường, tạo độ kết dính cần thiết giữa các lớp vật liệu, thiết kế xây

dựng mặt đường có tính đến sự tích lũy của biến dạng dẻo trong giới hạn cho phép

[ CITATION Lar01 \l 1033 ]20, sử dụng vật liệu có sức kháng trượt và khả năng

chống bào mòn cao (bê tông nhựa gia cường cốt sợi) làm lớp mặt, dùng vật liệu cócấu trúc bền vững và có khả năng chống lại quá trình hình thành biến dạng dẻo làmlớp móng, sử dụng vật liệu có khả năng thoát nước tốt để đắp nền đường, xây dựng

hệ thống dẫn và thoát nước tốt cho tuyến đường

Để nâng cao chất lượng hỗn hợp bê tông nhựa ta có thể tiến hành một số nộidung sau:

 Sử dụng nhựa có chất lượng cao như nhựa đặc 40/50;

 Quản lý chất lượng bột khoáng trước khi đưa vào sử dụng và chỉ sử dụngbột khoáng nghiền làm phụ gia khi chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa;

 Sử dụng cát xay thay cho cát tự nhiên;

 Đào tạo về kỹ thuật giám sát trạm trộn cho đội ngũ tư vấn giám sát;

 Nâng cao trình độ chuyên môn của công nhân vận hành trạm trộn sản xuấthỗn hợp bê tông nhựa

Theo TS Nguyễn Quang Phúc [4] muốn tăng khả năng kháng cắt của bêtông nhựa thì cần tăng góc nội ma sát của vật liệu, tăng lực dính C Để tăng góc nội

ma sát  cần phải tăng hàm lượng đá dăm trong bê tông nhựa, tăng khả năng chènmóc của vật liệu Mặc khác muốn tăng lực dính C cần phải tăng độ quánh của nhựa

và lựa chọn hàm lượng bột khoáng hợp lý

Hiện nay trên thế giới công nghệ Stone Mastic Asphalt đang được ứng dụngrộng rãi Stone Mastic Asphalt là hỗn hợp bê tông nhựa nóng có cấu trúc bền vàchắc với hàm lượng đá dăm lên tới 70-80% theo khối lượng Cấu trúc Stone MasticAsphalt có khả năng kháng trượt cao và chống biến dạng lún vệt bánh xe Ngoài ratrong thành phần của Stone Mastic Asphalt chứa một hàm lượng lớn đá dăm có kích

cỡ lớn, vì vậy Stone Mastic Asphalt có khả năng kháng mòn cao và tạo ra độ nhámcần thiết cho mặt đường Stone Mastic Asphalt còn được dùng như là một loại vậtliệu đặc biệt để xây dựng lớp mặt của kết cấu áo đường nhằm chống biến dạng lún

vệt bánh xe Kết quả so sánh khả năng chống biến dạng dẻo của các loại bê tôngnhựa khác nhau được thể hiện ở trong bảng 1.3 [17] và hình 1.26 [40].

Bảng 1.3 Giá trị biến dạng dẻo của các loại bê tông nhựa khác nhau ở điều kiện nhiệt độ 60°СС

Loại bê tông nhựa Giá trị của biến dạng dẻo (mm)

Phòng thí nghiệm Tính toán Trên đường

Bê tông nhựa chặt loại

SMA BTN chặt loại A BTN chặt loại B BTN rỗng

Hình 1.26: Giá trị biến dạng dẻo của các loại bê tông nhựa khác nhau ở điều kiện

nhiệt độ 60°СС

(Nguồn: [17])

Hình dạng, độ góc cạnh của vật liệu cũng là một yếu tố có ảnh hưởng lớnđến khả năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa Cốt liệu càng góc cạnh, bềmặt càng xù xì thì khả năng chèn móc giữa các hạt vật liệu tăng, làm tăng khả năngchống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa Theo Chang và Chen [19] hỗn hợp bê tôngnhựa sử dụng cốt liệu có dạng khối (cubial) có khả năng kháng lún vệt bánh xe caohơn so với các dạng còn lại

sử dụng sợi cellulose và sợi thủy tinh gia cường vào trong hỗn hợp bê tông nhựagóp phần hạn chế khả năng xuất hiện lún vệt bánh xe, đặc biệt là trong điều kiện bấtlợi về nhiệt độ [15].

Bảng 1.4 thể hiện kết quả so sánh giá trị biến dạng dẻo 2 trường hợp: Bêtông nhựa không có cốt gia cường và có cốt gia cường FORTA FI [47]

Bảng 1.4 So sánh các tính chất cơ bản của bê tông nhựa loại B và bê tông nhựa loại B+FORTA FI

TT Các chỉ tiêu

Giá trị thí nghiệm

+Forta FI

so với bê tông nhựa thường

Sử dụng nhựa polymer cũng là một trong những giải pháp làm tăng khả năngkháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa (Hình 1.28-1.29) [2]

Kết quả thí nghiệm trên các hình 1.28-1.29 [2] cho thấy khả năng kháng lúnvệt bánh xe của hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng nhựa Polime III cao gấp 4 lần so vớitrường hợp sử dụng nhựa thường 60/70

Sử dụng lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon trong kết cấu áo đường cũng làmột giải pháp làm tăng khả năng kháng lún vệt bánh xe của mặt đường bê tôngnhựa Trong bảng 1.5 thể hiện kết quả thí nghiệm xác định chiều sâu vệt lún bánh

xe đối với các mẫu bê tông nhựa có sử dụng lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon[3].

Bảng 1.5: Kết quả thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe đối với các mẫu bê

nhiệt độ

- Nhóm các biện pháp kỹ thuật nhằm giảm nhịp độ phát triển của lún vệt

bánh xe khó thực hiện vì Việt Nam với đặc thù là chi phí vận tải cao, các doanhnghiệp muốn hạ chi phí vận tải thì cần tăng tải trọng cho mỗi chuyến xe Hơn nữa,trong điều kiện phát triển kinh tế hiện nay thì nhu cầu thông thương giữa các vùngmiền, các khu kinh tế là rất cao Vì thế nhóm biện pháp này sẽ làm ảnh hưởngkhông nhỏ đến sự phát triển chung của cả nền kinh tế Để đảm bảo được nhu cầuvận tải mà không ảnh hưởng đến khả năng làm việc của kết cấu áo đường, nên cóbiện pháp phân luồng giao thông hợp lý, phân bố cho phương tiện giao thông chạyđều trên toàn bộ mặt đường và hạn chế xe có tải trọng nặng lưu thông vào thời gian

có nhiệt độ cao trong ngày

- Nhóm các biện pháp xử lý lún vệt bánh xe đồng thời khắc phục hoàn toàn

các nguyên nhân gây ra chúng: đây là nhóm biện pháp có thể xử lý triệt để lún vệtbánh xe Tuy nhiên vấn đề ở đây là chúng ta xử lý khi mà lún vệt bánh xe đã xuấthiện Vì vậy điều cần thiết là phải ngăn ngừa sự xuất hiện của lún vệt bánh xe

- Nhóm các biện pháp hạn chế sự xuất hiện của biến dạng lún vệt bánh xe:

đây là nhóm các biện pháp hợp lý nhất Tuy nhiên việc áp dụng các công nghệ mớinhằm nâng cao tính ổn định của nền mặt đường là tương đối khó khăn vì giá thànhcao, hơn nữa chúng ta chưa có quy trình về thiết kế, thi công và nghiệm thu các loạivật liệu và công nghệ mới như ở trên của riêng mình

Như đã biết, nhiệt độ trên mặt đường bê tông nhựa ở Việt Nam về mùa hè rấtcao, có thể đạt tới 70оС [5][7], hơn nữa ở Việt Nam tiêu chuẩn thiết kế hiện hành là

22 TCN 211-06 [1] chưa xét đến khả năng tích lũy biến dạng dẻo của kết cấu áo

đường ở điều kiện nhiệt độ cao Vì thế, việc ‘Nghiên cứu đề xuất kiểm toán chỉ

tiêu vệt hằn bánh xe trong thiết kế kết cấu áo đường mềm ở điều kiện Việt Nam’ là rất cần thiết.

CHƯƠNG 2 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TOÁN LÚN VỆT

BÁNH XE CỦA MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI

Như đã phân tích ở trên, vấn đề kiểm toán khả năng kháng lún vệt bánh xecủa kết cấu áo đường trong giai đoạn thiết kế ở điều kiện nhiệt độ cao là rất cầnthiết Hiện nay, trong quy trình thiết kế kết cấu áo đường của một số nước trên thếgiới đã đề cập đến vấn đề này như: Trung Quốc [13], Belarus [6], Nga [35], Mỹ[45]

Trong luận văn này, tác giả sẽ giới thiệu và so sánh các phương pháp nóitrên Trên cơ sở đó đề xuất phương pháp kiểm toán khả năng kháng lún vệt bánh xecủa kết cấu áo đường mềm phù hợp với điều kiện Việt Nam

2.1 Phương pháp kiểm toán lún vệt bánh xe theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường

mềm của Trung Quốc [13]

Nếu các lớp kết cấu áo đường chịu ứng suất cắt quá lớn thì lớp mặt bê tôngnhựa sẽ bị phá hoại dồn bóc, đẩy trồi, trượt, cắt và tạo ra lún vệt bánh xe Ứng suấtcắt lớn nhất trong kết cấu mặt đường thường xuất hiện tại mép vệt tải trọng bánh xe

và kết cấu áo đường Kết cấu áo đường được xem là ổn định đối với biến dạng dẻokhi thỏa mãn điều kiện sau:

 

(2.1)trong đó:

a – ứng suất cắt trên mặt phá hoại dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng thẳng đứng vànằm ngang của bánh xe, MPa;

R – ứng suất cắt cho phép của vật liệu bê tông nhựa, MPa

 Tính toán ứng suất cắt trên mặt phá hoại

Ứng suất cắt trên mặt phá hoại dưới tác dụng tổng hợp của tải trọng thẳngđứng và tải trọng nằm ngang của bánh xe được tính bằng công thức sau [13]:

a m cos

   

(2.2)

m –hệ số ứng suất cắt lớn nhất, được xác định theo hình 2.1, MPa;

1– hệ số xét đến ảnh hưởng bề dày của các lớp mặt h, được xác định theo hình 2.2;

2– hệ số xét đến ảnh hưởng bề dày của các lớp móng H, được xác định theo 2.3

Hệ số 2

Tỷ số H/

Hình 2.3: Biểu đồ xác định giá trị hệ số 2

 Tính toán ứng suất chính trên mặt phá hoại

Ứng suất chính trên bề mặt  được tính theo công thức:

1– hệ số ứng suất nén chính , được xác định theo hình 2.4;

1– hệ số xét đến ảnh hưởng của bề dày lớp mặt h, được xác định theo hình 2.5;

2– hệ số xét đến ảnh hưởng của bề dày lớp móng H được xác định theo hình 2.6

Tỷ số H/

Hình 2.6: Biểu đồ xác định hệ số 2

Các biểu đồ trên các hình 2.1–2.6 được lập với hệ số ma sát f = 0,3 nên khitính toán ứng với các giá trị khác nhau của hệ số ma sát f thì áp dụng công thức gầnđúng dưới đây:

Tại những điểm dừng xe, các nút giao (những điểm phanh xe chậm) thì lấy

f = 0,2, còn tại những nơi phanh xe gấp thì lấy f = 0,5

 Tính toán ứng suất cắt cho phép của vật liệu bê tông nhựa

Theo lý thuyết Coulomb, cường độ chống cắt cho phép của vật liệu bê tôngnhựa  được quyết định bởi ứng suất chính  trên mặt phá hoại, góc nội ma sát của vật liệu và lực dính C,  có thể được xác định bằng công thức sau:

C tg

    

(2.9)Trong tình huống phanh gấp thì phải dùng trị số lực dính linh động C’ đểtính toán cường độ chống cắt cho phép của vật liệu bê tông nhựa Theo [13] thì cóthể lấy C’/C =2 và được tính bằng công thức:

        

(2.10)Phá hoại cắt mặt đường thường sinh ra trong tình huống xe khởi động vàphanh hãm xe nhiều lần, vậy không được trực tiếp sử dụng trị số cường độ chốngcắt  dưới tác dụng của tải trọng một lần để đánh giá khả năng phát sinh phá hoạicắt; mà phải xét thêm vào ảnh hưởng của tác dụng lặp lại, tức là phải lấy trị số ứngsuất cắt cho phép R nhỏ hơn  để khống chế

hệ số cường độ kết cấu chịu cắt của bê tông nhựa có thể được xác định theo công thức dưới đây:

0.15 t c

Nt – tổng tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy tại một vị trí dừng xe trong thời hạn thiết kế;

Ac – hệ số xét đến cấp hạng kỹ thuật đường Trị số Ac được lấy bằng 0,85 đối vớiđường cao tốc ngoài đô thị và đường có tốc độ cao trong đô thị; lấy bằng 1,0 đối vớiđường cấp I và đường trục chính của các đô thị lớn; bằng 1,1 với đường cấp II,đường trục chính loại 2 ở đô thị lớn; bằng 1,2 với đường cấp III, đường thứ yếutrong đô thị lớn

Trong tính toán, trị số áp lực ngang được lấy bằng 20% trị số áp lực thẳngđứng tại các điểm phanh chậm (f = 0,2) và bằng 50% trị số áp lực thẳng đứng tạicác điểm phanh gấp (f = 0,5)

2.2 Phương pháp kiểm toán lún vệt bánh xe theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường

mềm của Cộng Hòa Belarus [6]

Kết cấu áo đường mềm được xem là ổn định đối với biến dạng lún vệt bánh

xe nếu như thỏa mãn điều kiện ở công thức 2.1

Theo [6] ứng suất cắt cho phép của vật liệu bê tông nhựa được xác định theocông thức:

2.3 Xác định chiều sâu lún vệt bánh xe theo phương pháp cơ học thực nghiệm

của Mỹ (M–E PDG) [45]

Phương pháp cơ học thực nghiệm (M–E PDG) là pháp tiên tiến trên thế giới,được phát triển dựa trên cơ sở các thử nghiệm của AASHTO Phương pháp này đã

và đang được sử dụng rộng rãi ở Mỹ

Để xác định giá trị biến dạng dẻo của từng lớp cần áp dụng các mô hìnhtương ứng với loại vật liệu của lớp đó Biến dạng dẻo của toàn bộ kết cấu áo đường

là tổng biến dạng dẻo của từng lớp trong kết cấu áo đường và được tính bằng côngthức:

btn n

   

(2.14)với:

– biến dạng dẻo trên kết cấu áo đường, in;

btn– biến dạng dẻo xuất hiện ở các lớp bê tông nhựa, in;

n– biến dạng dẻo xuất hiện lớp móng đường, in

 Tính toán biến dạng dẻo xuất hiện trong các các lớp bê tông nhựa

Biến dạng dẻo xuất hiện trong các các lớp bê tông nhựa được tính bằng côngthức:

btn– biến dạng dẻo tích lũy của các lớp bê tông nhựa, in;

n – số lớp của kết cấu áo đường;

hi – bề dày của lớp i, in;

i– giá trị biến dạng đàn hồi đơn vị của vật liệu bê tông nhựa lớp thứ i (phụ thuộc vàothuộc tính của từng vật liệu bê tông nhựa, nhiệt độ bề mặt và số tải trọng trục tiêuchuẩn tích lũy), in/in;

k1i – hàm số của tổng chiều dày các lớp bê tông nhựa và chiều sâu xác định biếndạng dẻo, được xác định theo công thức:

HAC– tổng chiều dày các lớp bê tông nhựa, in;

D

i – độ sâu để xác định giá trị biến dạng dẻo trong mỗi lớp (tính đến giữa lớp), in

 Tính toán biến dạng dẻo xuất hiện lớp móng đường

Biến dạng dẻo xuất hiện trong các lớp móng đường được xác định theo côngthức:

i i 0

btn– tổng biến dạng dẻo tích lũy của các lớp móng đường, in;

N – số tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy tại thời điểm xác định giá trị biến dạng dẻo;

i– biến dạng đàn hồi đơn vị trung bình theo phương thẳng đứng của lớp i, in/in;

hi – chiều dày lớp i, in;

1

i– hệ số điều chỉnh cho các loại vật liệu làm lớp móng đường

2.4 Phương pháp kiểm toán lún vệt bánh xe theo tiêu chuẩn của Cộng Hòa

Liên Bang Nga [35]