Nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Ngày nay, phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: bài toán cơ học, động lực học chất lỏng, bài toán truyền nhiệt… Với mục đích phân tích sự làm việc của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn 1 : TS NGÔ TRẦN TRỌNG LỄ

Cán bộ hướng dẫn 2 : TS NGUYỄN MẠNH TUẤN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS NGUYỄN DUY CHÍ

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS NGUYỄN CẢNH TUẤN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa TP HCM, ngày 16 tháng 01 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

- -oOo -

Tp HCM, ngày 16 tháng 01 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHAN NGỌC TƯỜNG VY Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 02/09/1988 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

MSHV: 12010343

1 Tên đề tài: Nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi

măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2 Nhiệm vụ và nội dung

Chương 1 Mở đầu

Chương 2 Giới thiệu về mặt đường bê tông xi măng và phương pháp tính toán

Chương 3 Tính toán mặt đường bê tông xi măng có khe nối sử dụng thanh truyền lực Chương 4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của mặt đường bê tông xi măng có khe nối

Kết luận, kiến nghị

3 Ngày giao nhiệm vụ: 19/01/2015

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 01/01/2015

5 Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS Ngô Trần Trọng Lễ và TS Nguyễn Mạnh Tuấn

QL CHUYÊN NGÀNH

TS Ngô Trần Trọng Lễ TS Nguyễn Mạnh Tuấn TS Lê Bá Khánh

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

Bằng tất cả tấm lòng, tôi xin gửi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những lời cám

ơn và tình cảm chân thành nhất, đã khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành chương trình học tập tại trường

Xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tuấn và Tiến sĩ Ngô Trần Trọng Lễ, người thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Khoa Xây dựng – Trường đại học Xây dựng Miền Tây đã động viên, tạo điều kiện về thời gian để tôi có thể thực hiện luận văn và đặc biệt là Ths Đặng Ngọc Lợi đã hỗ trợ những tài liệu hữu ích trong quá trình thực hiện luận văn

Mặc dù đã rất cố gắng hoàn thành luận văn, nhưng do thời gian và kiến thức có hạn nên chắc chắn luận văn này vẫn còn những thiếu sót nhất định Kính mong quý Thầy, Cô, quý anh chị đóng góp ý kiến để tôi khắc phục và nâng cao kiến thức hơn nữa

Xin chân thành cám ơn!

TP Vĩnh Long, ngày 28 tháng 12 năm 2015

Tác giả

Phan Ngọc Tường Vy

Ngày n y, ứn dụng của á đường cứng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công rìn giao hông, tuy nhiên ứng xử của oại mặt đườn này phụ huộc vào nhiều yếu ố như ải trọn rục ác dụn , sự chênh ệch nhiệt

độ giữa mặt trên và mặt dưới kích hước ấm và kết cấu oại nền mó g bên dưới Tron uận văn này ác giả sử dụn phươn pháp phần ử hữu hạn cụ hể

là ứng dụn phần mềm Abaqus để khảo sát ứn xử của oại mặt đường bê ôn

quả Kết quả phâ ích cho hấy khi sử dụn ha h ruyền ực sẽ àm ăn hiệu quả ruyền ải trọn giữa các ấm kết hợp với lựa chọn kích hước ấm hợp ý

sẽ àm cho mặt đường có đ êm huận Đồng hời cho hấy Ab qus à cô g cụ

hỗ rợ rất mạnh mẽ rong phân ích kết cấu áo đường cứng.

of road wi l be bet er An Abaq s, a ool is v ry strong n analysis of co crete

Tôi tên Phan Ngọc Tường Vy chính là tác giả của đề tài

“Nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn và tài liệu tham khảo đúng sự thật

và mang tính khoa học như đã trình bày

Tác giả

Phan Ngọc Tường Vy

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 2

1.3 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 4

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

1.4.1 Về lý thuyết 5

1.4.2 Về áp dụng 6

1.5 BỐ CỤC LUẬN VĂN 7

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 9

2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG 9

2.1.1 Giới thiệu chung 9

2.1.2 Các loại mặt đường bê tông xi măng 13

2.1.3 Các dạng hư hỏng thường gặp trong mặt đường bê tông xi măng 15

2.2 KHE NỐI TRONG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG 17

2.2.1 Khe co ngang 17

2.2.2 Khe dọc 20

2.2.3 Khe thi công 21

2.2.4 Khe giãn 22

2.3 ĐẶC ĐIỂM THANH TRUYỀN LỰC 22

2.3.1 Cấu tạo thanh truyền lực 23

2.3.2 Đặc điểm làm việc 24

2.3.3 Phương pháp tính toán thanh truyền lực 25

2.4 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG 28

2.4.1 Tính toán theo AASHTO 29

2.4.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam 33

2.4.3 Mô đun đàn hồi chung của nền đường 38

2.5 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TÍNH TOÁN 39

2.5.1 Sơ lược các bước giải bài toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 40

2.5.2 Phần mềm EverFE 44

2.5.3 Phần mềm Abaqus 45

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG CÓ

KHE NỐI SỬ DỤNG THANH TRUYỀN LỰC 55

3.1 BÀI TOÁN KIỂM TRA 55

3.1.1 Thông số đầu vào 56

3.1.2 Phần tử sử dụng 56

3.1.3 Kết quả mô hình 57

3.1.4 Nhận xét kết quả 59

3.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH 60

3.2.1 Thông số tính toán 60

3.2.2 Ứng suất uốn vồng trong tấm bê tông xi măng 61

3.2.3 Tấm BTXM chịu tác dụng tải trọng trục xe 62

3.2.4 Mặt đường BTXM thông thường có khe nối sử dụng thanh truyền lực 63

3.3 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 67

3.3.1 Tấm BTXM chênh lệch nhiệt độ 67

3.3.2 Tấm BTXM chịu tác dụng tải trọng trục xe 69

3.3.3 Mặt đường BTXM thông thường có khe nối sử dụng thanh truyền lực 72

CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG CÓ KHE NỐI 74

4.1 HIỆU QUẢ TRUYỀN TẢI TRỌNG CỦA THANH TRUYỀN LỰC 75

4.2 KHOẢNG CÁCH GIỮA CÁC THANH TRUYỀN LỰC 78

4.3 KÍCH THƯỚC TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG 81

4.3.1 Tấm bê tông xi măng chịu tác dụng tải trọng chênh lệch nhiệt độ 82

4.3.2 Tấm bê tông xi măng chịu tác dụng tải trọng xe 85

4.3.3 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến ứng suất trong tấm 89

4.3.4 Ảnh hưởng của cấu tạo nền móng bên dưới đến ứng suất trong tấm 90

4.4 ẢNH HƯỞNG SỰ LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI GIỮA CÁC TẤM TRONG BÀI TOÁN ỨNG SUẤT NHIỆT 92

4.4.1 Khi xét tấm đơn 92

4.4.2 Khi xét tấm có thanh truyền lực 93

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 96

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1 Nội dung thực hiện trong luận văn 8

Hình 2-1 Mặt đường BTXM được sử dụng trong đường ô tô và sân bay 10

Hình 2-2 Sơ đồ cấu tạo mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối 13

Hình 2-3 Hư hỏng phồng (Blowup) trong mặt đường bê tông xi măng 16

Hình 2-4 Mặt đường bê tông bị hư hỏng tại góc và nứt gãy 16

Hình 2-5 Cấu tạo khe thi công dọc 21

Hình 2-6 Cấu tạo khe giãn 22

Hình 2-7 Kết cấu mặt đường BTXM thông thường sử dụng thanh truyền lực 25

Hình 2-8 Bố trí thanh truyền lực điển hình taị khe nối ngang 25

Hình 2-9 Biến dạng của thanh truyền lực dưới tác dụng tải trọng 26

Hình 2-10 Sự truyền tải trọng qua nhóm thanh truyền lực 27

Hình 2-11 Hiện tượng uốn vồng trong tấm chênh lệch nhiệt độ 29

Hình 2-12 Nhiệt độ thực đo theo chiều dày tấm 30

Hình 2-13 Toán đồ xác định các hệ số Cx và Cy 31

Hình 2-14 Sự chia lưới thành các phần tử hữu hạn 41

Hình 2-15 Giao diện và khai báo thanh truyền lực trong EverFE 2.25 45

Hình 2-16 Quan hệ ứng suất, biến dạng khi chịu nén một trục của bê tông [20] 48

Hình 2-17 Quan hệ ứng suất – biến dạng khi chịu kéo của bê tông [17] 48

Hình 2-18 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng khái quát hóa của thép và Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép trong Abaqus 49

Hình 2-19 Phần tử trong Abaqus để mô phỏng bê tông 53

Hình 2-20 Dạng phần tử dùng để mô phỏng tấm bê tông xi măng 54

Hình 3-1 Quy đổi nền nhiều lớp qua hệ số mô hình phần tử hữu hạn 56

Hình 3-2 Mô hình tấm BTXM có khe nối bằng phần mềm Abaqus 57

Hình 3-3 Kết quả mô phỏng tấm BTXM bằng phần mềm Abaqus 57

Hình 3-4 Kết quả tính toán tấm BTXM bằng phần mềm EverFE 58

Hình 3-5 Biểu đồ nội lực lớn nhất trong thanh truyền lực 58

Hình 3-6 Tấm BTXM chịu tác dụng tải trọng trục xe 62

Hình 3-7 Sơ đồ bố trí thanh truyền lực tại khe nối ngang 64

Hình 3-8 Đường ảnh hưởng tính lực cắt trong thanh truyền lực 65

Hình 3-9 Biểu đồ giá trị lực cắt lớn nhất trong mỗi thanh truyền lực 66

Hình 3-10 Ứng suất trong tấm chênh lệch nhiệt độ 68

Hình 3-11 Ứng suất trong một mặt cắt theo phương cạnh dài tấm BTXM 68

Hình 3-12 Chuyển vị tại một mặt cắt theo phương cạnh ngắn tấm BTXM 68

Hình 3-13 Các trường hợp kích thước ô lưới trong phân tích bài toán 69

Hình 3-14 Ứng suất theo điều kiện Von-Mises ứng với các trường hợp chia lưới 70 Hình 3-15 Ứng suất 12 ứng với các trường hợp chia lưới 70

Hình 3-16 Phân bố ứng suất, chuyển vị trong tấm dưới tác dụng tải trọng xe 71

Hình 3-17 Chuyển vị dọc theo chiều dài tấm BTXM dưới tác dụng tải trọng 71

Hình 3-18 Ứng suất và chuyển vị trong tấm chịu tải tác dụng xe tại biên tấm 71

Hình 3-19 Mô hình mặt đường BTXM có sử dụng thanh truyền lực 72

Hình 4-1 Mô hình tải trọng tác dụng tại khe nối ngang 75

Hình 4-2 Mô hình chia ô lưới trong tấm BTXM có sử dụng thanh truyền lực 76

Hình 4-3 Chuyển vị trong tấm trường hợp tải tác dụng ngay tại khe nối (TH5) 76

Hình 4-4 Biểu đồ chuyển vị của hai tấm BTXM 77

Hình 4-5 Biểu đồ lực cắt thanh truyền lực số 3, khoảng cách các thanh 300(mm) 79 Hình 4-6 Biểu đồ lực cắt lớn nhất trong mỗi thanh truyền lực 80

Hình 4-7 Mô hình bài toán khảo sát ứng suất nhiệt trong bê tông 82

Hình 4-8 Ứng suất theo phương cạnh dài 83

Hình 4-9 Ứng suất theo phương cạnh ngắn 83

Hình 4-10 Ứng suất kéo (thớ dưới) tại vị trí giữa tấm trong các trường hợp 84

Hình 4-11 Biểu đồ thể hiện quan hệ giữa ứng suất trong tấm và chiều dài tấm 85

Hình 4-12 Mô hình và lưới chia khi tấm chịu tác dụng của tải trục xe 85

Hình 4-13 Ứng suất trong tấm dưới tác dụng tải trục xe, h=20(cm) 86

Hình 4-14 Ứng suất trong tấm dưới tác dụng tải trục xe, h=25(cm) 86

Hình 4-15 Ứng suất trong tấm dưới tác dụng tải trọng xe, h=30(cm) 87

Hình 4-16 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và chiều dày với, L=4.5(m) 87

Hình 4-17 Xác định kích thước tấm BTXM tối ưu 88

Hình 4-18 Mô hình và chia lưới bài toán khảo sát ảnh hưởng chiều dày tấm 89

Hình 4-19 Ứng suất trong tấm chênh lệch nhiệt độ khi chiều dày thay đổi 89

Hình 4-20 Ứng suất trong tấm chênh lệch nhiệt độ khi chiều dày thay đổi 90

Hình 4-21 Ứng suất trong tấm BTXM khi hệ số nền thay đổi 91

Hình 4-22 Quan hệ giữa ứng suất trong tấm và nền đất chịu tác dụng tải xe 92

Hình 4-23 Tấm đơn võng chênh lệch nhiệt độ 93

Hình 4-24 Tấm có sử dụng thanh truyền lực võng chênh lệch nhiệt độ 93

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Quy định về kích cỡ thanh truyền lực tại các khe ngang 23

Bảng 2-2 Kích thước và chiều dài đề xuất của thanh truyền lực 24

Bảng 2-3 Chọn loại vật liệu cho lớp móng trên 35

Bảng 2-4 Hệ số giãn nở nhiệt ccủa BTXM 37

Bảng 3-1 Thông số tính toán tấm BTXM chênh lệch nhiệt độ 56

Bảng 3-2 Kết quả tính toán tấm BTXM chênh lệch nhiệt độ 58

Bảng 3-3 Thông số tính toán bài toán tấm chịu tác dụng tải trọng xe 60

Bảng 3-4 Quy đổi mô đun đàn hồi lớp móng và nền 61

Bảng 3-5 Ứng suất uốn vồng trong tấm BTXM chênh lệch nhiệt độ 62

Bảng 3-6 Ứng suất và chuyển vị trong tấm BTXM chịu tác dụng tải trọng xe 63

Bảng 3-7 Lực cắt trong mỗi thanh truyền lực 65

Bảng 3-8 So sánh kết quả phân tích bằng PP phần tử hữu hạn 72

Bảng 4-1 Thông số tấm bê tông xi măng 74

Bảng 4-2 Các trường hợp tải trọng tác dụng 77

Bảng 4-3 Hiệu quả truyền tải trọng ứng với các trường hợp tải tác dụng 78

Bảng 4-4 Lực cắt lớn nhất trong mỗi thanh truyền lực 79

Bảng 4-5 Kiểm tra điều kiện ứng suất ép mặt cho phép 80

Bảng 4-6 Hiệu quả truyền tải trọng với khoảng cách thanh truyền lực thay đổi 81

Tuy nhiên việc tính toán thiết kế mặt đường bê tông xi măng hiện nay vẫn còn một số hạn chế nhất định như: xác định kích thước tấm với điều kiện nhiệt độ ở từng vùng, tính toán thiết kế cốt thép trong tấm BTXM liên tục, tính toán thiết kế cốt thép gia cường trong tấm… Trong đó việc tính toán thiết kế khe nối trong mặt đường bê

tông xi măng chủ yếu được bố trí cấu tạo theo quy định trong tiêu chuẩn “Tiêu

chuẩn thiết kế áo đường cứng đường ô tô” - 22TCN 223-95 [1] hoặc “Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông” [2] ban hành theo quyết định số 3230/QĐ-

BGTVT ngày 14/12/2012

Mặc dù được quy định nhưng sự làm việc của các thanh truyền lực trong khe nối vẫn chưa được xét đến một cách thỏa đáng Việc bố trí các thanh truyền lực chỉ mang tính cấu tạo mà vẫn chưa được tính toán cụ thể Trong khi đó, sự hư hỏng trong mặt đường bê tông xi măng thông thường xảy ra tại vị trí các khe nối, cùng với

sự phát triển của áo đường cứng thì việc tính toán cụ thể sự làm việc của các thanh truyền lực có ý nghĩa quan trọng Do đó, việc phân tích ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng là đều thật sự cần thiết

Ngoài ra, khi chọn chiều dài tấm quá lớn sẽ làm cho ứng suất trong tấm chênh lệch nhiệt độ sẽ rất lớn sẽ phải bố trí cốt thép gia cường hoặc cốt thép liên tục, ngược lại chiều dài tấm nhỏ thì sẽ làm cho mặt đường không êm thuận bằng tấm dài

Do đó cần phải xác định chiều dài tấm và số lượng khe nối hợp lý sẽ làm cho mặt đường êm thuận, tiến độ thi công nhanh và chi phí xây dựng hợp lý hơn

Ngày nay, phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: bài toán cơ học, động lực học chất lỏng, bài toán truyền nhiệt… Với mục đích phân tích sự làm việc của thanh truyền lực trong khe nối ngang của mặt đường bê tông xi măng cũng như ảnh hưởng của chiều dày tấm, tải trọng xe đến cấu tạo, chiều dài của thanh truyền lực, phục vụ cho công tác thiết kế khe nối, bố trí các thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng, trong khuôn khổ luận văn cao học, học

viên mạnh dạn chọn đề tài “Nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt

đường bê tông xi măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn”

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Có một số nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệm áp dụng trong tính toán mặt đường bê tông xi măng Mục tiêu của phần này là hệ thống hóa một số nghiên cứu tiêu biểu đã và đang thực hiện khi tính toán mặt đường, cụ thể:

Zahidul Q Siddique đã nghiên cứu đề tài "Nhiệt độ và đo thực nghiệm ở tấm bê

tông xi măng" [3] Sự uốn vồng tấm nói chung là kết quả của sự chênh lệch nhiệt độ dọc theo bề dày tấm bê tông Sự uốn vồng sẽ tạo ra ứng suất trong tấm có thể gây nứt cho tấm bê tông xi măng Trong bài báo này tác giả sử dụng mô hình thực nghiệm đo nhiệt độ trên tấm và phân tích chuyển vị trong tấm bằng phương pháp PTHH 3D bằng cách khảo sát các dạng mô hình nhiệt phân bố tuyến tính và không tuyến tính theo chiều dày tấm

Niki D Beskou, Dimitrios D.Theodorakopoulos đã nghiên cứu đề tài "Ứng xử của

mặt đường dưới sự tác động tải trọng xe" [4] Trong bài báo này tác giả khảo sát ứng

xử động của mặt đường dưới tác động tải trọng di động bằng các mô hình tấm bê tông xi măng sử dụng phần tử dầm, phần tử tấm Đất nền có thể được mô hình hóa như một hệ thống lò xo đàn hồi và dashpots hoặc một nửa không đồng nhất hoặc bán đồng nhất Mô hình vật liệu sử dụng mô hình đàn hồi hoặc đàn nhớt (viscoelastic), trong khi đó các lớp nền bên dưới được mô hình đàn hồi, đàn nhớt, bão hòa nước và

cả mô hình bất đẳng hướng Tải trọng tác dụng là tập trung hoặc phân bố và di động

trên phần tử theo vận tốc đều và không đều Kết quả mô hình ứng xử động của kết cấu mặt đường dưới tác dụng tải trọng động sử dụng hệ số nền Winkler cho kết quả phù hợp với cả mô hình 2D-3D bằng các phương pháp Phần tử hữu hạn (FEM) và

mô hình phần tử biên (BEM) hoặc kết hợp

Swati Roy Maitra, K S Reddy and L S Ramachandra đã thực hiện đề tài "Dự

báo ứng suất cực hạn trong mặt đường bê tông có khe nối" [5] Trong bài báo này kết cấu áo đường chịu tác động tải trọng lặp cùng với sự thay đổi nhiệt độ Sự phá hủy trong tấm phải được tính toán kiểm tra đồng thời hai trường hợp tải trọng tác dụng của xe và sự chênh lệch nhiệt độ sao cho tạo ra hiệu ứng bất lợi nhất trong tấm Tác giả đưa ra công thức giải tích xác định ứng suất cực hạn trong mặt đường bê tông xi măng trong một số trường hợp đơn giản bằng cách kết hợp các thông số khác nhau của loại mặt đường, tải trọng và nhiệt độ tác dụng

Mohd Imran Khan Mohd Abdul Qadeer, A B Harwalkar "Phân tích

ứng xử của mặt đường bê tông xi măng dưới tác dụng tải trọng nhiệt độ sử dụng phần mềm Ansys" [6] Trong bài báo này tác giả sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 3D để phân tích ứng suất chuyển vị trong tấm bê tông xi măng Nhóm tác giả khảo sát một tấm đơn, mô hình gradient nhiệt độ tuyến tính và phi tuyến giữa mặt trên và mặt dưới tấm bê tông Các kết quả thu được bằng cách sử dụng gradient nhiệt độ tuyến tính đã cho thấy sự tương đồng hợp lý với kết quả thu được từ ba mô hình cơ học khác: thực hiện bằng phần mềm KENSLABS, ILLI-SLAB và JSLAB Kết quả này cũng phù hợp với giải pháp phân tích được đề xuất bởi Bradbury Mô hình này được sử dụng để thực hiện các nghiên cứu tham số liên quan của ảnh hưởng chiều dài và chiều dày tấm đối với ứng suất uốn

Dan F Adkins and Gary P Merkley đã nghiên cứu mô hình toán học của sự thay

đổi nhiệt độ trong mặt đường bê tông [7] Trong quá trình tăng và giảm nhiệt độ nhất thời diễn ra trong thời gian ngắn, có ba chế độ truyền tải năng lượng cơ bản: bức xạ (tỏa nhiệt); đối lưu; và truyền dẫn nhiệt Khi tấm bê tông xi măng thay đổi môi trường nhiệt, thì sẽ làm cho tấm chuyển vị trong chu kỳ một ngày Nhóm tác giả sử dụng mô hình phần tử hữu hạn khác nhau kết hợp với số liệu đo thực tế và trong phòng thí nghiệm, từ đó đưa ra biểu đồ thay đổi nhiệt độ theo chiều dày tấm

Phạm Trọng Trí đã nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia hóa học

và phụ gia khoáng để tăng cường độ tuổi sớm và tính dễ thi công của bê tông xi măng dùng cho áo đường cứng" [8], luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp HCM, năm 2015 Nội dung luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của các loại phụ gia hóa học và phụ gia khoáng ảnh hưởng đến thời gian ninh kết, cường độ chịu kéo, cường

độ chịu nén dùng cho áo đường cứng Kết quả nghiên cứu đưa ra các tỉ lệ phụ gia cho các loại bê tông dùng cho mặt đường và đưa ra các kết quả tối ưu về các chỉ tiêu

cơ lý, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn của bê tông xi măng dùng cho áo đường cứng

Võ Trọng Thọ đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu đề xuất các yêu cầu về chất lượng

mặt đường bê tông xi măng cho mặt đường cao tốc tại các tỉnh phía Nam” [9], Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách khoa Tp.HCM, năm 2013 Nội dung luận văn nghiên cứu kết cấu mặt đường BTXM, công nghệ thi công mặt đường, từ đó thí nghiệm thực nghiệm và đưa ra các yêu cầu chất lượng của bê tông dùng cho đường cao tốc

(00:00:00 Ngày 20/08/2009)

Nguyễn Hữu Trí, Lê Anh Tuấn, Vũ Đức Chính đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu

ứng dụng mặt đường BTXM ở việt Nam trong điều kiện hiện nay”, bài báo giới thiệu về các loại mặt đường BTXM thường được sử dụng, trình tự thi công, nghiệm thu và phân tích khả năng áp dụng các loại mặt đường này ở nước ta

Nhận xét kết quả các nghiên cứu

Qua các công trình nghiên cứu đã trình bày ở trên, có thể nhận thấy các công trình này chủ yếu đi vào nghiên cứu ứng xử của mặt đường bê tông xi măng, cụ thể

là trong tấm bê tông dưới tác dụng của chênh lệch nhiệt độ và tải trọng bánh xe chứ chưa đi vào thiết kế khe nối và nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong khe nối Tuy nhiên trong thực tế, các hư hỏng trong mặt đường bê tông xi măng chủ yếu xảy ra tại vị trí khe nối nên việc nghiên cứu ứng xử tại khe nối là yêu cầu rất cần thiết

1.3 MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Ngày nay, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán thiết kế kết cấu tương đối phổ biến, có rất nhiều nghiên cứu đã và đang thực hiện về ứng dụng phương pháp này trong tính toán kết cấu công trình Các nghiên cứu chủ yếu thực hiện với kết cấu bê tông cốt thép, dầm, cột… còn đối với lĩnh vực kết cáo áo đường của công trình giao thông thì rất ít nghiên cứu đánh giá về độ tin cậy của kết cấu mặt đường sau thời gian sử dụng, nghiên cứu các dạng khe nối bố trí sao cho xe chạy êm thuận và thời gian thi công là nhanh nhất Các nghiên cứu kích thước tấm bê tông xi măng cũng như khoảng cách, chiều dài của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng ảnh hưởng như thế nào bởi tải trọng xe và chênh lệch nhiệt độ

Khi kích thước tấm bê tông xi măng thay đổi sẽ ảnh hưởng đến độ êm thuận của mặt đường, thời gian thi công cũng như chi phí xây dựng công trình Nếu tấm có kích thước chiều dài gần bằng chiều rộng thì ứng suất do nhiệt độ giảm đi đáng kể, tuy nhiên số lượng khe nối sẽ tăng lên, tăng thời gian thi công và mặt đường không

êm thuận so với trường hợp tấm có kích thước có tỉ lệ giữa các cạnh hợp lý Nếu trường hợp tấm quá dài, xét tỉ lệ hai cạnh lớn hơn hoặc bằng 2, độ êm thuận mặt đường sẽ tốt hơn, nhưng ứng suất do nhiệt độ rất lớn Do đó cần phải tăng chiều dày tấm hoặc phải sử dụng cốt thép để chịu được ứng suất nhiệt, sẽ làm tăng chi phí trong xây dựng công trình

Để mặt đường xe chạy có độ êm thuận cao, chi phí xây dựng hợp lý và thời gian thi công nhanh, khi thiết kế áo đường cứng thanh truyền lực được sử dụng trong mặt đường bê tông thông thường có khe nối Tuy nhiên ứng xử của thanh truyền lực, cũng như loại mặt đường có sử dụng thanh này dưới tác dụng tải trọng trục xe và chênh lệch nhiệt độ vẫn đang còn nghiên cứu cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm

Nội dung đề tài sẽ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng sự làm việc của mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối, cụ thể tìm hiểu ứng

xử của thanh truyền lực cũng như ứng xử của loại mặt đường này

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.4.1 Về lý thuyết

Tổng quan về mặt đường bê tông xi măng sẽ tập trung vào các vấn đề sau:

 Sự phát triển và phạm vi áp dụng của mặt đường bê tông xi măng

 Cấu tạo điển hình mặt đường bê tông xi măng

 Các dạng mặt đường

 Cấu tạo các loại khe sử dụng trong mặt đường có khe nối

 Một số dạng hư hỏng thường gặp trong mặt đường bê tông xi măng

 Đặc điểm chịu lực thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng

 Lý thuyết tính toán mặt đường bê tông xi măng thường được áp dụng

 Giới thiệu phần mềm tính toán, sơ lược giải bài toán bằng PTHH

1.4.2 Về áp dụng

Áo đường cứng có nhiều dạng như: Mặt đường bê tông cốt thép liên tục, mặt đường bê tông cốt thép có khe nối, mặt đường bê tông lắp ghép, mặt đường bê tông cốt thép dự ứng lực và mặt đường bê tông cốt thép có khe nối Do thời gian có hạn, trong luận văn này sẽ tập trung vào nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng có khe nối bằng phương pháp phần tử hữu hạn Nội dung thực hiện:

 Tính toán theo phương pháp giải tích;

 Tính ứng suất và chuyển vị dưới tác dụng tải trọng xe

 Tính ứng suất và chuyển vị do sự chênh lệch nhiệt độ

 Tính lực cắt trong thanh truyền lực để kiểm tra ứng suất ép mặt giữa thép và bê tông, giá trị ứng suất này không được vượt quá ứng suất ép mặt cho phép

 Tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

 Bài toán kiểm tra: dựa vào kết quả đo thực nghiệm của tác giả Zahidul

Q Siddique [3] do sự chênh lệch nhiệt độ phân bố trong tấm bê tông xi măng và chuyển vị trong tấm Tác giả sử dụng phần mềm Abaqus V6.10

để mô phỏng sự làm việc tấm, và quy đổi các lớp nền bên dưới về hệ số nền "k" và có so sánh với phần mềm chuyên ngành EverFE

 Mô hình tính toán mặt đường bê tông xi măng bằng phần mềm Abaqus

 Khảo sát ứng suất, chuyển vị và nội lực trong thanh truyền lực (dowel bar)

và mặt đường bê tông xi măng bằng mô hình 3D xét các yếu tố ảnh hưởng: chiều dày tấm, tải trọng xe, nhiệt độ, chiều dài tấm và hệ số nền Winkler Gồm các trường hợp tấm riêng lẻ và các tấm làm việc chung với nhau Đồng thời khảo sát khoảng cách, kích thước trong thanh truyền lực và hiệu quả truyền tải trọng trong tấm

Chương 4 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc mặt đường bê tông xi măng có khe nối

Kết luận, kiến nghị

Tổng quát nội dung thực hiện trong luận văn như trên sơ đồ thể hiện ở Hình 1-1

Hình 1-1 Nội dung thực hiện trong luận văn

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI

MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG

2.1.1 Giới thiệu chung

Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) được định nghĩa là mặt đường ô tô có tầng mặt bằng BTXM có thể có cốt thép, lưới thép hoặc không Trong phạm vi luận văn

do thời gian có hạn tác giả chỉ trình bày về mặt đường BTXM thông thường có khe nối

Mặt đường BTXM thông thường có khe nối là loại mặt đường có tầng mặt bằng các tấm BTXM kích thước hữu hạn, liên kết với nhau bằng các khe nối (khe dọc và khe ngang) Ngoại trừ vị trí khe nối và các khu vực cục bộ khác, trong tầng mặt BTXM loại này đều không bố trí cốt thép (mặt đường BTXM phân tấm không cốt thép) [2]

Sơ lược về sự phát triển mặt đường bê tông xi măng

A Trên thế giới

Mặt đường bê tông xi măng đầu tiên được xây dựng vào năm 1893 (Fitch, 1996) tại Bellefontaine, Ohio Tính đến năm 2001, đã có khoảng 59.000 dặm (95.000 km)

áo đường cứng được xây dựng ở Hoa Kỳ [10]

Trong những năm qua, mặt đường BTXM đã được tiếp tục được xây dựng và phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới, tập trung nhiều nhất ở các nước có nền kinh tế phát triển như: Canada, Hoa Kỳ, CHLB Đức, Anh, Bỉ, Hà Lan, Australia, Trung Quốc… Theo Báo cáo Long - Life Concrete Pavements in Europe and Canada” của Cục Đường bộ Liên bang Mỹ - FHWA), đến năm 2013, khối lượng mặt đường BTXM đã xây dựng ở một số nước như sau:

Tại Mỹ, mặt BTXM chiếm khoảng 9% của 490.179km đường đô thị và 4% của 1.028.491km đường ngoài đô thị Tỉnh Québec, Canada có 1.239km (đường 2 làn xe) trong tổng số 29.000km đường (khoảng 4%) là mặt đường BTXM nhưng lại

phục vụ tới 75% lượng giao thông ở Québec Đức, mặt đường BTXM không cốt thép, phân tấm chiếm khoảng 25% mạng lưới đường cao tốc với lưu lượng giao thông cao Áo, đường cao tốc chiếm khoảng 25% mạng lưới đường bộ quốc gia (14.000km), trong đó mặt đường BTXM chiếm 2/3 khối lượng đường cao tốc Bỉ, mạng lưới đường khoảng 134.000km, gồm đường cao tốc, đường tỉnh, đường địa phương và đường nông thôn Trong đó, đường cao tốc có khoảng 1.700km, tức là chỉ hơn 1% Mặt đường BTXM chiếm 40% của những đường cao tốc và 60% đường nông thôn Tổng cộng, mặt đường BTXM chiếm khoảng 17% Ngoài ra, Hà Lan còn

có 20.000km đường xe đạp, trong đó 10% là mặt đường BTXM Vương quốc Anh, mạng lưới đường có khoảng 285.000km, trong đó có 1.500km là mặt đường BTXM, chiếm khoảng 67% đường cao tốc ở Úc và chiếm 60% đường cao tốc ở Trung Quốc

Tại Trung Quốc, Thái Lan và một số nước trong khu vực đã xây dựng hàng trăm ngàn kilômét đường giao thông bằng BTXM

B Tại Việt Nam

Mặt đường BTXM đã được áp dụng ở nước ta từ trước năm 1945, một số công trình như đoạn QL3 (Thái Nguyên - Bắc Kạn, 1980), Quán Thánh - Cửa Lò (1979), QL18 (Tiên Yên - Móng Cái), đường Hùng Vương và Quảng trường Ba Đình… đã được xây dựng và đang ở trong tình trạng khá tốt

Mặt đường BTXM cũng được sử dụng thay thế mặt đường bê tông nhựa như một phương án thiết kế chống lún trồi cho mặt đường chịu tác dụng tải trọng nặng quá tải lưu thông như trong dự án Đại lộ Đông Tây Sài Gòn [11]

(a) Đại lộ Đông Tây – Tp HCM

(Nguồn: dantri.com)

(b) Sân bay quốc tế Đà Nẵng [12]

Hình 2-1 Mặt đường BTXM được sử dụng trong đường ô tô và sân bay

Ngoài việc sử dụng trong xây dựng đường ô tô, mặt đường BTXM được xem là phương án phù hợp sử dụng trong sân bay như sân bay quốc tế Tân Sơn Nhất, sân bay quốc tế Đà Nẵng [12]… để chịu được tải trọng nặng và lực xung kích lớn

Hiện nay, công nghệ xây dựng đường BTXM được phát triển đa dạng như: thi công thủ công, bán cơ giới thi công tại chỗ với các thiết bị chuyên dụng, thi công bê tông đầm lăn, hay có thể thi công theo phương pháp lắp ghép, các tấm mặt đường được chế tạo trong nhà máy, vận chuyển và lắp ghép trên mặt nền đã chuẩn bị xong Tùy theo điều kiện thực tế, phương pháp thi công có thể được lựa chọn sao cho đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế Do đó sự phát triển của mặt đường BTXM ngày càng thuận lợi hơn

Theo ý kiến của Cục Giám định Nhà nước về chất lượng công trình xây dựng:

Sự khác nhau lớn nhất giữa đường BTXM và đường bê tông nhựa là đường BTXM

có cấu trúc cứng và đường bê tông nhựa có kết cấu mềm Cấu trúc mặt đường cứng giúp phân bố đều tải trọng, chịu va đập tốt, thích ứng với mọi loại xe, kể cả xe bánh xích Cường độ mặt đường không thay đổi theo nhiệt độ Mặt đường BTXM rất ổn định trong môi trường nước, chịu ngập lụt lâu ngày Kỹ thuật thi công đa dạng, với thiết bị hiện đại, cơ giới hóa toàn bộ, từ khâu vận chuyển, rải đầm… Mặc dù đường BTXM mang lại hiệu quả kinh tế cao nhưng việc phát triển loại đường này ở nước ta vẫn rất khiêm tốn, chỉ chiếm gần 3% tổng chiều dài của cả hệ thống đường bộ

Phạm vi sử dụng

Theo Thông tư số 12/2013/TT-BGTVT Quy định về sử dụng kết cấu mặt đường

bê tông xi măng trong đầu tư xây dựng công trình giao thông [13], kết cấu mặt đuờng BTXM được sử dụng trong dự án xây dựng công trình giao thông khi phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, khí hậu, thủy văn, cung ứng vật liệu, điều kiện thi công sửa chữa, bảo trì và khả năng nâng cấp, mở rộng sau này

Kết cấu mặt đường BTXM phải là giải pháp kỹ thuật chủ yếu trong các trường hợp sau:

 Mặt đường tại các khu vực trạm thu phí; bến xe; bãi đỗ xe; đường ôtô chuyên dụng, đường vào cảng; mặt đường hầm; mặt đường đập tràn;

 Tuyến đường bộ tại vùng chịu ảnh hưởng của ngập lụt nhưng nền đường không nằm trên vùng đất yếu; tuyến đường bộ chịu ảnh hưởng của khí hậu sương mù, ẩm ướt thường xuyên;

 Tuyến đường bộ tại khu vực miền núi có độ dốc lớn từ 7% trở lên, khó khăn đối với công tác duy tu, bảo dưỡng nếu sử dụng các dạng kết cấu mặt đường khác;

 Tuyến đường bộ đào qua nền đất, đá chịu ảnh hưởng của nước ngầm;

 Tuyến đường giao thông nông thôn;

 Các công trình giao thông khác khi sử dụng kết cấu mặt đường bê tông xi măng bảo đảm hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng, sửa chữa, bảo dưỡng hơn các loại kết cấu mặt đường khác

Nhìn chung, phạm vi áp dụng của mặt đường bê tông xi măng ở Việt Nam trong giai đoạn hiện nay là sử dụng mặt đường BTXM phân tấm, không cốt thép cho tất cả các cấp đường ô tô và sân bay; mặt đường BTXM lưới thép cho đường cấp cao, sân bay và những khu vực thời tiết khắc nghiệt; mặt đường BTXM cốt thép liên tục cho đường cấp cao, đường cao tốc và sân bay; mặt đường BTXM lu lèn cho các loại đường cấp cao thứ yếu và đường nông thôn, đường miền núi…

Cấu tạo mặt đường bê tông xi măng

 Theo 22 TCN 223-95 [1]

 Áo đường cứng là kết cấu áo đường có lớp mặt hoặc lớp móng làm bằng

bê tông xi măng – loại vật liệu có độ cứng cao, đặc tính biến dạng và cường độ của nó thực tế không phụ thuộc vào sự biến đổi của nhiệt độ

 Áo đường cứng được thiết kế theo lý thuyết “tấm trên nền đàn hồi” đồng thời có xét tới sự thay đổi của nhiệt độ và của các nhân tố khác gây ra đối với tấm bê tông

 Theo Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông [2]

 Mặt đường BTXM là mặt đường ô tô có tầng mặt bằng bê tông xi măng,

có thể có cốt thép, lưới thép hoặc không

 Mặt đường BTXM thông thường có khe nối là loại mặt đường có tầng mặt bằng các tấm BTXM kích thước hữu hạn, liên kết với nhau bằng các khe nối (khe dọc và khe ngang)

 Kết cấu áo đường BTXM thông thường: từ trên xuống dưới bao gồm:

 Tầng mặt bằng bê tông xi măng thông thường

 Tầng móng có thể gồm lớp móng trên và lớp móng dưới

 Lớp đáy móng

 Nền đất trên cùng hay lớp nền thượng

Hình 2-2 Sơ đồ cấu tạo mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối

 Theo AASHTO 1993 [14] cũng trình bày chi tiết về 3 loại kết cấu mặt đường BTXM:

 Mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối (JPCP)

 Mặt đường bê tông cốt thép có khe nối (JRCP)

 Mặt đường bê tông cốt thép liên tục (CRCP)

2.1.2 Các loại mặt đường bê tông xi măng

A Mặt đường bê tông thông thường có khe nối

Mặt đường bê tông thông thường có khe nối (JPCP) là loại mặt đường không bố trí cốt thép bên trong tấm mà chỉ sử dụng tại vị trí các khe nối và trong trường hợp cần gia cường cốt thép tại mép hay góc tấm Tùy theo từng trường hợp cụ thể sẽ bố

Thanh truyền lực

Thanh liên kết Khe dọc

Khe ngang

Lớp phân cách

Lớp móng trên

Lớp móng dưới Tấm BTXM

Tạo nhám

trí các khe nối xiên hay vuông góc với cạnh tấm cách nhau khoảng từ (4.2 – 4.5)m

và có sử dụng thanh truyền lực hay không Tại vị trí khe thi công sẽ bố trí các thanh liên kết nhằm giữ các tấm không bị dịch chuyển xa nhau trong quá trình làm việc

Thiết kế khe nối phải giải quyết được các vấn đề sau:

 Hiệu quả truyền tải trọng tại khe nối: được thực hiện thông qua các thanh

truyền lực hoặc sự chèn móc giữa các hạt cốt liệu Các thanh truyền lực truyền tải trọng tốt hơn tuy nhiên việc sử dụng chúng gây phức tạp cho các thao tác trong quá trình thi công mặt đường BTXM

 Sự ổn định tấm bê tông: được chú ý trong quá trình mô phỏng sự làm việc

của mặt đường dưới tác dụng tải trọng và nhiều thông số khác Các kết quả cần được quan tâm là: ảnh hưởng của khoảng cách khe nối trong các trường hợp tấm chịu tác dụng tải trọng và sự thay đổi nhiệt độ trên và dưới tấm là khác nhau, mô đun lớp móng ảnh hưởng đến sự làm việc tấm …

Trong mặt đường này, các khe nối ngang được bố trí ở khoảng cách trung bình khoảng 4.5m, khoảng cách các khe dọc tùy thuộc vào dạng làn xe, tối thiểu phải bố trí được 1 làn xe Tại các khe dọc được bố trí các thanh liên kết để giữ các tấm không dịch chuyển cách xa nhau

B Mặt đường bê tông cốt thép có khe nối

Trong mặt đường bê tông cốt thép có khe nối (JRCP), do có bố trí cốt thép nên kích thước tấm có thể được tăng lên, khoảng cách giữa các khe nối ngang vào khoảng 8 – 12m

Đặc trưng chủ yếu của mặt đường bê tông cốt thép (BTCT) có khe nối:

 Khoảng cách các khe nối ngang từ 8 – 12m, vuông góc với cạnh tấm và có

sử dụng thanh truyền lực

 Có sử dụng lưới cốt thép trong tấm Tỷ lệ thép yêu cầu tăng lên khi chiều dài tấm tăng

 Có sử dụng thanh liên kết tại vị trí khe nối dọc

 Có neo ở cuối mặt đường để hạn chế sự dịch chuyển của các khe và bảo vệ các công trình liền kề

Tuy nhiên, một trong những hạn chế của mặt đường này là gây trở ngại trong quá trình thi công, đặc biệt khi sử dụng máy rải bê tông cốp pha trượt Cần phải giữ

cố định các tấm lưới thép riêng lẽ này một cách vừa đủ để chúng không bị dịch chuyển trong quá trình thi công và đảm bảo mặt đường không bị nứt do bị ngàm quá chặt

Loại mặt đường này thích hợp sử dụng tại các nút giao thông hoặc sử dụng thay thế hay mở rộng mặt đường hiện hữu cùng loại

C Mặt đường bê tông cốt thép liên tục

Mặt đường bê tông cốt thép liên tục (CRCP) sử dụng tỷ lệ cốt thép lớn, giảm hiện tượng co, tạo điều kiện để các vết nứt ngang xuất hiện ngẫu nhiên cách nhau từ (1 – 2.5)m

Đặc trưng chủ yếu của mặt đường bê tông cốt thép liên tục:

 Sử dụng lưới thép trong mặt đường, cốt thép dọc và cốt thép ngang được bố trí liên tục trong tấm BTXM

 Khe dọc được bố trí theo quy ước tùy thuộc vào dạng làn xe, khe ngang được thay thế bằng các đường nứt ngang ngẫu nhiên với khoảng cách như thiết kế mong muốn Bề rộng các đường nứt ngang rất nhỏ, khoảng 0.3mm,

sự truyền tải trọng được thực hiện tốt do sự chèn móc giữa các hạt cốt liệu

Mặc dù mặt đường này tốn chi phí đầu tư ban đầu cao nhưng do không có các khe nối ngang nên rất thuận lợi trong quá trình khai thác và chi phí bảo dưỡng thấp Mặt đường BTCT liên tục thích hợp được sử dụng trong đường cao tốc và các mặt đường chịu lưu lượng giao thông lớn

2.1.3 Các dạng hư hỏng thường gặp trong mặt đường bê tông xi măng

Chất lượng áo đường cứng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như cường độ bê tông, mô đun lớp nền bên dưới, cấu tạo khe nối, các điều kiện tải trọng tác dụng… một trong những yếu tố quan trọng là sự làm việc của khe nối giữa các tấm Đa số các hư hỏng của áo đường BTXM xuất phát từ hư hỏng tại các khe nối

Một số hư hỏng thường gặp:

 Cập kênh (faulting): Chênh lệch cao độ giữa 2 tấm liền kề tại khe nối khi có bánh xe chạy qua;

 Bơm phụt vật liệu móng (pumping): Khi có bánh xe chạy qua khe nối, nước

ở đáy tấm bê tông xi măng phọt lên qua khe nối và kéo theo vật liệu móng Nguyên nhân của hiện tượng này là chất bịt kín khe nối bị hỏng, nước từ bề mặt chui xuống kết cấu qua khe nối Hiện tượng này cũng là nguyên nhân dẫn đến cập kênh (faulting)

 Phồng (blowup): Mặt đường bị lồi lên tại khe nối do các tấm bê tông dãn nở dưới tác dụng của nhiệt độ

Hình 2-3 Hư hỏng phồng (Blowup)

trong mặt đường bê tông xi măng

Hình 2-4 Mặt đường bê tông bị hư hỏng

Cơ chế của hiện tƣợng nứt

Hiện tượng co ngót trong tấm bê tông xảy ra do sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm trong quá trình thi công, rắn chắc và làm việc tấm BTXM Ứng suất gây ra do ma sát giữa tấm bê tông và lớp nền bên dưới, kết hợp cùng ứng suất kéo uốn do tấm bị uốn vồng do nhiệt độ và độ ẩm biến thiên theo chiều sâu tấm

Tổ hợp ứng suất này vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông, làm xuất hiện các vết nứt Bên cạnh đó, dưới tác dụng tải trọng trục xe làm cho các vết nứt phát triển

có thể chia tấm bê tông ra làm nhiều tấm nhỏ Các đường nứt ngang thường xuất hiện cách nhau khoảng 5m còn các đường nứt dọc sẽ phát sinh tại vị trí khoảng giữa của mặt đường hai làn xe

Sự phát triển các vết nứt này sẽ gây ra các dạng hư hỏng cho mặt đường đã được trình bày ở mục 2.1.3 Có nhiều phương án được đề ra để khắc phục hiện tượng này, một trong số đó là bố trí các khe nối trong mặt đường BTXM nhằm điều khiển sự phát sinh và phát triển của vết nứt

Do đó, việc thiết kế khe nối và sự làm việc tấm tại vị trí khe nối cần phải được xem xét kỹ lưỡng, nhằm đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật và khai thác của mặt đường BTXM

2.2 KHE NỐI TRONG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG

Khe nối của mặt đường BTXM thường được gọi tên theo chức năng, dưới đây là một số khe thường được sử dụng:

 Khe co ngang: Rãnh được tạo bởi công cụ (cưa) hoặc ván khuôn khi thi

công áo đường, nó tạo ra một tiết diện bị giảm yếu, nhờ thế mà điều chỉnh được vị trí vết nứt ngang sinh ra do sự thay đổi kích thước tấm bê tông xi măng Khe này có phương vuông góc với tim tuyến và là loại khe chiếm tỷ

lệ về khối lượng lớn nhất trong áo đường bê tông xi măng;

 Khe dọc: Khe giữa 2 tấm, cho phép cong, vênh nhau, nhưng vẫn đảm bảo 2

tấm không tách xa nhau và không có vết nứt dọc Loại khe này song song hoặc trùng với tim tuyến, tốt nhất là trùng với đường phân làn xe

 Khe thi công: Có thể là khe ngang hoặc dọc Khe này ngăn cách giữa 2 tấm

bê tông được thi công đổ bê tông ở 2 thời điểm khác nhau;

 Khe giãn: Khe được đặt tại các vị trí đặc biệt nhằm đảm bảo sự giãn nở của

áo đường mà không gây hư hại cho chính bản thân áo đường và kết cấu bên cạnh

2.2.1 Khe co ngang

Chức năng chính của khe co ngang là kiểm soát hiện tượng nứt của áo đường dưới tác dụng của ứng suất kéo và uốn trong tấm bê tông xi măng Các ứng suất này sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng, do tác động tải trọng hoặc môi trường

Do chiếm một tỷ lệ lớn về khối lượng, chất lượng của khe co ngang có ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng của áo đường Một khe bị hỏng thể hiện qua các hiện tượng cập kênh và/hoặc nứt vỡ Một khe đã suy giảm khả năng làm việc thường dẫn đến các hư hỏng như gẫy góc, phồng, nứt giữa tấm… Các vết nứt giữa tấm này làm việc giống như các khe liên kết và phát triển các hư hỏng tương tự

Có 3 yếu tố cần xem xét khi thiết kế khe ngang:

A Khoảng cách giữa các khe

Phụ thuộc vào cấu tạo áo đường (chiều dày, có cốt thép hay không, loại móng), điều kiện địa phương (nhiệt độ khi khai thác và khi thi công) và đặc trưng tải trọng truyền qua khe nối Thông thường các khe co ngang được bố trí cách nhau không quá 5m [2]

B Truyền tải trọng qua khe nối

Tải trọng xe cần phải được truyền một cách có hiệu quả từ một tấm bê tông xi măng sang tấm bên cạnh để giảm thiểu độ võng tại khe nối Độ võng được giảm thiểu sẽ làm giảm nguy cơ phụt vật liệu móng và hiện tượng cập kênh

Sự truyền tải trọng qua khe nối được thực hiện thông qua sự cài vào nhau của các hạt vật liệu khi khe nối được tạo bằng hiện tượng tự nứt của bê tông hoặc thông qua thanh truyền lực (dowel bars) Khuyến cáo sử dụng sử dụng thanh truyền lực tại các khe nối ngang Khi làm việc, thanh truyền lực cho phép tải trọng truyền qua khe nối, nhưng không hạn chế chuyển vị của khe nối sinh ra do hiện tượng giãn nở nhiệt của bê tông Nghiên cứu cho thấy rằng thanh truyền lực có đường kính càng lớn thì hiệu quả truyền tải càng lớn và hiện tượng cập kênh càng giảm

Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) kích thước thanh truyền lực, khoảng cách giữa các thanh được quy định khác nhau trong các tiêu chuẩn 22TCN223-95 [1] và Quy định tạm thời (quyết định số 3230/QĐ-BGTVT) [2] Theo hướng dẫn của Cục đường bộ liên bang Mỹ (FHWA), khuyến cáo sử dụng thanh truyền lực có đường

kính không nhỏ hơn 1/8 chiều dày tấm bê tông xi măng và không nhỏ hơn 32mm (25in)

Thanh truyền lực được đặt ở giữa tấm theo chiều dày và phải làm từ vật liệu chống gỉ để tránh bị kẹt và ngăn cản chuyển vị của khe nối Thép bọc epoxy và thép không gỉ được xem là thích hợp dùng làm thanh truyền lực

Theo giáo trình Pavement Analysis and Design [10], Yang H Huang căn cứ vào

đề xuất của Hiệp hội xi măng Portland (PCA) thiết kế kích thước thanh truyền lực phụ thuộc vào chiều dày tấm bê tông

C Hình dạng khe và tính chất của chất bịt kín (sealant)

Chất bịt kín có tác dụng ngăn cản sự xâm nhập của nước và các vật rắn vào khe nối và vào kết cấu áo đường Người ta nhận thấy rằng không thể thi công và duy trì khe nối kín nước hoàn toàn Tuy nhiên, chất bịt kín có tác dụng giảm thiểu lượng nước xâm nhập vào kết cấu, từ đó mà giảm thiểu các hiện tượng hư hỏng như cập kênh và phụt vật liệu móng Vật rắn cũng phải được ngăn cản không lọt vào khe nối, chúng có thể cản trở việc giãn nở do nhiệt độ tấm bê tông, gây ra hiện tượng phồng mặt đường tại khe nối

Tính chất của chất bịt kín có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng của khe nối Những vật liệu bịt kín khe cao cấp, như silicon hoặc chất bịt kín được tạo hình trước được khuyến cáo sử dụng để làm kín tất cả các loại khe (ngang, dọc, khe thi công) Tuy giá thành cao, nhưng chúng cho chất lượng làm kín tốt hơn và tuổi thọ cao hơn Khi thi công khe nối, phải tuân theo một quy trình nghiêm ngặt và đặc biệt phải chú

ý đến việc sử dụng chất bịt kín theo đúng hướng dẫn của nhà sản suất

Khi sử dụng chất bịt kín silicon, tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng chất bịt kín trong khe nối là từ 1:2 đến 1:1 Để đạt được kết quả tốt nhất, chiều rộng cắt khe nên vào khoảng 1cm Bề mặt của chất bịt kín nên chìm xuống (thấp hơn) từ 6mm đến 10mm so với bề mặt tấm bê tông để tránh bị bào mòn bởi tác động của bánh xe Để đảm bảo hình dạng của chất bịt kín trong khe nối đúng theo yêu cầu và chất bịt kín không dính vào mặt đáy của khe nối, cần phải sử dụng thanh lót (backer rod) Thanh

lót được làm bằng nhựa xốp với các bọt khí kín, có đường kính lớn hơn 1.25 lần chiều rộng cắt khe để đảm bảo chèn chặt

Khi sử dụng chất bịt kín tạo hình trước, khe nối phải được thiết kế sao cho chất bịt kín luôn luôn ở trạng thái bị nén từ 20% đến 50% Bề mặt của chất bịt kín nên chìm xuống (thấp hơn) từ 3mm đến 10mm so với bề mặt tấm bê tông để tránh bị bào mòn bởi tác động của bánh xe

2.2.2 Khe dọc

Khe dọc sử dụng để làm giảm ứng suất do cong vênh tấm và thường cần phải sử dụng khi chiều rộng tấm vượt quá 4.5m Khi chiều rộng tấm không vượt quá 4.5m thì không cần sử dụng khe dọc Khe dọc nên được làm trùng với đường phân làn xe

để cải thiện tính năng khai thác của áo đường

Sự truyền tải trọng qua khe nối dọc được thực hiện nhờ các khớp nối nhân tạo (ngàm) hoặc tự nhiên (do bê tông tự nứt) Để ngăn chặn hiện tượng trôi tấm bê tông (các làn xe tách rời nhau) và hiện tượng cập kênh, nên bố trí các thanh liên kết (tie bar) tại các khe dọc Tuy nhiên không nên liên kết quá 4 làn xe (tổng chiều rộng quá 15m) để tránh hiện tượng nứt dọc tấm Trong trường hợp có quá 4 làn xe trên mặt cắt ngang, khe dọc không có thanh liên kết nên bố trí tại vị trí phân cách 2 chiều xe chạy Thanh liên kết được đặt ở giữa tấm theo chiều dày

Theo hướng dẫn của FHWA, khi sử dụng thanh liên kết bằng thép có giới hạn chảy là 2800kg/cm2, nên sử dụng thanh liên kết có chiều dài 76cm với Ø16, dài 61cm với Ø13 Khi thép có giới hạn chảy là 4200kg/cm2, nên sử dụng thanh liên kết

có chiều dài 102cm với Ø16, dài 81cm với Ø13 Các chiều dài này được tính toán trên cơ sở sự tương ứng về ứng sất làm việc cho phép của thanh thép với lực ma sát giữa thép và bê tông Khoảng cách giữa các thanh liên kết tùy thuộc vào chiều dày tấm bê tông và khoảng cách đến cạnh (tấm) tự do gần nhất

Thanh liên kết không được đặt ở khoảng cách nhỏ hơn 38cm so với khe ngang Khi sử dụng thanh liên kết có chiều dài trên 81cm với các khe xiên, thanh liên kết không được đặt ở khoảng cách nhỏ hơn 46cm so với khe ngang;

Thép chống gỉ được đề nghị sử dụng làm thanh liên kết vì sự ăn mòn có thể làm giảm khả năng làm việc của thanh liên kết Thông thường trong điều kiện Việt Nam, thép dùng làm thanh liên kết phù hợp là thép có gờ (thép gân) và được sơn chống gỉ khoảng 10cm tại giữa thanh;

Đề xuất tạo khe dọc bằng cưa xẻ khe và chèn kín để ngăn cản nước mặt lọt vào cấu trúc của áo đường Khe để chứa chất bịt kín nên được cắt rộng khoảng 1cm và sâu khoảng 2.5cm

2.2.3 Khe thi công

A Khe thi công ngang

Khe thi công ngang thay thế cho một khe co ngang thông thường, tại vị trí 2 tấm

bê tông được thi công ở hai thời điểm khác nhau Để đảm bảo chất lượng, khe thi công ngang nên được làm thẳng góc Khe thi công ngang cũng được bố trí thanh truyền lực, cắt khe và trám khe giống như khe co ngang thông thường

B Khe thi công dọc

Hình 2-5 Cấu tạo khe thi công dọc

Với khe thi công dọc, việc sử dụng ngàm truyền lực phải được suy xét cẩn thận

vì bề mặt tấm tại vị trí có ngàm thường hay bị nứt gãy FHWA khuyến nghị không dùng ngàm truyền lực khi tấm có chiều dày nhỏ hơn 26cm Trong trường hợp này, thanh liên kết phải được thiết kế cho cả chức năng truyền lực;

Khi chiều dày tấm lớn hơn hoặc bằng 26cm, có thể sử dụng ngàm để truyền lực

FHWA khuyến nghị sử dụng ngàm có kích thước như Hình 2-5 Dùng ngàm có kích

thước lớn hơn có thể làm giảm khả năng chịu cắt tấm bê tông xi măng tại khe và dẫn đến hỏng khe Với khe có ngàm, vẫn cần sử dụng thanh liên kết Nên xem xét tăng

Thanh liên kết

số lượng và/hoặc kích thước thanh liên kết thay cho việc sử dụng ngàm Việc tăng chi phí thép sẽ được bù đắp bằng giảm lượng chi phí nhân cơng ban đầu và chi phí bảo dưỡng về sau

Lưu ý về khe thi cơng dọc:

 Khoảng cách lớn nhất giữa các thanh liên kết, cắt và chèn khe cũng được áp dụng như với khe dọc thơng thường

 Thanh liên kết nhất thiết phải được neo chắc vào bê tơng Thanh liên kết phải được đặt vào hỗn hợp bê tơng tươi khi thi cơng

 Thanh liên kết cong khơng được khuyến khích sử dụng

2.2.4 Khe giãn

Thiết kế và bảo dưỡng tốt các khe co cĩ thể loại bỏ sự cần thiết phải sử dụng khe giãn, trừ trường hợp tại vị trí tiếp giáp với các kết cấu cố định Thực tế trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã khơng áp dụng khe giãn nữa Khi sử dụng khe giãn, các tấm bê tơng cĩ xu thế chuyển vị và khép dần (làm giảm chiều rộng) khe giãn lại trong vịng vài năm Vì vậy một vài khe co liền kề sẽ rộng ra và giảm độ kín khít

Khe giãn thường cĩ bề rộng khoảng 2cm Vật liệu chèn khe (filler) thơng thường được đặt thấp hơn (2 ÷ 2.5)cm so với bề mặt tấm bê tơng xi măng để cĩ khơng gian cho chất bịt kín Các thanh truyền lực bằng thép trơn là phương pháp truyền lực được sử dụng rộng rãi nhất cho khe giãn Thanh truyền lực cho khe giãn được chế tạo đặc biệt với các mũ nhựa ở 1 đầu thanh để tạo ra khoảng trống dự phịng cho trường hợp khe bị khép lại do các tấm bê tơng giãn dài ra

Hình 2-6 Cấu tạo khe giãn

2.3 ĐẶC ĐIỂM THANH TRUYỀN LỰC

Thanh truyền lực

Vật liệu lấp đầy khe Vật liệu chèn khe

Nút đậy

Thanh truyền lực thường được sử dụng tại vị trí các khe nối ngang để truyền tải trọng sang tấm liền kề khe nối Ứng suất và chuyển vị tại khe nối phải nhỏ hơn khi tải trọng được chịu bởi hai tấm, thay vì chỉ một tấm chịu Việc sử dụng thanh truyền lực có thể giảm thiểu các nứt vỡ tại khe nối và hiện tượng bơm phụt vật liệu móng, được lưu ý bởi Hiệp hội xi măng Portland (PCA, 1984) như một thông số ảnh hưởng trong thiết kế chiều dày tấm [10]

2.3.1 Cấu tạo thanh truyền lực

A Theo QĐ 3230/QĐ-BGTVT [2]

Thanh truyền lực của khe ngang phải dùng thép tròn trơn Đường kính, chiều dài

và khoảng cách bố trí thanh truyền lực có thể tham khảo tại Bảng 2-1 Khoảng cách

tối thiểu của thanh truyền lực ngoài cùng đến mép ngoài tấm nên trong khoảng 150

÷ 250mm

Bảng 2-1 Quy định về kích cỡ thanh truyền lực tại các khe ngang

(đường kính × chiều dài × khoảng cách, mm)

Chiều dày tấm BTXM

(mm)

Thanh truyền lực Đường kính Chiều dài tối thiểu Khoảng cách lớn nhất

thước thanh truyền lực được sử dụng phụ thuộc vào chiều dày tấm Bảng 2-2 cho

thấy kích thước và chiều dài của thanh truyền lực ứng với chiều dày tấm khác nhau được đề xuất bởi PCA (1975) Có thể thấy đường kính thanh truyền lực bằng khoảng 1/8 chiều dày tấm bê tông Trong một chỉnh sửa gần đây về thiết kế khe nối, PCA

(1991) đề xuất sử dụng thanh truyền lực đường kính 1.25in (32mm) cho áo đường

có chiều dày nhỏ hơn 10in (254mm) và đường kính 1.5in (38mm) cho áo đường có chiều dày 10in (254mm) hoặc hơn Giá trị đường kính nhỏ nhất yêu cầu cho thanh truyền lực khoảng 1.25 đến 1.5in (32 đến 38mm) nhằm kiểm soát nứt gãy, từ đó giảm ứng suất ép mặt trong bê tông

Bảng 2-2 Kích thước và chiều dài đề xuất của thanh truyền lực

Chiều dày tấm (in)

Thanh truyền lực Đường kính (in) Chiều dài (in)

Hình 2-7 Kết cấu mặt đường BTXM thơng thường sử dụng thanh truyền lực

Thanh truyền lực thơng thường cĩ đường kính khoảng 32 đến 38mm (1.25 – 1.5in), chiều dài khoảng 460mm (18in) và cách nhau khoảng 305mm (12in) Quy định về cách bố trí và con số cụ thể cĩ thể khác nhau tùy thuộc vào đặc trưng của

các quốc gia, tuy nhiên một bố trí điển hình cĩ thể như Hình 2-8 Để ngăn chặn sự

ăn mịn, các thanh truyền lực cĩ thể được bảo vệ bằng một lớp thép khơng gỉ hoặc keo epoxy

Thanh truyền lực thường được đặt ở chiều sâu khoảng 1/2 chiều dày tấm và được phủ một chất chống dính để ngăn sự dính bám với BTXM Do đĩ, thanh truyền lực giúp truyền tải trọng nhưng cho phép các tấm liền kề giãn nở và co ngĩt độc lập

với nhau Hình 2-8 cho thấy vị trí thanh truyền lực điển hình tại một khe nối ngang

Hình 2-8 Bố trí thanh truyền lực điển hình taị khe nối ngang

2.3.3 Phương pháp tính tốn thanh truyền lực

Theo các tiêu chuẩn Việt Nam, việc thiết kế thanh truyền lực chỉ bố trí cấu tạo,

tra bảng theo giá trị chiều dày và cấu tạo lớp mĩng bên dưới như Bảng 2-1 [1] [2]

Lớp nền đặc trưng bởi "k"

Tấm bê tông (E, h) Lớp móng (Ei, hi)

Tấm bê tông (E, h)

Thanh truyền lực Tải trọng xe quy đổi

Hướng xe chạy

Khe nối ngang

Hướng xe chạy

Thanh truyền lực Mặt bằng tấm BTXM

Huang [10] trình bày các tính toán thanh truyền lực chủ yếu là kiểm tra khả năng làm việc của thanh Khi tải trọng tác dụng gây ra ứng suất ép mặt giữa thanh thép và

bê tông, cần kiểm tra ứng này không được vượt quá ứng suất chịu nén cho phép của

bê tông

A Ứng suất ép mặt cho phép

Vì cường độ của thép lớn hơn nhiều so với bê tông nên kích thước và khoảng cách yêu cầu giữa các thanh truyền lực chịu ảnh hưởng vởi ứng suất ép mặt giữa thanh truyền lực và bê tông Ứng suất cho phép có thể được xác định bằng công thức (2.1) (American Concrete Institute, 1956)

'

4 3

d

f    f

Với: f b: ứng suất ép mặt cho phép giữa thanh truyền lực và bê tông

d: đường kính thanh truyền lực

'

c

f : cường độ chịu nén giới hạn của bê tông

Với bê tông làm đường yêu cầu cường độ chịu nén giới hạn: ' 2

c

f  daN cm [1]

B Ứng suất ép mặt trên một thanh truyền lực

Hình 2-9 Biến dạng của thanh truyền lực dưới tác dụng tải trọng

Nếu tải trọng tác dụng lên một thanh truyền lực được biết, ứng suất ép mặt lớn nhất có thể được xác định về mặt lý thuyết bằng cách giả thuyết thanh truyền lực là một dầm và bê tông là một nền Winkler Sử dụng các lời giải của Timoshenko,

Friberg (1940) chỉ ra rằng biến dạng lớn nhất của bê tông dưới thanh truyền lực y 0

được thể hiện trong Hình 2-9 và được tính bằng công thức (2.2):

 

24

z : chiều rộng khe nối

d

E : mô đun đàn hồi của thép dùng làm thanh truyền lực

d

I : moment quán tính của thanh truyền lực

 : độ cứng tương đối của thanh truyền lực nhúng vào bê tông

4

164

K: modulus of dowel support

Từ đó tính được giá trị ứng suất ép mặt:

 

2

4

t b

C Sự làm việc của nhóm thanh truyền lực

Hình 2-10 Sự truyền tải trọng qua nhóm thanh truyền lực

Khi một tải trọng W tác dụng lên một tấm gần khe nối, một phần tải trọng sẽ được truyền qua tấm liền kề nhờ vào nhóm thanh truyền lực như được minh họa ở

Hình 2-10 Nếu thanh truyền lực làm việc hiệu quả 100%, cả hai tấm sẽ chuyển vị

một giá trị như nhau, phản lực dưới hai tấm cũng bằng nhau và bằng 0.5W, đây cũng chính là tổng lực cắt được truyền tải bởi nhóm thanh truyền lực Nếu hiệu suất thanh truyền lực nhỏ hơn 100%, như trong trường hợp áo đường cũ, một vài thanh truyền lực trở nên lỏng lẻo, lúc này phản lực dưới tấm chịu tác dụng tải trọng sẽ lớn hơn 0.5W, trong khi dưới tấm không có tải tác dụng thì nhỏ hơn 0.5W Kết quả là tổng lực cắt trên các thanh truyền lực thì nhỏ hơn 0.5W Do đó, việc sử dụng giá trị 0.5W trong thiết kế thanh truyền lực thì an toàn hơn