NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI TUYẾN TÍNH BURMISTER

MÔ HÌNH CƠ HỌC XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG CÁC LỚP VẬT LIỆU CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY .... ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN HỒNG HẢI

2 TS NGUYỄN MAI LÂN

Đà Nẵng - Năm 2017

thông với đề tài: “ Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến ứng xử cơ học trong kết cấu áo đường mềm theo mô hình đàn hồi tuyến tính Burmister ” được

hoàn thành dưới sự giúp đỡ của Khoa Xây dựng Cầu Đường cùng các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Học viên xin chân thành cảm ơn Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Hồng

Hải, TS Nguyễn Mai Lân đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tận tình cho

học viên trong quá trình thực hiện luận văn Chân thành cảm ơn Ông

Jean-Maurice Balay tác giả phần mềm Alizé-LCPC, đã đồng ý giúp đỡ và cung cấp

phiên bản Alizé-LCPC hỗ trợ cho học viên trong quá trình nghiên cứu

Với thời gian và trình độ còn hạn chế, học viên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình làm luận văn, mong quý thầy cô thông cảm và hướng dẫn thêm

Cuối cùng, học viên xin kính chúc Nhà trường, Khoa Xây dựng Cầu Đường gặt hái được nhiều thành công Kính chúc thầy cô và các bạn sức khỏe, hạnh phúc

và thành đạt

Học viên xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 06 năm

2017 Tác giả luận văn

Nguyễn Xuân Thọ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cần thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 3

3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 3

5 Kết cấu luận văn 3

CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY 4

1.1 YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 4

1.1.1 Yêu cầu chung 4

1.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường 4

1.2 ĐẶC ĐIỂM TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY LÊN MẶT ĐƯỜNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG 5

1.2.1 Tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường mềm 5

1.2.2 Ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến cơ chế làm việc của nền đất và vật liệu áo đường 6

1.2.3 Hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm và nguyên lý tính toán cường độ áo đường mềm 7

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM 9

1.3.1 Phương pháp thực nghiệm (Empirical Method) 9

1.3.2 Phương pháp dựa trên phá hoại cắt giới hạn (Limiting Shear Failure Method) 9

1.3.3 Phương pháp độ võng giới hạn (Limiting Deflection Method) 10

1.3.4 Phương pháp hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ mặt đường hoặc thí nghiệm trên các tuyến đường thực tế 10

1.3.5 Phương pháp cơ học - thực nghiệm (Mechanistic–Empirical Method) 11

1.3.6 Phương pháp thiết kế áo đường mềm theo 22TCN 211-06 [1] 11

1.4 MÔ HÌNH CƠ HỌC XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG CÁC LỚP VẬT LIỆU CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY 12

1.4.1 Mô hình Boussinesq (1958) 13

1.4.2 Mô hình đàn hồi 2 lớp (Hogg) 13

1.4.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính nhiều lớp Burmister (1943) 14

1.4.4 Chi tiết lý thuyết và mô hình tính toán được trình bày ở mục 1.5.Mô hình đàn hách

giữa các lớpác lớp thỏa mãn 15

1.5 ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI TUYẾN TÍNH NHIỀU LỚP BURMISTER 16

1.5.1 Mô hình tính toán và các giả thuyết 17

1.5.2 Cơ sở tính toán 17

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 21

CHƯƠNG 2 PHÂN LOẠI XE VÀ ĐỀ XUẤT TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM 22

2.1 MỞ ĐẦU 22

2.2 PHÂN LOẠI XE VÀ PHƯƠNG PHÁP QUI ĐỔI TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯỜNG VỀ TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM 22

2.2.1 Phân loại xe trên đường 23

2.2.2 Tải trọng trục tính toán và phương pháp qui đổi tải trọng trục về tải trọng tính toán 27

2.3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ PHÂN LOẠI XE THỰC TẾ TẠI VIỆT NAM 30

2.3.1 Theo kết quả khảo sát của tác giả Nguyễn Quang Ân 30

2.3.2 Kết quả khảo sát thực tế tại trạm thu phí Bắc Hải Vân 30

2.4 CẤU HÌNH TRỤC, PHÂN BỐ TẢI TRỌNG TRÊN MỖI TRỤC VÀ CỤM TRỤC CỦA MỖI LOẠI XE THỰC TẾ KHẢO SÁT 39

2.4.1 Đối với xe loại 1b (xe tải nhẹ, xe khách loại nhỏ) 40

2.4.2 Đối với xe loại 1c (xe 2 trục, trục sau bánh đôi) 40

2.4.3 Đối với xe loại 2 41

2.4.4 Đối với xe loại 3 (1S1Tr) 42

2.4.5 Đối với xe loại 4 (3S) 42

2.4.6 Đối với xe loại 5 43

2.4.7 Đối với xe loại 6 44

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 44

CHƯƠNG 3 SỬ DỤNG PHẦN MỀM ALIZÉ-LCPC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM VÀ ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO MẶT ĐƯỜNG DỰ ÁN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI 46

3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ALIZE-LCPC 46

3.2 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG VÀ TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN48 3.2.1 Mô hình và thông số tính toán kết cấu áo đường 48

3.2.2 Tải trọng tính toán 49

3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG 49

3.3.1 Ứng suất - biến dạng trong kết cấu dưới tác dụng của tải trọng tính toán tiêu chuẩn

100kN và 120kN 49

3.3.2 Phân tích ứng suất - biến dạng trong kết cấu dưới tác dụng của các loại xe có cấu hình và tải trọng trục, cụm trục khác nhau theo kết quả khảo sát phân loại xe thực tế tại trạm thu phí Bắc Hải Vân 53

3.4 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỐ LẦN TÁC DỤNG LẶP LẠI CỦA TẢI TRỌNG GÂY PHÁ HOẠI KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG DỰA TRÊN ĐIỀU KIỆN PHÁ HOẠI NỨT MỎI VÀ TÍCH LUỸ BIẾN DẠNG DƯ 62

3.4.1 Theo điều kiện nứt mỏi (Fatigue Cracking) 63

3.4.2 Theo điều kiện tích luỹ biến dạng dư (Permanent Deformation) 66

3.5 HỆ SỐ QUI ĐỔI TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯƠNG VỀ TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TOÁN TIÊU CHUẨN DỰA TRÊN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG VÀ MÔ HÌNH PHÁ HOẠI THỰC NGHIỆM 69

3.6 ỨNG DỤNG ALIZE-LCPC PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TUYẾN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI ĐOẠN KM16+629 - KM16+680 71

3.6.1 Các thông số tính toán 71

3.6.2 Kết quả tính toán theo 22TCN 211-06 72

3.6.3 Kiểm toán khả năng làm việc của kết cấu dựa trên kết quả phân tích ứng suất-biến dạng bằng phần mềm Alizé-LCPC và các mô hình phá hoại 72

3.6.4 Kết luận 72

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Một số dạng cấu tạo kết cấu mặt đường mềm [6] 5

Hình 1 2 Sơ đồ tác dụng của tải trọng bánh xe trên mặt đường 6

Hình 1 3 Hư hỏng mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy 7

Hình 1 4 Phá hoại mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng 7

Hình 1 5 Ảnh hưởng của tải trọng bánh xe đến kết cấu áo đường 9

Hình 1 6 Sơ đồ thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm 11

Hình 1 7 Phân bố ứng suất theo chiều sâu theo Boussinesq 13

Hình 1 8 Mô hình tính toán theo Hogg 14

Hình 1 9 Mô hình Burmister cho hệ nhiều lớp 15

Hình 1 10 Chia bán không gian thành hệ 7 lớp [11] 15

Hình 1 11 Sơ đồ mô hình tính Burmister cho hệ đàn hồi nhiều lớp 17

Hình 2 1.Phân loại xe theo FHWA [9] 23

Hình 2 2 Kết quả khảo sát cân động xác định tải trọng trục trên 1 số tuyến QL [4] 30

Hình 2 3 Phân bố lưu lượng xe theo giờ (loại xe 4, 7 chỗ) 32

Hình 2 4 Quan hệ giữa tổng tải trọng xe và tần suất xuất hiện (loại xe 4, 7 chỗ) 32

Hình 2 5 Phân bố lưu lượng xe theo giờ (xe tải nhẹ, xe khách loại nhỏ) 32

Hình 2 6 Quan hệ giữa tổng tải trọng xe và tần suất xuất hiện (xe tải nhẹ, xe khách loại nhỏ) 33

Hình 2 7 Phân bố lưu lượng xe theo giờ (xe khách loại lớn) 33

Hình 2 8 Quan hệ giữa tổng tải trọng xe và tần suất xuất hiện (xe khách loại lớn) 33

Hình 2 9 Phân bố lưu lượng xe theo giờ (xe tải 3 trục) 34

Hình 2 10 Quan hệ giữa tổng tải trọng xe và tần suất xuất hiện (xe tải 3 trục) 34

Hình 2 11 Phân bố lưu lượng xe theo giờ (xe tải 4 trục: 1 đơn, 1 cụm trục ba) 35

Hình 2 12 Quan hệ giữa tổng tải trọng xe và tần suất xuất hiện (xe tải 4 trục: 1 đơn, 1 cụm trục ba) 35

Hình 2 13 Phân bố lưu lượng xe theo giờ (tổ hợp đầu kéo kéo sơmi rơ moóc 3 trục) 36 Hình 2 14 Quan hệ giữa tổng tải trọng xe và tần suất xuất hiện (tổ hợp đầu kéo kéo sơmi rơmoóc 3 trục đơn) 36

Hình 2 15 Phân bố lưu lượng xe theo giờ (xe tải 3 trục: 1 đơn, 1 cụm trục đôi) 37

Hình 2 16 Quan hệ giữa tổng tải trọng xe và tần suất xuất hiện (xe tải 3 trục: 1 đơn, 1

cụm trục đôi) 37

Hình 2 17 Phân bố lưu lượng xe theo giờ (tổ hợp đầu kéo kéo sơmi rơ moóc 6 trục) 37 Hình 2 18 Quan hệ giữa tổng tải trọng xe và tần suất xuất hiện (tổ hợp đầu kéo kéo sơmi rơ moóc 6 trục) 38

Hình 2 19 Phân bố xe theo giờ 39

Hình 2 20 Tỷ lệ phân bố các loại xe trong dòng xe khảo sát 39

Hình 2 21 Cấu tạo hình dạng và kích thước xe loại 1b 40

Hình 2 22 Cấu tạo hình dạng và kích thước xe loại 1c 41

Hình 2 23 Cấu tạo hình dạng và kích thước xe loại 2 41

Hình 2 24 Cấu tạo hình dạng và kích thước xe loại 3 42

Hình 2 25 Cấu tạo hình dạng và kích thước xe loại 4 42

Hình 2 26 Cấu tạo hình dạng và kích thước xe loại 5 43

Hình 2 27 Cấu tạo hình dạng và kích thước xe loại 6 44

Hình 3 1 Ứng xử cơ học của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng đặc biệt [13] 46

Hình 3 2.Giao diện chính của phần mềm sau khi khởi động 46

Hình 3 3 Module tính toán ngược xác định môđun đàn hồi của các lớp vật liệu dựa trên kết quả đo chảo lún mặt đường bằng thiết bị FWD 47

Hình 3 4 Mô hình tính toán kết cấu mặt đường theo lý thuyết đàn hồi lớp 47

Hình 3 5 Khai báo tải trọng đặc biệt trong tính toán 48

Hình 3 6 Biểu diễn kết quả phân tích dưới dạng 2D hoặc 3D [13] 48

Hình 3 7 Kết cấu áo đường tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi 49

Hình 3 8 Kết quả phân tích ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc = 100kN, T = 30oC 50

Hình 3 9 Biểu đồ độ võng tại bề mặt kết cấu và biến dạng thẳng đứng của móng nền đất (subgrage) tại mặt cắt có toạ độ X=0, trường hợp Ptc= 100kN, T = 30oC 50

Hình 3 10 Kết quả phân tích ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc = 100kN, T = 10oC 51

Hình 3 11 Kết quả phân tích ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc = 100kN, T = 60oC 51

Hình 3 12 Kết quả phân tích ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường dưới

tác dụng của tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc= 120kN, T = 10oC 52

Hình 3 13 Kết quả phân tích ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc= 120kN, T = 30oC 52

Hình 3 14 Biểu đồ độ võng tại bề mặt kết cấu và biến dạng thẳng đứng của móng nền đất (subgrage) tại mặt cắt có toạ độ X=0, trường hợp Ptc=120kN, T = 30oC 52

Hình 3 15 Kết quả phân tích ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng trục tiêu chuẩn Ptc= 120kN, T = 60oC 53

Hình 3 16 Kết quả tính toán ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 1c) 54

Hình 3 17 Phân bố ứng suất và biến dạng theo phương dọc xe (2D), trường hợp xe buýt loại lớn (loại 1c) 54

Hình 3 18 Kết quả tính toán ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 2) 55

Hình 3 19 Phân bố ứng suất và biến dạng theo phương dọc xe (2D), trường hợp xe thân liền 3 trục (loại 2) 56

Hình 3 20 Kết quả tính toán ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 3) 57

Hình 3 21 Phân bố ứng suất và biến dạng theo phương dọc xe (2D), 57

Hình 3 22 Kết quả tính toán ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 4) 58

Hình 3 23 Phân bố ứng suất và biến dạng theo phương dọc xe (2D), trường hợp xe kéo kéo rơ moóc 3 trục (loại 4) 59

Hình 3 24 Kết quả tính toán ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 5) 60

Hình 3 25 Phân bố ứng suất và biến dạng theo phương dọc xe (2D), 60

Hình 3 26 Kết quả tính toán ứng suất-biến dạng (trường hợp xe loại 6, 1S1T1Tr) 61

Hình 3 27 Phân bố ứng suất và biến dạng theo phương dọc xe (2D), trường hợp 62

Hình 3 28 Số lần tác dụng lặp lại của tải trọng gây phá hoại theo điều kiện nứt mỏi cho từng loại xe (theo công thức Viện Asphalt) 65

Hình 3 29 Số lần tác dụng lặp lại của tải trọng gây phá hoại theo điều kiện tích luỹ biến dạng bề mặt lớp subgrade cho từng loại xe (theo công thức Viện Asphalt) 67

Hình 3 30 Tỷ số giữa số lần tác dụng lặp lại cho phép của tải trọng tính toán (Nf_P) với tải trọng trục tiêu chuẩn 120kN (Nf_120) 68

Hình 3 31 Hệ số quy đổi tải trọng trục tương đương về tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn 10 tấn (100kN) 70

Hình 3 32 Hệ số quy đổi tải trọng trục tương đương về tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn 12 tấn (120kN) 70

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Điều kiện biên tại vị trí tiếp xúc giữa các lớp 20

Bảng 2 1 Định nghĩa cho từng loại xe theo FHWA 24

Bảng 2 2 Phân loại và mô tả cấu hình xe theo AUSTROADS 25

Bảng 2 3 Mô tả cấu hình xe theo 22TCN 211-06 (Bảng A-1, phụ lục A) [1] 26

Bảng 2 4 Giới hạn tải trọng trục xe [5] 26

Bảng 2 5 Giới hạn tổng trọng lượng của xe thân liền [5] 26

Bảng 2 6 Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn của một số nước 28

Bảng 2 7 Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn 28

Bảng 2 8 Các trị số a, b, c 30

Bảng 2 9 Phân loại xe theo cấu tạo, cấu hình và kích thước trục 31

Bảng 2 10 Thống kê số liệu đếm xe và ký hiệu phân loại xe trên tuyến Quốc lộ 1A 38 Bảng 2 11 Tỉ lệ phân bố tải trọng trên mỗi trục/ cụm trục cho từng loại xe 40

Bảng 2 12 Thông số cấu tạo và tải trọng tính toán cho loại xe 1b 40

Bảng 2 13 Thông số cấu tạo và tải trọng tính toán cho loại xe 1c 41

Bảng 2 14 Thông số cấu tạo và tải trọng tính toán cho loại xe 2 41

Bảng 2 15 Thông số cấu tạo và tải trọng tính toán cho loại xe 3 42

Bảng 2 16 Thông số cấu tạo và tải trọng tính toán cho loại xe 4 43

Bảng 2 17 Thông số cấu tạo và tải trọng tính toán cho loại xe 5 43

Bảng 2 18 Thông số cấu tạo và tải trọng tính toán cho loại xe 6 44

Bảng 3 1 Đặc trưng tính toán của vật liệu theo 22TCN 211-06 49

Bảng 3 2 Tổng hợp kết quả phân tích ứng suất-biến dạng dưới tác dụng của tải trọng tính toán tiêu chuẩn 100kN 51

Bảng 3 3 Tổng hợp kết quả phân tích ứng suất - biến dạng dưới tác dụng của tải trọng tính toán tiêu chuẩn 120kN 53

Bảng 3 4 Tổng hợp kết quả phân tích ứng suất-biến dạng dưới tác dụng của xe buýt loại lớn (loại 1c) ở điều kiện nhiệt độ 30oC 55

Bảng 3 5 Tổng hợp kết quả phân tích ứng suất-biến dạng dưới tác dụng của xe thân liền 3 trục (loại 2) ở điều kiện nhiệt độ 30oC 56

Bảng 3 6 Tổng hợp kết quả phân tích ứng suất-biến dạng dưới tác dụng của xe thân liền 4 trục (xe loại 3) ở điều kiện nhiệt độ 30oC 57

Bảng 3 7 Tổng hợp kết quả phân tích ứng suất-biến dạng dưới tác dụng của tải trọng

xe kéo kéo sơmi rơ moóc 3 trục (loại 4) ở điều kiện nhiệt độ 30oC 59Bảng 3 8 Tổng hợp kết quả phân tích ứng suất-biến dạng dưới tác dụng của tổ hợp xe đầu kéo kéo sơmi rơ moóc 4 trục (loại 5) ở điều kiện nhiệt độ 30oC 60Bảng 3 9 Tổng hợp kết quả phân tích ứng suất-biến dạng dưới tác dụng của tổ hợp xe kéo kéo sơmi rơmoóc (loại 6) ở điều kiện nhiệt độ 30oC 62Bảng 3 10 Hệ số điều chỉnh C 64Bảng 3 11 Tổng hợp kết quả tính toán theo điều kiện mỏi trong lớp mặt BTN dưới tác dụng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn 100kN và 120kN 64Bảng 3 12 Tổng hợp kết quả tính toán theo điều kiện mỏi cho bê tông nhựa (lớp trên) dưới tác dụng của tải trọng trục, cụm trục khác nhau 64Bảng 3 13 Tổng hợp kết quả tính toán theo điều kiện mỏi cho bê tông nhựa (lớp dưới) dưới tác dụng của tải trọng trục, cụm trục khác nhau 65Bảng 3 14 Tổng hợp kết quả tính toán theo điều kiện tích luỹ biến dạng dư 67Bảng 3 15 Bảng tổng hợp kết quả số lần tác dụng lặp lại cho phép 69Bảng 3 16 Hệ số qui đổi các loại xe có tải trọng trục và cụm trục khác nhau về tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn 10 Tấn (100kN) và 12 Tấn (120kN) 70Bảng 3 17 Lưu lượng xe thiết kế [Phụ lục số 5 - Hồ sơ thiết kế mặt đường cao tốc] 71Bảng 3 18 Hàm lượng hạt trên các cỡ sàng 73

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ

HỌC TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI

TUYẾN TÍNH BURMISTER

Tóm tắt: – Luận văn nghiên cứu ứng xử cơ học (ứng suất, biến dạng) trong các lớp kết

cấu mặt đường mềm dưới tác dụng của các loại xe có cấu tạo và tải trọng trục khác nhau

Dựa trên số liệu điều tra kích thước, cấu hình, tải trọng trục và đặc điểm dòng xe thực

tế tại trạm thu phí Bắc Hải Vân và sử dụng mô hình kết cấu áo đường thiêt kế cho tuyến

cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi, luận văn sử dụng phần mềm thiết kế mặt đường mềm

Alizé-LCPC, được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường Paris (LCPC) và Uỷ ban

nghiên cứu kỹ thuật đường bộ và đường cao tốc Pháp (SETRA), tính toán ứng suất-biến

dạng trong các lớp kết cấu áo đường dưới tác dụng của các tải trọng xe chạy khác nhau

Sử dụng mô hình thực nghiệm phá hoại nứt mỏi và tích lũy biến dạng của Viện Asphalt,

luận văn đã đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đến khả năng làm việc của kết cấu áo

đường thông qua kết quả tính toán xác định số lần tác dụng lặp lại cho phép của mỗi loại

tải trọng xe chạy dẫn đến phá hoại kết cấu áo đường (Nf) Áp dụng kết quả phân tích,

luận văn đã thực hiện tính toán kiểm tra điều kiện chịu lực cho kết cấu áo đường thiết

kế của dự án cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi Kết quả cho thấy khả năng chịu nứt mỏi

của kết cấu không đảm bảo với lưu lượng xe chạy thiết kế

Từ khóa: mặt đường mềm, thiết kế, tải trọng, trục, cụm trục, Alizé - LCPC

THE EFFECT OF TRAFFIC LOADING ON MECHANICAL RESPONSE OF

FLEXIBLE PAVEMENT USING THE LINEAR-ELASTIC MODEL OF

BURMISTER

Abstract: – Dissertate has Research, used software calculation of soft pavement

design Alizé-LCPC, it has developed by the Paris-based Bridge Research Institute

(LCPC) And the French Road and Highway Technical Commission (SETRA) melons

Burmister class elastic theory model, Analysis of mechanical behavior in pavement

layers It has melons Experimental model destroys cracking and accumulates

deformation of Asphalt Institute, dissertate Has determined the effect of the load on the

performance of the pavement structure, evaluate the effect of vehicle load on the change

of stress state, deformation in soft pavement layers

Key words: flexible pavement, design, loading, axle, multi-axle, Alizé - LCPC

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của đề tài

Kết cấu mặt đường ô tô là kết cấu gồm một hoặc nhiều lớp vật liệu khác nhau,

bố trí theo một cấu tạo nhất định bên trên nền đường để đáp ứng các yêu cầu chạy xe,

về cường độ, độ bằng phẳng và độ nhám; đảm bảo xe chạy với vận tốc cao, an toàn,

êm thuận và kinh tế

Quy trình tính toán thiết kế áo đường mềm của nước ta hiện nay [1] dựa theo quy trình của Liên Xô (cũ), lấy trị số độ võng đàn hồi trên mặt kết cấu áo đường mềm làm một trong những tiêu chuẩn khống chế khi tính toán chiều dày kết cấu áo đường Nguyên lý tính toán trên cơ sở 3 tiêu chuẩn trạng thái giới hạn dựa trên lời giải tìm ứng suất và biến dạng của lý thuyết đàn hồi và trên cơ sở các thông số thực nghiệm

và kinh nghiệm Trạng thái giới hạn tính toán được xác định dựa trên 3 điều kiện: độ võng đàn hồi của nền mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy tính toán không vượt quá độ võng đàn hồi cho phép; ứng suất cắt tại mọi điểm trong nền đất dưới áo đường và trong các lớp áo đường do tải trọng xe chạy gây ra không vượt quá trị số ứng suất cắt giới hạn của đất hoặc vật liệu; ứng suất kéo-uốn lớn nhất phát sinh ở đáy

áo đường hoặc ở đáy các lớp vật liệu tầng mặt do tải trọng xe chạy tính toán gây ra không được vượt quá trị số ứng suất kéo-uốn giới hạn cho phép của vật liệu tại các

vị trí đó

Phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm theo tiêu chuẩn 22TCN211-06 đang sử dụng hiện nay đã cho thấy còn tồn tại một số bất cập do đã được ban hành khá lâu, trong khi thực tế đã có nhiều thay đổi về vật liệu, tải trọng, khí hậu Việc đề xuất mô đun đàn hồi thiết kế (Eyc) dựa trên tổng số trục xe tính toán và loại mặt đường (Bảng 3-4,[1]) được sử dụng từ các trị số tham khảo của Liên Xô (cũ) là thiếu thuyết phục trong điều kiện đặc điểm về tải trọng và thành phần xe chạy đã có nhiều thay đổi so với trước đây Các thông số tính toán của vật liệu và nền đất (cụ thể là mô đun đàn hồi) sử dụng thiết kế phần lớn đều được các đơn vị thiết kế sử dụng qua các trị

số tham khảo, thiếu các thí nghiệm đánh giá, được lấy giống nhau mà không xét đến điều kiện về nguồn gốc vật liệu, ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ thực tế trong quá trình khai thác sử dụng cho tuyến đường thiết kế Điều này đã dẫn đến việc xác định trị số mô đun đàn hồi yêu cầu thiết kế khi tổng số tải trọng trục xe tính toán thay đổi rất lớn nhưng vẫn không có nhiều thay đổi Ví dụ đối với loại tầng mặt cấp cao A1, tải trọng trục thiết kế 10 tấn, khi số trục xe tính toán trên một làn xe trong một ngày đêm tăng từ 200 xe lên 500 xe thì trị số mô đun đàn hồi yêu cầu chỉ tăng 18MPa (từ 160MPa lên 178MPa) Trong khi đó, giá trị mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu hoàn toàn có thể điều chỉnh dễ dàng thông qua việc giả định mô đun đàn hồi của nền đất (Eo) Mặt khác, đối với các đường trong đô thị, số lượng xe tính toán rất nhỏ nên trị số mô đun đàn hồi yêu cầu thường được xác định theo cấu tạo, trị số cao hơn so

với thực tế khai thác Thực tế cho thấy, đặc điểm của tải trọng xe trên đường đã có rất nhiều thay đổi về thành phần dòng xe, lưu lượng, tải trọng, tốc độ Kết quả đã dẫn đến nhiều tuyến đường sau khi xây dựng, đưa vào khai thác trong thời gian ngắn đã xảy ra các hư hỏng, kết cấu không đủ khả năng chịu lực; hoặc ngược lại nhiều tuyến đường thực tế chịu tải trọng và lưu lượng xe chạy rất ít, nhưng kết cấu mặt đường vẫn tương tự như kết cấu mặt đường cho các tuyến có lưu lượng xe chạy lớn, gây nên tình trạng lãng phí, không phát huy hết khả năng làm việc của kết cấu

Để phát huy hiệu quả làm việc của các lớp vật liệu mặt đường, tiêu chuẩn thiết

kế kết cấu áo đường của nhiều nước trên thế giới (Mỹ, Pháp) đang tiếp cận theo mô hình tính toán cơ học-thực nghiệm Theo cách tiếp cận này, đầu tiên trạng thái ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu của kết cấu áo đường được xác định bằng mô hình cơ học thông qua lời giải hệ đàn hồi nhiều lớp, sau đó so sánh với trị số giới hạn (ứng suất và biến dạng cho phép) được xác định dựa trên các mô hình thực nghiệm trên cơ sở các hư hỏng mặt đường như nứt mỏi, hằn lún, độ bằng phẳng

Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến ứng xử cơ học trong kết cấu áo đường mềm theo mô hình đàn hồi tuyến tính Burmister” nhằm

phân tích, làm rõ ứng xử cơ học của các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, từng bước tiếp cận với các lý thuyết và phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm hiện đại, đã và đang được áp dụng hiện nay ở nhiều nước trên thế giới

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu ứng xử cơ học (ứng suất, biến dạng) trong các lớp kết cấu áo đường mềm trong các trường hợp chịu ảnh hưởng của tải trọng xe chạy khác nhau (độ lớn,

số cụm trục) theo mô hình đàn hồi tuyến tính của Burmister

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán các đặc trưng ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu kết cấu áo đường mềm theo lý thuyết đàn hồi tuyến tính nhiều lớp của Burmister

Nghiên cứu sử dụng phần mềm tính toán Alizé được phát triển bởi Viện nghiên cứu cầu đường Pháp (IFSTTAR, tên cũ LCPC) để phân tích ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu áo đường

Điều tra đặc trưng tải trọng xe trên một số tuyến quốc lộ đang khai thác, làm cơ

sở lựa chọn các thông số tính toán

Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến phân bố ứng suất – biến dạng trong các lớp kết cấu áo đường mềm, làm cơ sở cho việc đề xuất các trị số giới hạn sử dụng trong thiết kế kết cấu áo đường theo phương pháp cơ học-thực nghiệm Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến sự thay đổi trạng thái

ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu áo đường mềm dựa trên kết quả phân tích bằng phần mềm Alizé

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu phân bố ứng suất, biến dạng trong kết cấu mặt đường mềm nhiều lớp chịu tác dụng của tải trọng bánh xe có áp lực phân bố đều trên diện tích vệt bánh

xe có dạng hình tròn

Trạng thái ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu được xác định theo mô hình đàn hồi tuyến tính của Burmister bằng phần mềm phân tích Alizé được phát triển bởi Trung tâm thí nghiệm cầu đường Pháp (LCPC)

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Tải trọng xe chạy trên đường được giả định là tải trọng tĩnh

Áp lực bánh xe nghiên cứu lớn hơn 0,6Mpa

Kết cấu áo đường gồm 2 đến 3 lớp, được xem là hệ biến dạng tuyến tính, mỗi lớp vật liệu có trị số mô đun đàn hồi Ei và hệ số Poisson i

4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tính toán Phương pháp khảo sát, thu thập thông tin từ số liệu cân tải trọng xe để lựa chọn, đề xuất tải trọng phân tích Phương pháp so sánh giữa lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN211-06 [1] và phương pháp tiếp cận của luận văn

5 Kết cấu luận văn

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY 1.1 YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG

1.1.1 Yêu cầu chung

Trong suốt thời hạn thiết kế áo đường phải có đủ cường độ và duy trì được cường

độ để hạn chế được tối đa các trường hợp phá hoại của xe cộ và của các yếu tố môi trường tự nhiên (sự thay đổi thời tiết, khí hậu; sự xâm nhập của các nguồn ẩm…) Cụ thể là hạn chế được các hiện tượng tích lũy biến dạng dẫn đến tạo vệt hằn bánh xe trên mặt đường, hạn chế phát sinh hiện tượng nứt nẻ, hạn chế bào mòn và bong tróc

bề mặt, hạn chế được các nguồn ẩm xâm nhập vào các lớp kết cấu và phần trên của nền đường trong phạm vi khu vực tác dụng, hoặc phải đảm bảo lượng nước xâm nhập vào được thoát ra một cách nhanh nhất

Bề mặt kết cấu áo đường mềm phải đảm bảo bằng phẳng, đủ nhám, dễ thoát nước mặt và ít gây bụi để đáp ứng yêu cầu giao thông an toàn, êm thuận, kinh tế, giảm thiểu tác dụng xấu đến môi trường hai bên đường Tuỳ theo quy mô giao thông và tốc độ xe chạy cần thiết, tuỳ theo ý nghĩa và cấp hạng kỹ thuật của đường, kết cấu áo đường thiết kế cần thoả mãn hai yêu cầu cơ bản nêu trên ở những mức độ tương ứng khác nhau Về cường độ, mức độ yêu cầu khác nhau được thể hiện trong thiết kế thông qua mức độ dự trữ cường độ khác nhau Mức độ dự trữ cường độ càng cao thì khả năng bảo đảm kết cấu áo đường mềm làm việc ở trạng thái đàn hồi khiến cho chất lượng sử dụng trong khai thác vận doanh sẽ càng cao, thời hạn sử dụng càng lâu bền và chi phí cho duy tu, sửa chữa định kỳ càng giảm Chất lượng bề mặt áo đường mềm càng tốt thì chi phí vận doanh sẽ càng giảm và thời hạn định kỳ sửa chữa vừa trong quá trình khai thác sẽ được tăng lên

1.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường

Kết cấu áo đường mềm là kết cấu gồm nhiều lớp vật liệu phù hợp với chức năng làm việc của mỗi lớp bao gồm: Lớp mặt bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có

xử lý nhựa như bê tông nhựa, đá dăm trộn nhựa, thấm nhập nhựa, láng nhựa, cấp phối

đá dăm, cấp phối cuội sỏi gia cố hoặc không gia cố bi tum, xi măng, vôi, các phế phẩm công nghiệp như xỉ lò cao, xỉ than v.v…; lớp nền đất đáy móng áo đường Quá trình thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường cần lưu ý tuân theo nguyên tắc thiết

kế tổng thể nền áo đường, tức là trong mọi trường hợp phải chú trọng các biện pháp nâng cao cường độ và sự ổn định cường độ của khu vực tác dụng của nền đường, tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực cùng với áo đường đến mức tối đa, từ đó giảm được bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng Đồng thời, còn phải sử dụng các biện pháp tổng hợp khác nhau (biện pháp sử dụng vật liệu và tổ hợp các thành phần vật liệu, biện pháp thoát nước cho các lớp có khả năng bị nước xâm nhập) để hạn chế

tác dụng của các nguồn ẩm và nhiệt đến cường độ và độ bền của mỗi tầng, lớp trong kết cấu áo đường, đặc biệt là biện pháp hạn chế các hiện tượng phá hoại bề mặt đối với lớp mặt trên cùng do xe chạy gây ra

Hình 1.1 giới thiệu một số dạng kết cấu mặt đường mềm điển hình được sử dụng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới [6]

a) Kết cấu truyền thống b) Kết cấu cường độ cao c) Kết cấu chỉ sử dụng nhựa

Hình 1 1 Một số dạng cấu tạo kết cấu mặt đường mềm [6]

1.2 ĐẶC ĐIỂM TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY LÊN MẶT ĐƯỜNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG

1.2.1 Tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường mềm

Tác dụng của tải trọng xe chạy lên kết cấu nền mặt đường thông qua tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường (Hình 1.2) Tải trọng tác dụng lên mặt đường là tải trọng động, tức thời và có tính chất trùng phục Độ lớn của tải trọng tác dụng lên mặt đường phụ thuộc vào tải trọng trục xe, diện tích tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, cấu tạo hình dạng và kích thước lốp xe

Hình 1 2 Sơ đồ tác dụng của tải trọng bánh xe trên mặt đường

Áp lực đơn vị trên mặt tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường có quan hệ với tải trọng bánh xe, độ cứng của lốp và áp lực không khí trong bánh xe (thường dao động trong khoảng từ 0,4 – 0,7MPa) Do độ cứng của lốp không đồng nhất nên phân bố áp lực của bánh xe trên mặt tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường không đều và cũng không hoàn toàn bằng áp lực hơi trong bánh xe Khi thiết kế mặt đường thường xem

áp lực hơi trong bánh xe làm áp lực tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường

Tải trọng tiêu chuẩn trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường giữa các nước không hoàn toàn như nhau Đại bộ phận các nước qui định tải trọng trục tiêu chuẩn tính toán

là 100kN, cũng có nước qui định tải trọng tính toán là 130kN (Pháp) Anh và Mỹ sử dụng tải trọng tính toán là 80kN (18kips) Qui trình Trung Quốc chọn nhóm trục đơn hai bánh 60 kN và 100 kN (xe BZZ60 và BZZ100) làm tải trọng trục tiêu chuẩn Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm của nước ta hiện nay sử dụng tải trọng trục thiết kế tiêu chuẩn 100kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, đường ô tô các cấp trên mạng lưới chung, đường đô thị cấp khu vực trở xuống; 120kN đối với đường trục chính đô thị, một số đường cao tốc, đường có nhiều xe nặng lưu thông và

Ngoài ra, do đất và các lớp vật liệu mặt đường có tính đàn hồi nhớt hoặc đàn hồi nhớt-dẻo nên dưới tác dụng của tải trọng động, trùng phục sẽ làm cho kết cấu mặt đường và các lớp vật liệu phát sinh hiện tượng mỏi và tích luỹ biến dạng dư.

Hình 1.3 giới thiệu một số dạng hư hỏng điển hình của mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng xe chạy như nứt mỏi trong lớp mặt bê tông nhựa, biến dạng không phục hồi tại vị trí tác dụng lặp lại của bánh xe (lún vệt bánh xe)

Hình 1 3 Hư hỏng mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy

1.2.3 Hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm và nguyên lý tính toán cường

độ áo đường mềm

Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe, ngay dưới mặt tiếp xúc của bánh xe với lớp mặt của kết cấu áo đường sẽ bị nén, xung quanh phạm vị tiếp xúc phát sinh ứng suất cắt Trên mặt đường cong xung quanh chỗ tiếp xúc các đường nứt hướng tâm, vật liệu thường được đẩy trồi lên, mặt đường thường bị nứt vỡ trên bề mặt Tại vị trí đáy kết cấu áo đường, ngay bên dưới bánh xe sẽ bị nứt do ứng xuất kéo (Hình 1.4)

a) Theo phương ngang b) Theo phương dọc

Hình 1 4 Phá hoại mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng

Để đảm bảo không xảy ra các hiện tượng phá hoại trong kết cấu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm Việt Nam [1] qui định các điều kiện về cường độ cần thoả mãn đối với kết cấu áo đường mềm như sau:

- Điều kiện về biến dạng (lún): độ võng đàn hồi (hay biến dạng thẳng đứng) của nền mặt đường dưới tác dụng tải trọng xe chạy tính toán phải nhỏ hơn trị số biến dạng (lún) thẳng đứng cho phép

Kku - hệ số cường độ về trạng thái kéo uốn

ku - ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy bê tông nhựa hoặc lớp vật liệu toàn khối do tải trọng gây ra

Rku - Ứng suất kéo uốn giới hạn (cho phép) của vật liệu

- Điều kiện trượt giữa các lớp vật liệu: ứng suất gây trượt tại mọi điểm trong nền đất và các lớp vật liệu rời rạc do tải trọng xe chạy và các lớp vật liệu nằm trên lớp vật liệu tính toán gây ra phải nhỏ hơn ứng suất cắt giới hạn

Ktr  ≤ cp

Trong đó:

 - ứng suất cắt tại mọi điểm trong nền đất dưới kết cấu áo đường và trong kết cấu áo đường do tải trọng xe chạy và các lớp vật liệu nằm trên lớp vật liệu tính toán gây ra

cp - ứng suất cắt giới hạn của lớp vật liệu tính toán

Ktr - hệ số dự trữ cường độ về trạng thái giới hạn trượt

Để đảm bảo điều kiện làm việc của kết cấu áo đường không phát sinh hiện tượng nứt và tích luỹ biến dạng dư quá lớn, tiêu chuẩn thiết kế áo đường của các nước (Viện Asphalt, tiêu chuẩn thiết kế mặt đường của Pháp NF P98-086, AUSTROADS, Phương pháp cơ học thực nghiệm MPEDG) thường qui định trị số biến dạng tại đáy lớp mặt bê tông nhựa (điều kiện nứt mỏi) và biến dạng thẳng đứng (biến dạng không phục hồi) tại bề mặt móng nền đất như Hình 1.5

Hình 1 5 Ảnh hưởng của tải trọng bánh xe đến kết cấu áo đường

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM

Theo Huang [11], có thể chia phương pháp thiết kế mặt đường mềm thành 5 nhóm:

- Phương pháp thực nghiệm có hoặc không có xét đến sức chống cắt của nền đất;

- Phương pháp dựa trên phá hoại giới hạn cắt;

- Phương pháp độ võng giới hạn;

- Phương pháp hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ mặt đường hoặc thí nghiệm trên các tuyến đường thực tế;

- Phương pháp cơ học-thực nghiệm

1.3.1 Phương pháp thực nghiệm (Empirical Method)

Phương pháp thực nghiệm không cần kiểm tra cường độ của nền đất được hình thành dựa trên hệ thống phân loại đất trong xây dựng đường giao thông (Hogentogler and Terzaghi, 1929), trong đó lớp móng được phân loại là đồng nhất từ A-1 đến A-8

và không đồng nhất từ B-1 đến B-3 Hệ thống phân loại đất này sau đó đã được sửa đổi bởi Ủy ban Nghiên cứu Đường cao tốc (HRB, 1945), trong đó đất được nhóm từ A-1 đến A-7 và bổ sung chỉ số nhóm (GI) để phân biệt mỗi nhóm Steele (1945) đã

áp dụng phân loại đất theo HRB và chỉ số nhóm để ước tính chiều dày của lớp móng dưới và toàn bộ kết cấu mặt đường mà không cần kiểm tra cường độ

Phương pháp thực nghiệm có thí nghiệm xác định sức chống cắt của nền đất lần đầu tiên được sử dụng tại bang California (Hoa Kỳ) vào năm 1929, trong đó chiều dày của kết cấu mặt đường được xác định dựa trên hệ số sức chịu tải CBR Phương pháp thiết kế dựa trên sức chịu tải CBR được Quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ II và trở thành một phương pháp được sử dụng rất phổ biến sau chiến tranh

Nhược điểm của phương pháp thực nghiệm là chỉ có thể áp dụng cho một điều kiện nhất định về môi trường, vật liệu và tải trọng Nếu các điều kiện này bị thay đổi, thiết kế không còn phù hợp

1.3.2 Phương pháp dựa trên phá hoại cắt giới hạn (Limiting Shear Failure Method)

Phương pháp được sử dụng để xác định chiều dày kết cấu để đảm bảo không xảy

ra phá hoại cắt trong kết cấu mặt đường Các đặc trưng chính của các lớp vật liệu và đất nền được xem xét là lực dính c và góc ma sát trong  Barber (1946) đã áp dụng công thức sức chịu tải của Terzaghi để xác định chiều dày kết cấu mặt đường Yoder (1959) xuất bản tài liệu “Principles of Pavement Design" giới thiệu về phương pháp thiết kế này, tuy nhiên sau đó phương pháp không được phát triển Nguyên nhân do tốc độ và lưu lượng giao thông ngày càng tăng nhanh nên kết cấu mặt đường cần được thiết kế sao cho đáp ứng các yêu cầu tiện nghi, êm thuận hơn là chỉ để tránh phá hoại

1.3.3 Phương pháp độ võng giới hạn (Limiting Deflection Method)

Phương pháp thiết kế dựa trên độ võng giới hạn được sử dụng để xác định chiều dày của kết cấu áo đường sao cho độ võng (biến dạng) của kết cấu áo đường không vượt quá giới hạn cho phép Ủy ban đường cao tốc của tiểu bang Kansas, Hoa Kỳ (1947) đã điều chỉnh phương trình Boussinesq (1885) và giới hạn trị số độ võng của đất nền là 2.54mm (0.1 inch) Sau đó Hải quân Hoa Kỳ (U.S Navy, 1953) áp dụng

lý thuyết đàn hồi 2 lớp của Burmister (1943) và đề xuất giới hạn độ võng ở bề mặt kết cấu áo đường xuống còn 6,35 mm (0,25 inch) Việc sử dụng độ võng như một điều kiện thiết kế có ưu điểm là có thể dễ dàng đo đạt được tại hiện trường Tuy nhiên, điều này không hoàn toàn phản ánh đúng thực tế vì áo đường hư hỏng là do ứng suất

và biến dạng vượt quá trị số cho phép thay vì độ võng

1.3.4 Phương pháp hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ mặt đường hoặc thí nghiệm trên các tuyến đường thực tế

Đây là phương pháp thiết kế được xây dựng thông qua các phương trình hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ của mặt đường hay thông qua các thí nghiệm trên các mặt đường thực tế Một trong các phương pháp sử dụng phương trình hồi quy để thiết

kế mặt đường là phương pháp thực nghiệm AASHTO, dựa trên kết quả thực nghiệm trên đường Nhược điểm lớn của phương pháp là các phương trình thiết kế chỉ có thể được áp dụng cho các tuyến đường cùng nằm trong khu vực có điều kiện tương tự với các tuyến thử nghiệm Đối với các điều kiện khác, các phương trình thiết kế được xây dựng cần có các sửa đổi cho phù hợp dựa trên lý thuyết hoặc kinh nghiệm Phương trình hồi quy cũng có thể được phát triển từ việc khai thác của các áo đường hiện tại

Không giống như mặt đường của các tuyến đường thử nghiệm, các vật liệu và quá trình thi công xây dựng các lớp mặt đường thực tế thường không được kiểm soát tốt, do đó sẽ có nhiều sai khác so với mặt đường chuẩn áp dụng trong thử nghiệm Vì vậy, mặc dù các phương trình này có thể minh họa ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến đặc trưng cường độ của kết cấu áo đường, nhưng khả năng áp dụng trong

thiết kế cũng bị hạn chế do nhiều yếu tố không phù hợp vẫn được đưa vào tính toán nên kết quả không đảm bảo độ tin cậy cao

1.3.5 Phương pháp cơ học - thực nghiệm (Mechanistic–Empirical Method)

Nguyên lý tính toán cường độ áo đường mềm theo mô hình cơ học-thực nghiệm được dựa trên trạng thái ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu của kết cấu áo đường được xác định bằng mô hình cơ học thông qua lời giải hệ đàn hồi nhiều lớp, sau đó so sánh với trị số giới hạn (ứng suất và biến dạng cho phép) được xác định dựa trên các mô hình thực nghiệm trên cơ sở các hư hỏng mặt đường (nứt mỏi, hằn lún, độ bằng phẳng) dưới tác dụng của tải trọng xe chạy

Theo phương pháp này, số liệu đầu vào là yếu tố cơ học của vật liệu, có liên quan đến tải trọng xe chạy, yếu tố khí hậu thời tiêt và số liệu đầu ra là ứng suất, biến dạng (xem Hình 1.6) Kerkhoven và Dormon (1953) đầu tiên đề xuất sử dụng trị số biến

dạng nén thẳng đứng (vertical compressive strain) trên bề mặt của móng nền đất

(subgrade) như là điều kiện giới hạn nhằm hạn chế biến dạng dư của kết cấu mặt đường Saal và Pell (1960) đề nghị sử dụng biến dạng kéo theo phương ngang

(horizontal tensile strain) ở đáy của lớp bê tông nhựa để hạn chế hiện tượng nứt mỏi

Hai điều kiện này đã được chấp nhận bởi tập đoàn Shell và Viện Asphalt sử dụng trong các phương pháp thiết kế cơ học-thực nghiệm Ưu điểm của phương pháp cơ học là cải thiện độ tin cậy của thiết kế, có khả năng miêu tả, dự đoán các dạng hư hỏng, đồng thời có thể ngoại suy khi các dữ liệu thí nghiệm hiện trường và trong phòng thí nghiệm bị hạn chế

Hình 1 6 Sơ đồ thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm

1.3.6 Phương pháp thiết kế áo đường mềm theo 22TCN 211-06 [1]

Nguyên lý tính toán áo đường mềm của nước ta hiện nay [1] tính toán trên cơ

sở 3 tiêu chuẩn trạng thái giới hạn dựa trên lời giải tìm ứng suất và biến dạng của lý thuyết đàn hồi và trên cơ sở các thông số thực nghiệm và kinh nghiệm Trạng thái giới hạn tính toán được xác định dựa trên 3 điều kiện: độ võng đàn hồi của nền mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy tính toán không vượt quá độ võng đàn hồi cho phép; ứng suất cắt tại mọi điểm trong nền đất dưới áo đường và trong các lớp áo đường do tải trọng xe chạy gây ra không vượt quá trị số ứng suất cắt giới hạn của đất

hoặc vật liệu; ứng suất kéo-uốn lớn nhất phát sinh ở đáy áo đường hoặc ở đáy các lớp vật liệu tầng mặt do tải trọng xe chạy tính toán gây ra không được vượt quá trị số ứng suất kéo-uốn giới hạn cho phép của vật liệu tại các vị trí đó

1.3.6.1 Theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi:

Độ võng đàn hồi của nền mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe gây ra không được vượt quá độ võng đàn hồi cho phép

cd ldh ≤ lgh (1.1)  Ech ≤ Kdv

Trong đó:

ldh - độ võng đàn hồi của nền mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe gây ra;

Lgh - độ võng đàn hồi cho phép ;

Kdvcd - Hệ số cường độ về độ võng, phụ thuộc vào độ tin cậy thiết kế

Eyc - Mô đuyn đàn hồi yêu cầu của kết cấu áo đường, phụ thuộc loại mặt đường

và lưu lượng xe chạy thiết kế

Ech - Mô đuyn đàn hồi chung của kết cấu áo đường

1.3.6.2 Theo tiêu chuẩn ứng suất cắt – trượt:

Ứng xuất cắt tại mọi điểm trong kết cấu áo đường và trong nền đất do tải trọng

xe chạy và tải trọng bản thân các lớp vật liệu gây ra không được vượt quá ứng xuất cắt giới hạn trong nền đất và trong các lớp vật liệu kết cấu áo đường:

Kcdtr (Tax +Tav) ≤ Ctt (1.3) Trong đó:

Tax - ứng suất cắt hoạt động lớn nhất xuất hiện trong nền đất hoặc trong các lớp vật liệu kém dính do tải trọng xe chạy gây ra;

Tav - ứng xuất cắt hoạt động xuất hiện trong nền đất hoặc trong các lớp vật liệu kém dính do trọng lượng bản thân của các lớp vật liệu phía trên gây ra;

Kcdtr - hệ số cường độ về chịu cắt trượt;

Ctt - lực dính tính toán của nền đất hoặc của các lớp vật liệu kém dính ở trạng thái tính toán

1.3.6.3 Theo tiêu chuẩn ứng suất kéo uốn:

Ứng suất kéo uốn xuất hiện ở đáy các lớp vật liệu toàn khối do tải trọng xe chạy gây ra không được vượt quá ứng suất kéo uốn cho phép của các lớp vật liệu

tt - cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu

Kcdku - hệ số cường độ về chịu kéo uốn

1.4 MÔ HÌNH CƠ HỌC XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG CÁC

LỚP VẬT LIỆU CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG

CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY

1.4.1 Mô hình Boussinesq (1958)

Với giả thiết nền đất là bán không gian vô hạn, đàn hồi, đồng nhất và đẳng

hướng Áp lực q do tải trọng của bánh xe tác dụng trên mặt đường sẽ gây nên

ứng suất trong nền đất giảm dần theo chiều sâu (Hình 1.7) Mục đích của việc

thiết kế kết cấu áo đường là xác định chiều dày cần thiết để đảm bảo ứng suất

do tải trọng xe chạy gây ra ở độ sâu thiết kế không vượt quá trị số ứng suất giới

hạn

Hình 1 7 Phân bố ứng suất theo chiều sâu theo Boussinesq

Ứng suất phân bố tại độ sâu z tính từ bề mặt tác dụng của tải trọng được xác định

theo công thức:

(1.5) Trong đó:

qo - áp lực tác dụng của bánh xe trên mặt đường;

a - bán kính tác dụng của bánh xe;

z - độ sâu tính toán

1.4.2 Mô hình đàn hồi 2 lớp (Hogg)

Hogg (1938) tiến hành nghiên cứu phân bố ứng suất biến dạng ở giữa lớp vật liệu

theo các giả thiết mà Boussinesq đã đưa ra (môi trường đàn hồi, đồng nhất và đẳng

hướng, bán không gian xác định) Để xác định ứng suất thẳng đứng và biến dạng

trong hệ đàn hồi 2 lớp, Hogg giả thiết kết cấu mặt đường như một tấm mỏng đặt trên

nền đất và sử dụng các giả thuyết đơn giản hóa của Navier: (1) mặt phẳng trung bình

trùng với trục trung hòa; (2) các mặt cắt ngang vẫn giữ nguyên trạng thái phẳng trong

suốt quá trình biến dạng; (3) bỏ qua ứng suất theo phương ngang

Mô hình Hogg được thể hiện bằng sơ đồ như Hình 1.8

Hình 1 8 Mô hình tính toán theo Hogg

Mô hình Hogg cũng xác định ứng suất theo phương ngang của lớp vật liệu:

(1.6) Trong đó: H - chiều dày lớp vật liệu;

qo - áp lực phân bố đều

E1, E2 – Mô đun đàn hồi của lớp trên và lớp dưới

a – bán kính phạm vi tác phân bố đều của áp lực

ν – Hệ số poisson

1.4.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính nhiều lớp Burmister (1943)

Các mô hình trên đều được tính toán cho hệ hai lớp, không thể áp dụng được cho

các hệ trên ba lớp nên việc tìm ra một mô hình có thể áp dụng tính toán cho nhiều lớp

trở nên cần thiết Burmister (1943) sử dụng giả thuyết xem cả kết cấu là một tấm có

độ dày hữu hạn trên một bán không gian vô hạn hàn hồi Trong mô hình này lớp trên

là một lớp cứng đàn hồi chứ không phải một tấm mỏng đàn hồi Năm 1945, Burmister

mở rộng lý thuyết này cho hệ n lớp và với sự ra đời của máy tính điện tử lý thuyết

này có thể áp dụng cho hệ với số lượng lớp bất kỳ

Để giải bài toán hệ đàn hồi tuyến tính nhiều lớp, Burmister đã sử dụng các giả

- Áp lực do tải trọng xe chạy tác dụng trên bề mặt trên một diện tích hình tròn

- Tại mặt phân cách giữa các lớp, điều kiện liên tục hoặc không liên tục có thể

- Tác dụng của tải trọng phức tạp có thể sử dụng quy tắc cộng tác dụng cho từng trường hợp tải trọng riêng lẻ

Mô hình tính toán cho hệ nhiều lớp Burmister như Hình 1.9

Hình 1 9 Mô hình Burmister cho hệ nhiều lớp

Để xác định ứng suất và chuyển vị trong các lớp, Burmister sử dụng lý thuyết đàn hồi và giả định tải trọng tác dụng đối xứng tại trục đi qua tâm của vệt bánh xe tính toán

1.4.4 Chi tiết lý thuyết và mô hình tính toán được trình bày ở mục 1.5.Mô hình đàn hách giữa các lớpác lớp thỏa mãn

Để nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất không tuyến tính của vật liệu dạng hạt đến trạng thái ứng suất, biến dạng thẳng đứng và độ võng, Huang (1968a) đã chia bán không gian thành bảy lớp như Hình 1.10 và áp dụng lý thuyết lớp Burmister để xác định ứng suất ở giữa mỗi lớp

Hình 1 10 Chia bán không gian thành hệ 7 lớp [11]

Sau khi xác định được các ứng suất, môđun đàn hồi của mỗi lớp được xác định theo công thức:

Trong đó:

E– là mô đun đàn hồi các lớp vật liệu;

q- Áp lực phân bố đều;

a – bán kính phân bố áp lực;

r – Khoảng cách tới đểm tính toán;

E0 - mô đun đàn hồi ban đầu;

  - hằng số, biễu diễn sự gia tăng mô đun đàn hồi trên một đơn vị gia tăng của ứng suất tổng ;

 - ứng suất tổng, được xác định dựa trên 3 ứng suất chính 1, 2, 3;

Ứng suất tổng tại độ sâu z được xác định bao gồm ảnh hưởng của tải trọng táp dụng và áp lực tĩnh của các lớp bên trên, có thể được biểu diễn theo công thức:

 = z + r + t + z(1 + 2K0) (1.9) Trong đó:

 z, r, và t lần lượt là ứng suất theo phương thẳng đứng, phương ngang hướng tâm và theo phương tiếp tuyến tại do tải trọng gây ra;

- khối lượng thể tích của các lớp phía trên lớp tính toán;

z - độ sâu tại điểm tính toán;

K0 - hệ số của áp lực đất ở trạng thái nghỉ

Quá trình giải quyết bài toán được thực hiện theo phương pháp lặp Đầu tiên, giả định trước mô đun đàn hồi cho mỗi lớp và các ứng suất được tính toán bằng lý thuyết lớp Dựa trên các ứng suất thu được, tính toán ứng suất tổng  và một trị số mô đun đàn hồi, cùng với trị số các ứng suất mới sau đó được tính toán Quá trình tính toán được lặp lại cho đến khi môđun giữa hai lần tính toán hội tụ đến trị số sai số cho phép Khi áp dụng lý thuyết lớp cho phân tích phi tuyến, Huang (1968a) cho thấy các ứng suất thẳng đứng không chịu ảnh hưởng nhiều khoảng cách hướng tâm r từ điểm tính toán đến tâm trục tác dụng của tải trọng bánh xe (r = 0 hay r = ), ngược lại biến dạng thẳng đứng chịu ảnh hưởng rất lớn Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn

để phân tích, Huang (1969a) đã kết luận rằng ứng xử phi tuyến của đất có ảnh hưởng lớn đến sự biến dạng thẳng đứng và xuyên tâm, ảnh hưởng vừa phải đối với các ứng suất xuyên tâm và tiếp tuyến và ảnh hưởng rất nhỏ đối với các ứng suất thẳng đứng

và ứng suất cắt Tùy thuộc vào độ sâu của điểm tính toán, các ứng suất thẳng đứng dựa trên lý thuyết phi tuyến có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn các lý thuyết tuyến tính và

ở một độ sâu nhất định, cả hai lý thuyết đều có thể tạo ra những áp lực gần tương tự nhau Điều này có thể giải thích tại sao lý thuyết Boussinesq xác định ứng suất thẳng đứng dựa trên lý thuyết tuyến tính vẫn được áp dụng cho đất với các mức độ thành công nhất định, mặc dù bản thân vật liệu đất có tính chất đàn hồi không tuyến tính

1.5 ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI TUYẾN TÍNH NHIỀU LỚP BURMISTER

1.5.1 Mô hình tính toán và các giả thuyết

Như đã trình bày ở mục 1.4.3 về các giả thiết và mô hình đàn hồi tuyến tính nhiều

lớp Burmister Trong mô hình này, các lớp được xem là vật liệu rắn đàn hồi, đẳng

hướng và đồng nhất Mặt tiếp xúc giữa các lớp có thể có lớp ngăn cách hoặc không

có lớp này (liên tục hoặc không liên tục) Nếu có nhiều loại tải trọng tác dụng khác

nhau (bánh kép, trục đôi, trục ba, xe rơ mooc đầu kéo, hoặc xe có các đoàn dài nối

đuôi) vẫn có thể điều chỉnh đưa vào mô hình tính toán bằng cách áp dụng phương

pháp công tác dụng của mỗi tải trọng đơn vị

1.5.2 Cơ sở tính toán

Trạng thái ứng suất biến dạng của một phần tử trong môi trường liên tục đặt trong

hệ tọa độ trục (Hình 1.11) được xác định bởi các thông số:

- Ứng suất pháp: σr, σθ, σz

- Ứng suất cắt: τθz,τrz, τrθ

- Biến dạng tuyến tính: εr, εθ,εz

- Biến dạng góc: δθz, δrz,δrθ

Hình 1 11 Sơ đồ mô hình tính Burmister cho hệ đàn hồi nhiều lớp

Nếu gọin u, v, w là chuyển vị tương ứng xuyên tâm, thì khi phần tử dịch chuyển

theo phương z, ta có:

(1.11) Nếu bỏ qua ảnh hưởng của trọng lực, điều kiện cân bằng được viết như sau:

(1.12)

u r

(1.13)

(1.14) Trong đó:

d - toán tử đạo hàm riêng phần;

θ - góc lệch theo phương vuông góc với trục Z

Như vậy việc giải quyết một bài toán về tính đàn hồi trong hệ toạ độ trụ đối xứng,

được tối giản xuống để tìm kiếm các nghiệm thông qua toán tử Laplace

19

(1.28)

Đối với hệ n lớp, phương trình (1.25) được giải theo các điều kiên biên (mặt

phân cách trên và dưới của lớp)

Xét trường hợp đối xứng trục, biến ϕ tại lớp thứ i có dạng:

(1.29) Trong đó:

Jo(mr) là hàm xét hệ thống gồm i lớp

Ai,Bi, Ci,Di - hằng số, được xác định từ các điều kiện biên của lớp thứ i

Bằng cách thay thế phương trình (1.29) vào các phương trình (1.25), ta có các

ứng suất và chuyển vị tại lớp thứ i như sau:

- Ứng suất: (hệ 1.30)

- Chuyển vị: (hệ 1.31)

Trong đó: Jn là hàm Bassel

Các điều kiện biên để kiểm tra và xác định các hằng số như sau:

- Tại bề mặt kết cấu: σz =q(r)={q nếu r≤a

0 nếu r>a

- Ở độ sâu vô cùng: An=0 và Bn=0;

- Ở (n-1) mặt tiếp xúc giữa các lớp (xem bảng 1.1)

Điều kiện liên kết tại mặt

phân cách giữa các lớp

Trưởng hợp liên kết tốt

Trường hợp không liên kết tốt

Điều kiện biên

wi-1=wi wi-1=wi

4 điều kiện 4 điều kiện Bảng 1 1 Điều kiện biên tại vị trí tiếp xúc giữa các lớp Điều này tạo ra 4 điều kiện (n-1)

Tổng cộng ta có: 2+2+ 4(n-1) =4n điều kiện

Trong đó: n - số lớp

i - ký hiệu lớp thứ i đang xét

Hệ phương trình (1.30), (1.31) là hàm tuyến tính theo trạng thái ứng suất khi kết

cấu chịu tác dụng của tải trọng c

(1.33)

Sử dụng phép biến đổi Hankel ta có:

(1.34) Cùng với tham số tải trọng:

σri'=a∫ j1(ma)σridm

∞ 0

σθi'=a∫ j1(ma)σθidm

∞ 0

τrzi'=a∫ j1(ma)τrzi dm

∞ 0

ui'=a∫ j1(ma)uidm

∞ 0

wi'=a∫ j1(ma)widm

∞ 0

(Hệ trên sau đây gọi chung là hệ 1.37)

Để giải hệ phương trình (1.37) xác định các ứng suất và chuyển vị tại mọi điểm trong hệ kết cấu nhiều lớp là vấn đề rất phức tạp, đòi hỏi cần có các công cụ và phần mềm tính toán hỗ trợ Một trong các phần mềm đang được sử dụng phổ biến hiện nay tại nhiều nước trên thế giới là bộ phần mềm Alizé, được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường Paris (LCPC, nay đổi tên thành IFSTTAR) [13], đã được tác giả chọn

sử dụng trong luận văn nghiên cứu của mình

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Sự làm việc của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và các yếu tố khí hậu thời tiết là phức tạp, do tính chất đàn hồi phi tuyến của các lớp vật liệu và đặc trưng cường độ tính toán của các vật liệu thay đổi theo trạng thái ứng suất

và điều kiện nhiệt độ môi trường Có nhiều phương pháp thiết kế mặt đường đã được phát triển, trong đó mô hình cơ học - thực nghiệm có thể xem là một phương pháp thiết kế mới đã và đang được nghiên cứu áp dụng ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới

Có nhiều lý thuyết được phát triển để xác định ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu, trong đó lý thuyết đàn hồi lớp Burmister với giả thuyết vật liệu đàn hồi tuyến tính và lý thuyết đàn hồi phi tuyến được phát triển bởi Huang là các lý thuyết đã và đang được sử dụng phổ biến cho các phần mềm tính toán theo phương pháp cơ học - thực nghiệm hiện nay Một trong các phần mềm tính toán theo lý thuyết lớp Burmister

là bộ phần mềm Alizé, được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường Paris (LCPC, nay đổi tên thành IFSTTAR), hiện đang được sử dụng tại Pháp và nhiều nước trên thế giới

Để nghiên cứu ảnh hưởng của đặc trưng tải trọng đến ứng xử cơ học của các lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường mềm và được sự đồng của tác giả phần mềm, luận văn đã sử dụng phần mềm thiết kế kết cấu mặt đường Alizé để phục vụ cho đề tài nghiên cứu

CHƯƠNG 2 PHÂN LOẠI XE VÀ ĐỀ XUẤT TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN

ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

2.1 MỞ ĐẦU

Thành phần, tải trọng xe chạy trên đường, môi trường, vật liệu và phương pháp thiết kế kết cấu áo đường là các yếu tố có ảnh hưởng đến hư hỏng mặt đường theo thời gian, trong đó thành phần, tải trọng xe chạy có vai trò ảnh hưởng quan trọng đến

sự xuống cấp của kết cấu áo đường Tải trọng xe tạo nên các áp lực xuống kết cấu áo đường thông qua các tổ hợp trục, cụm trục khác nhau phụ thuộc từng loại xe Áp lực thay đổi và có độ lớn khác nhau, phụ thuộc vào tải trọng xe, cấu hình trục, cụm trục

và lốp xe (hình dạng, áp lực, kiểu lốp, ) Hướng dẫn thiết kế mặt đường AASHTO

đã chỉ ra phương pháp để chuyển đổi các cấu hình tải trọng khác nhau sang cấu hình trục tiêu chuẩn 18kips sử dụng các thông số tải trọng tương đương (LEFs) Trị số LEFs được xác định dựa trên sự suy giảm hệ số mức độ phục vụ hiện tại của đường (Present Serviceability Index, PSI), được phát triển dựa trên các giới hạn về số loại (kiểu) mặt đường, độ lớn của tải trọng, loại hình tác dụng của tải trọng, đặc điểm môi trường PSI phản ánh đặc trưng cường độ, đặc trưng bề mặt của mặt đường trong quá trình khai thác, nhưng chỉ xét ảnh hưởng sơ bộ của hiện tượng hư hỏng nứt mỏi và biến dạng tích luỹ của mặt đường Với sự phát triển kinh tế xã hội, cùng với thách thức về tăng trưởng kinh tế hiện nay, các loại xe vận chuyển trên đường đã có nhiều thay đổi về kích thước, tải trọng, cấu hình trục, đòi hỏi cần có các nghiên cứu và quan điểm nhìn nhận về ảnh hưởng của đặc điểm tải trọng xe chạy đến các hư hỏng của mặt đường

Hajek và Agarwal (1990) cho rằng cần thiết phải xác định tải trọng tương đương cho các loại xe có cấu hình trục khác nhau khi tính toán kết cấu áo đường, đồng thời xây dựng phương pháp xác định hệ số tải trọng tương đương dựa trên trị số biến dạng giới hạn Các tác giả cũng kết luận rằng, các thông số như độ võng và biến dạng trong các lớp kết cấu áo đường có ảnh hưởng đáng kể đến LEFs, trọng lượng trục và cấu hình trục cũng góp phần làm hư hỏng mặt đường theo các chiều hướng khác nhau Chatti và Lee (2003) nghiên cứu ảnh hưởng của cấu tạo xe và cấu hình trục đến hiện tượng mỏi của mặt đường dựa trên phương pháp tính toán tổng hư hỏng mặt đường Gillespie và cộng sự (1993) đã phân tích ảnh hưởng của các cấu hình trục và xe tải khác nhau đến hư hỏng mặt đường bằng cách xác định các hư hỏng nứt, biến dạng,

độ bằng phẳng của mặt đường, đồng thời đã rút ra kết luận hiện tượng lún vệt bánh

xe (biến dạng dư) của mặt đường chịu ảnh hưởng bởi tổng trọng lượng xe (nghĩa là,

xe càng nặng ảnh hưởng đến lún bánh xe càng nhiều) Tất cả những nghiên cứu này dựa trên các phân tích cơ học vật liệu và tải trọng động do xe tải gây ra

2.2 PHÂN LOẠI XE VÀ PHƯƠNG PHÁP QUI ĐỔI TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯỜNG VỀ TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO

ĐƯỜNG MỀM

2.2.1 Phân loại xe trên đường

2.2.1.1 Theo Hiệp hội quản lý đường cao tốc Hoa Kỳ (FHWA)

Chia làm 13 loại như Hình 2.1 Trong đó định nghĩa mỗi loại xe như Bảng 2.1

Hình 2 1.Phân loại xe theo FHWA [9]

Bảng 2 1 Định nghĩa cho từng loại xe theo FHWAPhân loại xe

1 Xe gắn máy, mô tô

2 Xe con 4 chỗ

3 Xe 2 trục, 4 bánh (xe con 7 chỗ, xe chở khách loại nhỏ <=16 chỗ)

4 Xe Bus

5 Xe tải 2 trục, 6 bánh

6 Xe tải thân liền, 3 trục đơn

7 Xe tải thân liền, 4 hoặc nhiều hơn 4 trục đơn

8 Đầu kéo kéo rơ moóc, 3 hoặc 4 trục

9 Đầu kéo kéo rơ moóc, 5 trục

10 Đầu kéo kéo rơ moóc, 6 hoặc nhiều hơn 6 trục đơn

11 Tổ hợp xe đầu kéo kéo nhiều rơ moóc, 5 trục hoặc ít hơn 5 trục

12 Tổ hợp xe đầu kéo kéo nhiều rơ moóc, 6 trục

13 Tổ hợp xe đầu kéo kéo nhiều rơ moóc, 7 hoặc nhiều hơn 7 trục

2.2.1.2 Theo tiêu chuẩn Australia (AUSTROADS)

Chia làm 4 nhóm, 12 loại dựa trên 3 thông số: chiều dài xe, cấu tạo số trục, cụm trục và hình dạng xe (Bảng 2.2), cụ thể như sau:

- Xe con, tải nhẹ (Loại 1, 2): thân liền 2 trục, chiều dài tối đa 5,5m;

- Xe Bus, xe tải trung (Loại 3 đến 5); xe thân liền từ 2- 4 trục, chiều dài từ 5,5 – 14,5m;

- Xe Bus, xe tải hạng nặng (Loại 6 đến 9): xe khách thân liền và xe đầu kéo kéo

rơ moóc từ 3- 6 trục, chiều dài từ 11,5 – 19m;

- Xe tải nặng (Loại 10 đến 12): xe đầu kéo kéo rơ moóc nhiều hơn 7 trục, chiều dài từ 17,5 – 36,5m; Riêng xe loại 12, chiều dài lớn hơn 33m

Bảng 2 2 Phân loại và mô tả cấu hình xe theo AUSTROADS

2.2.1.3 Theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06

- Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm 22 TCN 211-06 [1] hướng dẫn tham khảo phân loại xe và cấu hình trục sử dụng trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường như (Bảng 2.3), gồm 3 loại: xe con, xe buýt và xe tải Trong đó xe buýt được chia thành 2 loại: lớn và nhỏ; xe tải được chia làm 4 loại: tải nhẹ, tải vừa, tải nặng 2 trục,

và tải nặng 3 trục (1 đơn, 1 đôi)

Bảng 2 3 Mô tả cấu hình xe theo 22TCN 211-06 (Bảng A-1, phụ lục A) [1]

Loại xe

Trọng lượng trục Pi

(kN)

Số trục sau

Số bánh của mỗi cụm bánh

ở trục sau

Khoảng cách giữa các trục sau (m) Trục trước Trục sau

45,2 95,8

1

1

Cụm bánh đôi Cụm bánh đôi

56,0 69,6

100

90 73,2

xe đối với xe thân liền như Bảng 2.5

Bảng 2 4 Giới hạn tải trọng trục xe [5]

Cấu hình trục Trục

đơn

Cụm trục kép Cụm trục ba Khoảng cách giữa 2 tâm trục

liền kề, d (m)

Khoảng cách giữa 2 tâm trục liền kề, d (m)

< 1,0 1,0d<1,3 d 1,3 d 1,3 d > 1,3 Giới hạn tải trọng

trục/ cụm trục xe

 10 tấn (100kN)

 11 tấn (108kN)

 16 tấn (157kN)

 18 tấn (177kN)

 21 tấn (206kN)

 24 tấn (235kN) Bảng 2 5 Giới hạn tổng trọng lượng của xe thân liền [5]

Cấu hình trục, cụm trục Thân liền, có tổng số trục

2 trục 3 trục 4 trục  5 trục(1)  5 trục(2)Tổng trọng lượng cho phép (Tấn)  16  24  30  32  34 Ghi chú: - (1) khi khoảng cách từ trục đầu tiên đến trục cuối cùng  7,0m

- (2) khi khoảng cách từ trục đầu tiên đến trục cuối cùng > 7,0m

Trường hợp xe đầu kéo kéo sơ mi rơ moóc, giới hạn tổng trọng lượng của xe được qui định như sau:

a) Đối với tổ hợp xe đầu kéo kéo sơmi rơ moóc có tổng số trục:

- Bằng ba, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 26 tấn;

- Bằng bốn, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 34 tấn;

- Bằng năm và khoảng cách từ tâm chốt kéo đến tâm trục bánh đầu tiên của sơmi

rơ moóc:

+ Từ 3,2 mét đến 4,5 mét, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 38 tấn;

+ Lớn hơn 4,5 mét, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 42 tấn

- Bằng sáu hoặc lớn hơn và khoảng cách từ tâm chốt kéo đến tâm trục bánh đầu tiên của sơmi rơ moóc:

+ Từ 3,2 mét đến 4,5 mét, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 40 tấn; trường hợp chở một container, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 42 tấn;

+ Lớn hơn 4,5 mét đến 6,5 mét, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 44 tấn;

+ Lớn hơn 6,5 mét, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 48 tấn

b) Đối với tổ hợp xe thân liền kéo rơ moóc: tổng trọng lượng của tổ hợp xe gồm tổng trọng lượng của xe thân liền (tương ứng với tổng trọng lượng của xe được quy định tại khoản 1 Điều này) và tổng tải trọng các trục xe của rơ moóc được kéo theo (tương ứng với tải trọng trục xe được quy định tại Điều 16), cụ thể như sau:

- Trường hợp xe thân liền kéo rơ moóc một cụm trục với khoảng cách tính từ tâm

lỗ chốt kéo của thanh kéo đến điểm giữa của cụm trục của rơ moóc đo trên mặt phẳng nằm ngang của thanh kéo lớn hơn hoặc bằng 3,7 mét, tổng trọng lượng của tổ hợp

xe < 45 tấn;

- Trường hợp xe thân liền kéo rơ moóc nhiều cụm trục với khoảng cách tính từ tâm lỗ chốt kéo của thanh kéo đến tâm trục trước hoặc điểm giữa của cụm trục trước của rơ moóc đo theo mặt phẳng nằm ngang của thanh kéo lớn hơn hoặc bằng 3,0 mét, tổng trọng lượng của tổ hợp xe < 45 tấn

Nhận xét: việc phân loại xe để tính kết cấu áo đường mềm theo 22TCN 211-06 [1] đơn giản và ít loại hơn so với tiêu chuẩn các nước (FHWA và AUSTROADS), đặc biệt là nhóm xe tải; đồng thời chưa phản ánh đúng và đầy đủ các loại xe ngoài thực tế hiện nay

2.2.2 Tải trọng trục tính toán và phương pháp qui đổi tải trọng trục về tải trọng tính toán

2.2.2.1 Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

a) Theo tiêu chuẩn các nước:

- Theo tiêu chuẩn của Mỹ (ASSHTO 1993, 1998), Pháp (LCPC), Ấn Độ (IRC:

37 – 2001) tính toán cường độ kết cấu áo đường mềm theo mô hình cơ học thực nghiệm Kiểm toán số lần tác dụng phá hoại của cả kết cấu dựa trên tải trọng trục tiêu