Nghiên cứu, phân tích và đánh giá một số phương pháp tính toán thiết kế áo đường mềm để xây dựng đường ô tô

PHỤ LỤC1 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, ðỐI CHIẾU GIÁ TRỊ ECH THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU PHỤ LỤC2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, ðỐI CHIẾU GIÁ TRỊ ECH THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU CỦA HỆ BA LỚP Trang19-34

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA

CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG KHÁC TRÊN

ðƯỜNG ÔTÔ VÀ ðƯỜNG SẮT

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP HỒ CHÍ MINH THÁNG 10-2006

PHÒNG ðÀO TẠO SðH ðộc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: CẦU TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH KHÁC TRÊN ðƯỜNG ÔTÔ VÀ ðƯỜNG SẮT

Nghiên cứu, phân tích ñánh giá một số phương pháp tính toán thiết kế áo ñường mềm ñể xây

dưng ñường ôtô

1 NHIỆM VỤ:

Nghiên cứu, phân tích ñánh giá một số phương pháp tính toán kết cấu áo ñường mềm

ñã, ñang và sẽ ñược áp dụng ở Việt Nam và nước ngoài Kết quả ñánh giá các phương pháp

ñể xác ñịnh mức ñộ tin cậy của các quy trình khi áp dụng ở Việt Nam

2 NỘI DUNG:

Chương 1:Mở ñầu Chương 2: Một số phương pháp thiết kế áo ñường mềm hiện nay

Chương 3:ðối chiếu các kết quả tính toán của các quy trình với lời giải chính xác của Kogan và D Burmister

Chương 4: Phân tích các kết quả tính toán kết cấu áo ñường mềmtheo các phương pháp khác nhau

Chương 5: Nhận xét - kiến nghị

Phụ lục Tài liệu tham khảo

Nội dung và ñề cương Luận văn thạc sỹ ñã ñược thông qua Hội ñồng chuyên ngành

Ngày……tháng…….năm 2006

CHƯƠNG 1 MỞ ðẦU

ðẶT VẤN ðỀ PHƯƠNG HƯỚNG GIẢI QUYẾT CỦA ðỀ TÀI QUY MÔ CỦA LUẬN VĂN

Trang1-3

ðƯỜNG MỀM HIỆN NAY 2.1 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ

ÁO ðƯỜNG 2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ðƯỜNG MỀM ðƯỢC ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM & CÁC NƯỚC

2.2.1 Phương pháp tính của Việt Nam 2.2.1.1 Tiêu chuẩn 22TCN211-93 2.2.1.2 Tiêu chuẩn 22TCN2274-01 2.2.2 Phương pháp của Nga

2.2.3 Phương pháp tính toán của Trung Quốc 2.3 PHÂN TÍCH ƯU KHUYẾT ðIỂM CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÊN

Trang4-30

CÁC QUY TRÌNH VỚI LỜI GIẢI CHÍNH XÁC CỦA B.I.KOGAN VÀ D.BURMISTER

3.1 XÁC ðỊNH MOðUN ðÀN HỒI THEO CÁC QUY TRÌNH

3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ðỐI CHIẾU

SO SÁNH 3.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ðỐI CHIẾU SO SÁNH 3.3.1 Hệ hai lớp

3.3.2 Hệ nhiều lớp 3.3.3 Nhận xét chung

Trang31-60

ÁO ðƯỜNG THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU

4.1 XÁC ðỊNH CÁC THÔNG ÁP DỤNG CHO THIẾT KẾ

4.2 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

4.3 PHÂN TÍCH SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT ðỐI CHIẾU

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ

5.1 KẾT LUẬN 5.2 KIẾN NGHỊ 5.3 HẠN CHẾ CỦA ðỀ TÀI 5.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ðỀ TÀI

Trang72-75

PHỤ LỤC1 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, ðỐI CHIẾU GIÁ TRỊ

ECH THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU

PHỤ LỤC2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, ðỐI CHIẾU GIÁ TRỊ

ECH THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU CỦA HỆ BA LỚP

Trang19-34

PHỤ LỤC3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, ðỐI CHIẾU GIÁ TRỊ

ECH THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC NHAU CỦA HỆ NHIỀU LỚP

Trang35-66

PHỤ LỤC4 TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ðƯỜNG THEO CÁC

TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH (loại vật liệu nền là á cát)

- Theo tiêu chuẩn 22TCN211-93

- Theo tiêu chuẩn ODN218.046.01

- Theo tiêu chuẩn 22TCN274-01

Trang67-130

PHỤ LỤC5 TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ðƯỜNG THEO CÁC

TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH (loại vật liệu nền là á sét)

- Theo tiêu chuẩn 22TCN211-93

- Theo tiêu chuẩn ODN218.046.01

Trang131-201

I TÓM TẮT

- Họ và tên: Huỳnh Thị Ánh Tuyết

- Phái: nữ

- Sinh ngày: 26-10-1978

- Nơi sinh: Sơn Hoà, Châu Thành, Bến Tre

II ðỊA CHỈ LIÊN LẠC

- ðiện thoại nhà riêng: 08.89 86 207

- Cơ quan công tác: Trường ðH GTVT TP Hồ Chí Minh

III QUÁ TRÌNH ðÀO TẠO

- Năm 1997-2002: Sinh viên trường ðH GTVT cơ sở 2-Q9-Tp Hồ Chí Minh

- Tốt nghiệp ñại học: năm 2002

- Hệ ñào tạo: chính quy

- Trường: ðại học Giao thông Vận tải

- Năm 2004: trúng tuyểncao học khoá 15

- Mã số học viên: 00104038

IV QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

- Từ năm 2002 - ñến nay: công tác tại trường ðH GTVT TP Hồ Chí Minh

[1] AASHTO, Apolity on geometric design of Hightway and streets, 1990;

[2] Nguyễn Quang Chiêu, Phạm Huy Quang: Xây dựng mặt ñường ô tô – Nhà xuất bản Giao Thông Vận Tải – 1998;

[3] Nguyễn Quang Chiêu - Các phương pháp thiết kế ñường của các nước phương Tây – Nhà xuất bản GTVT, Hà Nội 1995;

[4] Dương Học Hải - Thiết kế mặt ñường ôtô theo hướng dẩn AASHTO và ứng dụng

[8] Quy trình thiết kế áo ñường mềm 22TCN211-93 NXB Giao thông vận tải – Hà nội

[11] V.I Zavoriski, Sổ tay thiết áo ñường mềm, Kiev, 1983 (Bản tiếng Nga);

[12] A.la.Kaluski và các tác giả khác, Thiết kế áo ñường (Bản tiếng Nga) Kiev, 1981 [13] Thiết kế áo ñường mềm – tiêu chuẩn ngành ODN218.046-01- Bộ giao thông vận tải Liên Bang Nga;

[14] Tiêu chuẩn thiết kế mặt ñường mềm 22TCN-274-01 NXB Giao thông vận tải –

Hà nội – 2001;

[15] Tính toán bề dày mặt ñường bêtông atphan dùng cho ñường ôtô và ñường thành phố - Phân viện atphan Mỹ (Bản dịch của Viện thiết kế GTVT), Hà nội, 1991;

[16] N.N.Tvanôv, Cấu tạo và tính toán áo ñường mềm (Bản tiếng Nga), NXB

”GTVT”, (Bản tiếng Nga), Moscow, 1973;

[17] Viện thí nghiệm Cầu ñường Anh (TRRL) - Các kết cấu mặt ñường ñiển hình [18] Nguyễn Xuân Vinh, Sơ ñồ tính toán bề dày mặt ñường mềm ứng với mù nóng bất lợi của Việt Nam, Tạp chí ”GTVT” số tháng 6/1992;

[19] Nguyễn Xuân Vinh, Một số phương pháp tính toán ổn ñịnh trượt phần trên của lớp mặt bêtông nhựa làm việc ở nhiệt ñộ cao, Tạp chí ”GTVT” số tháng 10/1993; [20] Nguyễn Xuân Vinh: Các chuyên ñề nâng cao: Thiết kế ñường ô tô, ñường ñô thị

và ðiều khiển ô tô bằng ñèn tín hiệu – Nhà xuất bản ðại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2003;

[21] Nguyễn Xuân Vinh: Giới thiệu quy trình thiết kế mặt ñường mềm ODN 046.01 của CHLB Nga Tạp chí cầu ñường tháng 12/2005- Hà nội

ñể sữa chữa mặt ñường chiếm hầu hết kinh phí duy tu bảo dưỡng ñường ôtô hàng năm Do ñó việc tính toán thiết kế kết cấu áo ñường có ý nghĩa hết sức to lớn về kinh tế, kỹ thuật Mặc dù vậy, hiện nay, hệ thống phương pháp thiết kế áo ñường của Việt Nam vẫn chưa ñáp ứng ñược yêu cầu này

Trong hệ thống tiêu chuẩn thiết kế mặt ñường mềm của Việt Nam từ trước ñến nay dựa trên hai phương pháp: Bài toán moñun biến dạng (bài toán và lời giải của Ivanop) dựa theo ñộ lún biến dạng cho phép; Bài toán moñun ñàn hồi (bài toán và lời giải của A.K.Biulia) dựa theo ñộ lún phục hồi cho phép dưới dạng trùng phục của tải trọng xe chạy [4,6] Dựa trên cơ sở lý thuyết này, hệ thống quy trình mặt ñường của chúng ta từng bước ñược hoàn thiện và củng cố qua các tiêu chuẩn:

- Quy trình thiết kế mặt ñường mềm theo môñun biến dạng: 22TCN-04-72;

- Quy trình thiết kế mặt ñường mềm theo môñun ñàn hồi: 22TCN-202-90;

- Quy trình 22TCN-211-93 (hoàn chỉnh quy trình 22TCN-202-90)

Với chính sách mở cửa thu hút vốn ñầu tư nước ngoài của nhà nước những năm vừa qua, tạo cho chúng ta tiếp cận với nhiều phương pháp thiết kế mặt ñường mới và ñòi hỏi chúng ta phải có sự chấp nhận những phương pháp mà nhiếu nước ñang sử dụng, ñiển hình là phương pháp của Mỹ Do vậy, hiện nay Việt Nam ñang hiện hành hai phương pháp song song: phương pháp thiết kế theo quy trình thiết kế mặt ñường mềm 22TCN 211-93 và và phương pháp thiết kế mặt ñường theo AASHTO (tiêu chuẩn thiết kế mặt ñường mềm 22TCN-274-01)

Mặc dù, tiêu chuẩn 274-01 ñã ñược ban hành từ năm 2001 và Bộ Giao Thông

có tổ chức hướng dẫn sử dụng năm 2002 Nhưng trong tiêu chuẩn này còn tồn tại nhiều thông số thực nghiệm áp dụng từ tiêu chuẩn gốc mà không có ñiều kiện xác ñịnh và kiểm chứng ở Việt Nam, do ñó, ñến nay tiêu chuẩn này vẫn chưa ñược các

Tư vấn áp dụng chính thức (chỉ có vài trường hợp áp dụng ñể kiểm tra ñối chứng khi hợp tác làm các công trình giao thông với ñối tác nước ngoài) mà chủ yếu vẫn dùng theo tiêu chuẩn cũ 22TCN211-93

Từ ngày 01/01/2001 Bộ Giao thông vận tải Liên Bang Nga ñã sử dụng quy trình thiết kế áo ñường mới: ODN218.046-01 với nội dung có nhiều thay ñổi Khác với quy trình BCH46-72 trước ñây là tính toán bề dày áo ñường mềm chỉ theo tải trọng tĩnh, quy trình mới này quy ñịnh cụ thể các trường hợp tính toán bề dày áo ñường mềm theo tải trọng tĩnh hoặc tải trọng ñộng

Hiện nay, Vụ khoa học Công nghệ - Bộ Giao thông vận tải ñang xây dựng lại quy trình tính toán kết cấu mặt ñường cho phù hợp với ñiều kiện của nước ta và cập nhật ñược những kết quả nghiên cứu khoa học của các nước ðây là một vấn ñề cần thiết và mang tính thời sự trong ngành Do ñó, luận văn này sẽ ñi sâu vào nghiên cứu, tính toán, so sánh, ñánh giá các tiêu chuẩn ñang ñược áp dụng hiện nay ở Việt Nam và một số tiêu chuẩn khác nhằm xác ñịnh mức ñộ tin cậy của các quy trình khi

áp dụng ở Việt Nam Trên cơ sở các phân tích trên chúng tôi chọn ñề tài nghiên cứu: ”Nghiên cứu, phân tích ñánh giá một số phương pháp tính toán thiết kế áo ñường mềm ñể xây dựng ñường ôtô”

SỰ CẦN THIẾT CỦA ðỀ TÀI:

Những vấn ñề trình bày trên cho thấy:

- ðề tài nghiên cứu là rất cần thiết cho việc lựa chọn áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế áo ñường mềm hiện nay;

- Bước ñầu cung cấp một số ñánh giá mang tính thực tiễn cho việc lựa chọn các phương pháp khác nhau ñể thiết kế mặt ñường mềm;

- Thể hiện một số ưu nhược ñiểm và ñiều kiện áp dụng các quy trình thiết kế ñối với ñiều kiện của Việt nam;

- Sẽ mở ra một số nghiên cứu tiếp theo mà ñáng quan tâm nhất là ñộ tin cậy của các tiêu chuẩn hiện nay ta ñang áp dụng cũng sẽ xây dựng tiêu chuẩn mới mang tính hội nhập hơn

PHƯƠNG HƯỚNG GIẢI QUYẾT CỦA ðỀ TÀI:

QUY MÔ CỦA LUẬN VĂN:

Luận văn bao gồm 5 chương, 70trang, 5 bảng biểu và hình vẽ Phần phụ lục có 40trang với 10phụ lục nhỏ bao gồm các kết quả thu thập ñược, kết quả tính toán của

ñề tài

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ÁO ðƯỜNG MỀM

HIỆN NAY

2.1 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ÁO ðƯỜNG

Các phương pháp tính toán mặt ñường mềm hiện nay gắn liền với phương hướng nghiên cứu lý thuyết ở mỗi nước trong lĩnh vực này Có thể phân các phương pháp thiết kế và cấu tạo mặt ñường mềm hiện nay ra làm hai hướng chính:

Phương pháp lý thuyết: Bài toán lý thuyết trên cơ sở của bài toán cơ bản của

hệ hai lớp [6, 20], lớp thứ nhất (nền ñất) là một bán không gian có chiều dày vô hạn

và một lớp mặt ñường bề dày hữu hạn ðể tính toán, người ta quy ñổi lớp vật liệu mặt ñường và nền ñất thành một lớp có ñộ cứng tương ñương, có nghĩa là, nếu ñặt cùng một tải trọng lên lớp mặt ñường và lớp ñất quy ñổi ñó, áp lực tác dụng lên lớp nền ñất bên dưới tại cùng một ñiểm phải như nhau, hay nói cách khác, chúng có cùng một ñộ cứng và phải cùng một ñộ biến dạng ðương nhiên, khi quy ñổi như vậy, tải trọng của lớp ñất tương ñương này bị bỏ qua Sau khi ñổi về lớp ñất tương ñương, hệ kết cấu ñã biến thành hệ một lớp, và lúc này có thể áp dụng bài toán tính ứng suất và chuyển vị của hệ một lớp ñồng nhất và ñẳng hướng chịu tải trọng phân

bố xuống một ñộ sâu trong thân nền ñường bề dày lớp ñất tương ñương vừa tìm ñược

ðối với mặt ñường nhiều lớp, nguyên lý này cũng ñược áp dụng bằng cách ñổi các lớp mặt ñường thành một lớp tương ñương, sau ñó ñổi lớp này và lớp nền ñất thành một lớp ñất tương ñương như vừa nêu

Quy trìnhh tính toán mặt ñường của chúng ta hiện nay dựa trên nguyên lý tính toán trên

Phương pháp lý thuyết có ưu ñiểm là dựa trên nền tảng cơ học nên thuyết phục

và tin cậy Tuy nhiên, nó cũng có rất nhiều nhược ñiểm mà nổi bật là rất khó tính toán ñược ứng suất và biến dạng cũng như mô ñun ñàn hồi của mặt ñường có liên quan ñến quá trình làm việc của mặt ñường tại một thời ñiểm bất kỳ trong thời kỳ

khai thác Thực tế mặt ñường không lý tưởng như phương pháp lý thuyết giả thiết (vật liệu ñàn hồi, ñồng nhất, và tính chất ñó luôn như thế mãi mãi) Có ba nguyên nhân chính gây ra sự phá hỏng của mặt ñường mềm, ñặc biệt ñối với các lớp mặt ñường nhựa, là sự lão hoá của vật liệu, tác dụng thuỷ nhiệt, và tải trọng trùng phục Quá trình lão hoá của vật liệu bê tông nhựa diễn ngay khi nó vừa ñược rải xong do

sự bay hơi của các chất dầu nhẹ, mặt ñường cứ thế trở nên giòn dần và mất dần tính ñàn hồi Quá trình thuỷ nhiệt cũng là một nguyên nhân lớn, mặt ñường trải dài hàng nghìn km qua nhiều vùng thuỷ nhiệt khác nhau, cường ñộ và tính bền của chúng, cũng thay ñổi theo mùa bất lợi hoặc thuận lợi của các chế ñộ này Hơn nữa, khi mặt ñường ñã bị nứt, các chất ẩm có thể ngấm sâu vào thân mặt ñường làm cường ñộ của chúng giảm ñi rõ rệt và chúng bị phá hoại nhanh chóng sau ñó ðến lúc ñó, sự tăng thêm của tích luỹ biến dạng do tải trọng, cho dù có nhỏ, cũng làm cho mặt ñương bị hư hỏng nhiều Vì vậy, thời ñiểm tác dụng của tại trọng có ý nghĩa quan trọng

Trái với phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm, mà ñiển hình là AASHTO [6] lại dựa hoàn toàn vào số liệu thực nghiệm và lý thuyết xác suất AASHTO ñưa ra khái niệm tổn thất chỉ số phục vụ (PSI), một chỉ số dựa chủ yếu trên mức ñộ mà người sử dụng ñường hài lòng về chất lượng “phục vụ” của mặt ñường ñó Như vậy nếu mặt ñường mới, chất lượng phục vụ sẽ cao, và nếu mặt ñường hỏng, ghồ ghề, nham nhở, chất lượng phục vụ sẽ thấp Dựa trên yêu cầu thiết

kế và số liệu tổng kết qua hai năm thí nghiệm với hàng triệu số liệu, AASHTO ñưa

ra phương pháp dự báo chỉ số phục vụ sau cùng sau một thời gian khai thác với mức

ñộ tin cậy dựa theo cấp ñường, nếu chúng ta ñưa vào tải trong trục tương ñương ñược dự báo ðể kể ñến ảnh hưởng của các tác ñộng của thuỷ nhiệt, mà cụ thể là nước, phương pháp này ñưa vào môñun ñàn hồi hữu hiệu của nền ñất có kể ñến ảnh hưởng của nước Các lớp vật liệu khác ñều có chỉ số thoát nước ðể thiết kế, người thiết kế phải ñịnh ra ñược chỉ số kết cấu (SN) yêu cầu, từ ñó xác ñịnh ñược bề dày của từng lớp vật liệu

Như vậy có thể thấy ưu ñiểm của phương pháp này là mô tả ñúng hơn quá trình làm việc thật của mặt ñường (tải trọng trùng phục, chỉ số thoát nước, chất lượng phục vụ) Tuy nhiên, nhựợc ñiểm của nó là không dựa vào nền tảng của cơ học lý thuyết, ví dụ, khái niệm về SN là rất trừu tượng, ñối với các mặt ñường cũ, không thể ño ñược SN vì nó là ñại lượng không thứ nguyên Vì vậy phương pháp này phù hợp chủ yếu với thiết kế mới Nhược ñiểm nữa là nó dựa trên số liệu thí nghiệm tại một vùng (Ottawa) trong khi lại áp dụng ở rất nhiều nơi với các ñiều kiện thuỷ nhiệt khác nhau Do số liệu thống kê chỉ có trong hai năm, trong khi thời

kỳ khai thác của ñường là trên 15 năm, do vậy phương pháp dự báo tổn thất mức phục vụ còn nhiều tranh cãi về quá trình tổn thất chỉ số phục vụ này, liệu nó là tuyến tính hay phi tuyến? ñể có thể xác ñịnh ñược các chỉ số PSI ở những năm trung gian Với hai năm, AASHTO chỉ làm thí nghiệm với hai triệu trùng phục, trong khi thực tế mặt ñường có khi phải chịu trên một trăm triệu trùng phục trong suốt thời

kỳ khai thác Hơn nữa, tại thời ñiểm thí nghiệm vào những năm 1950, các nghiên cứu về vật liệu cũng hạn chế cũng như loại xe thiết kế là khác với thời ñiểm bây giờ

Nhận biết ñược những hạn chế này, AASHTO ñã có những sự thay ñổi dần thể hiện rõ trong AASHTO 2002 Song song với nó, các nghiên cứu về vật liệu mà nổi bật là phương pháp thiết kế SUPERPAVE cho mặt ñường asphalt, cũng như các nghiên cứu về hai dạng nứt căn bản là nứt trên xuống (top-down cracking) và nứt phản ánh (reflective cracking) cũng ñang ñược nghiên cứu

Ngoài ra, hiện nay, phương pháp thiết kế mới gọi là phương pháp kết hợp cơ học lý thuyết và thực nghiệm, phương pháp mới tính toán ứng suất và biến dạng mặt ñường trên sự nghiên cứu kết hợp giữa các yếu tố về thời tiết khí hậu, tải trọng, vật liệu, thời gian, các ứng suất và biến dạng tính toán này ñược tính toán tại các thời ñiểm khác nhau của mặt ñường, từ ñó tích lũy biến dạng tại thời ñiểm ñó ñược xác ñịnh và ñó làm căn cứ dự báo cho mức ñộ hư hỏng trong các thời kỳ tiếp theo của mặt ñường Phương pháp mới này dựa trên nền tảng của cơ học, nhưng lại ñược tham chiếu vào các thí nghiệm thực nghiệm ñể ñưa ra dự báo cuối cùng về tình

trạng mặt ñường Do ñó nó phù hợp cho việc thiết kế mặt ñường với các vật liệu mới (ví dụ composite), cho thiết kế cải tạo và lớp phủ, cũng như cho phép ñánh giá ñược những ảnh hưởng của các yếu tố cụ thể thay ñổi trong vòng ñời của mặt ñường

2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ðƯỜNG MỀM ðƯỢC ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM & CÁC NƯỚC

ðể có ñược cơ sở nghiên cứu cho vấn ñề của luận văn, chúng ta có thể tìm hiểu tổng quát của một số phương pháp thiết kế kết cấu mặt ñường ở Việt Nam và một số nước

2.2.1 Phương pháp tính của Việt Nam

2.2.1.1 Tiêu chuẩn 22TCN 211-93: [5, 8, 19, 20]

a Cơ sở lý thuyết:

ðược soạn thảo dựa trên phương pháp thiết kế áo ñường mềm BCH46-72 của Liên Xô cũ Phương pháp tính toán dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết hoàn chỉnh, kết hợp với các số liệu thực nghiệm trong ñiều kiện Việt Nam

Tiêu chuẩn này thì một kết cấu ñược xem là ñủ cường ñộ nếu trong suốt thời

kỳ khai thác dưới tác dụng của tải trọng tính toán, trong bất kỳ tầng lớp nào (kể cả nền ñất) cũng không phát sinh biến dạng dẻo, tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá hoại và ñộ lún của kết cấu áo ñường không vượt quá trị số cho phép

Do ñó, theo tiếu chuẩn này thì kết cấu áo ñường ñược tính toán, kiểm tra qua ba tiêu chuẩn cường ñộ:

- Ứng suất cắt ở mọi ñiểm trong nền ñất dười áo ñường và trong các lớp áo ñường

do tải trọng xe chạy tính toán gây ra tại các vị trí ñó không vượt quá trị số ứng suất giới hạn của ñất hoặc của vật liệu;

τ

tr

τcp : sức chống trượt cho phep của nền ñất (kG/cm2);

τ : ứng suất cắt do tác dụng của tải trọng tính toán (kG/cm2

);

Ktr: hệ số cường ñộ về trượt trong kết cấu nền ñất

- Ứng suất kéo uốn lớn nhất ở ñáy kết cấu áo ñường hoặc ở ñáy các lớp vật liệu toàn khối khônh vượt quá trị số ứng suất kéo uốn giới hạn;

ku

ku ku

R K

σ

Rku : Ứng suất kéo uốn giới hạn cho phép của vật liệu (kG/cm2);

σku : ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở ñáy áo ñường hoặc ở ñáy các lớp vật liệu tầng mặt (kG/cm2);

Kku: hệ số cường ñộ về về trạng thái giới hạn chịu kéo khi uốn

- ðộ võng ñàn hồi của cả kết cấu áo ñường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy tính toán không vượt quá ñộ võng ñàn hồi giới hạn cho phép

dh

gh dv l

l

lgh : ðộ võng ñàn hồi giới hạn cho phép;

ldh : ðộ võng ñàn hồi của cả kết cấu áo ñường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy tính toán;

Kdv: hệ số cường ñộ của cả kết cấu

Cơ sở lý thuyết của tiêu chuẩn này là bài toán hai lớp, ñối với hệ nhiều lớp có thể ñưa về hệ hai lớp theo phương pháp của Viện nghiên cứu ñường bộ Liên Xô cũ hoặc giả thiết trước tỷ lệ bề dày rồi xác ñịnh môñun ñàn hồi trung bình của các lớp theo công thức ñề nghị của giáo sư ðặng Hữu ñể ñưa hệ nhiều lớp về hệ hai lớp bằng cách ñổi hai lớp một từ dưới lên theo công thức:

3 3 2 1

+

=

k

t E

E0 Cấp phối đá dăm

công nghiệp, ñường trục chính toàn thành và 9.5T ñối với các ñường ñô thị khác ít quan trọng

c Lưu lượng tính toán là số ôtô ñược quy ñổi về loại ôtô có tải trọng tính toán tiêu chuẩn thông qua mặt cắt ngang ñường trong một ngày ñêm trên làn xe nặng nhất, chịu ñựng lớn nhất ở cuối thời kỳ khai thác tính toán

Lưu lượng xe chạy ở cuối thời kỳ khai thác ñược xác ñịnh theo công thức sau:

- Ni: lưu lượng xe chạy ở cuối thới kỳ khai thác (xe/ngñêm);

- N1: lưu lượng xe chạy ở năm ñầu tính toán (xe/ngñêm);

- r: tốc ñô tăng trưởng xe;

- t: thời gian tính toán (năm), t=20năm, ñối với ñường làm mới; t=15, ñối với ñường nâng cấp cải tạo

(Hiện nay, công tác dự báo xe còn là vấn ñề cần nghiên cứu, bởi các dự báo về

hệ số tăng trưởng này không thống nhất giữa các công trình trong một khu vực)

d Các thông số tính toán của ñất nền ñường bao gồm: moñun ñất nền E0, lực dính c, góc nội ma sát ϕ , ñược xác ñịnh ở ñiều kiện bất lợi nhất về chế ñộ thủy nhiệt ðể xác ñịnh các thông số này cần phải thông qua các thí nghiệm trong tiêu chuẩn

e Các thông số tính toán của vật liệu làm áo ñường như: moñun ñàn hồi E, lực dính c, góc nội ma sát ϕ , cũng ñược xác ñịnh ở ñiều kiện bất lợi nhất về chế ñộ thủy nhiệt như ñối với ñất nền Tuy nhiện, các thông số này của tiêu chuẩn khi sử dụng chủ yếu dựa vào bảng tham khảo của quy trình Nga mà chưa có nghiên cứu quy mô trong ñiều kiện Việt Nam

2.2.1.2 Tiêu chuẩn AASHTO [4,6]

Phương pháp thiết kế AASHTO dùng ñể thiết kế chiều dày mặt ñường dựa trên một khối lượng lớn các số liệu thu thập từ thực nghiệm ñường ñược tiến hành gần Chicago bang Illinois từ năm 1956 Hiệp hội quốc gia về ñường bộ và vận tải công cộng Hoa Kỳ (gọi tắt là AASHTO) ñã bỏ ra 27triệu USD ñể xây dựng các ñường vòng thí nghiệm với tổng số 468ñoạn kết cấu áo ñường mềm và 386 ñọan kết cấu áo ñường cứng Các ñoạn này có kết cấu tầng lớp ñược bố trí khác nhau Trên mỗi ñoạn dùng 126xe với các loại xe và tổ hợp khác nhau chạy qua mỗi ngày 18giờ 30phút (cứ 1phút có 1xe chạy qua) và chạy liên tục trong 2.5năm

Với 6000 dụng cụ do lường, kết quả chạy thử nghiệm ñã thu ñược hơn 30triệu

số liệu, trong ñó gồm các số liệu ñánh giá diễn biến chất lượng khai thác của áo ñường từ ñầu cho ñến khi bị hư hỏng Chất lượng này ñược ñánh giá trực tiếp qua chỉ số phục vụ PSI Dựa vào kết quả chạy thử ñược người ta lập ñược quan hệ thực nghiệm giữa PSI với số lần tác dụng của tải trọng xe chạy, với bề dày và thông số ñặc trưng cho nền ñất và vật liệu cấu tạo của các lớp trong kết cấu.Quan hệ thực nghiệm này chính là cơ sở ñể soạn ra ”Hướng dẫn tạm thời về thiết kế mặt ñường mềm và cứng” năm 1961

Từ năm 1961 ñến nay, AASHTO ñã tiến hành nhiều nghiên cứu bổ sung sửa chữa:

- Qua áp dụng thực tế ở các bang, ñã ñiều chỉnh, bổ sung và cho ra ”bản hướng dẫn tạm thời AASHTO và thiết kế kết cấu mặt ñường năm 1972”

- Năm 1981 tiếp tục sữa chữa phần thiết kế mặt ñường cứng;

- Năm 1986 bổ sung tiếp;

Sau ñó tiến hành lấy kiến rộng rãi của các Bang ở Mỹ, qua kiểm nghiệm thực tế ñã ñưa ra bảng hướng dẫn thiết kế kết cấu mặt ñường theo AASHTO 1986;

- Năm 1993 ñã ñiều chỉnh và ban hành bổ sung một số và ñã ñưa vào sử dụng: + Thông số ñặc trưng sức chịu tải của ñất, dùng moñun ñàn hồi tay cho chỉ số CBR, phù hợp hơn với xu hướng quốc tế;

+ ðưa thêm hệ số tin cậy ñể tăng dự trữ an toàn;

+ Xét ựến ựiều kiện thoát nước dưới mặt ựường;

+ đưa ra các biện pháp tăng cường mặt ựường cũ;

đã vận dụng kết quả lời giải ly thuyết hệ ựàn hồi nhiều lớp trong một số khâu nghiên cứu ựo, ựánh giá cường ựộ mặt ựường cũ, quy ựổi các lớp

- Sau ựó AASHTO ựã soát xét lại, bổ sung, ựiều chỉnh phương pháp thiết kế mặt ựường theo hướng l thuyết - thực nghiệm ựầy ựủ hơn

số ựặc tắnh mà thiết kế phải dựa vào

Phương trình thiết kế cơ bản sử dụng cho mặt ựường mềm trong tiêu chuẩn này là rút ra từ các kết quả thử nghiệm các kết cấu mặt ựường của AASHTO

- Phương trình thiết kế cơ bản sử dụng cho mặt ựường mềm xác ựịnh SN(Mpa), (hoặc có thể giải bằng toán ựồ)

Hình 2-3:Toán ựồ thiết kế mặt ựường mềm trên cơ sở dùng trị số t.bình ựầu vào

06 3 log

* 32 2 ) 1 (

1094 4

0

5 1 2 4 log 2 0 ) 1 ( log

* 36 9

*

19 5

10 10

0 80

+ +

− + +

SN

PSI SN

S Z W

DD: hệ số phân bố theo chiều, tuỳ thuộc vào ñiều tra thực tế (từ 0.3-0.7);

DL: hệ số phân bố theo làn, tuỳ thuộc vào s ố làn xe theo một chiều;

:

80

W )

Tổng số trục xe tương ñương tích luỹ trong cả thời kỳ phục vụ

R: ñộ tin cậy, tuỳ thuộc vào cấp hạng chức năng của ñường;

ZR: ñộ lệch phân bố chuẩn tương ứng với mức ñộ tin cậy R;

S0: ñộ lệch tiêu chuẩn toàn bộ;

MR: moñun ñàn hồi có hiệu quả của vật liệu nền ñường (MPa)

a1 a2 a3: hệ số của lớp mặt, lớp móng trên và lớp móng dưới;

m2 m3: hệ số ñiều kiện thoát nước ảnh hưởng ñến cường ñộ của lớp móng trên

và lớp móng dưới

D1 D2 D3: bề dày (cm) của lớp mặt, lớp móng trên và lớp móng dưới

Từ phương trình (2-7) có thể xác ựịnh ựược chỉ số kết cấu SN, sau ựó áp dụng phương trình (2-10) ựể thiết kế bề dày kết cấu Tuy nhiên, phương trình (2-10) không phải chỉ có một lời giải duy nhất mà còn có nhiều tổ hợp các chiều dày các lớp thỏa mãn phương trình Khi chọn lựa tỷ số thắch hợp của chiều dày các lớp còn cho phép người thiết kế cân nhắc thêm các ựiều kiện về cấu tạo, giá thành, thi công

và bảo trì ựể loại trừ khả năng ựưa ra một kết cấu mặt ựường không hợp lý

2.2.1.3 Phương pháp tắnh của Nga: [13, 16, 20]

Ở Liên Xô cũ, các phương pháp thiết kế mặt ựường mềm ựược ựề xuất ở trường đại học đường ôtô Moscow, Trường đại học đường ôtô Kháccốp, Viện nghiên cứu ựườnng bộ toàn liên bang, Phân viện Saint-Petersburgs, ựều dựa trên một trong ba tiêu chuẩn giới hạn là:

- độ võng ựàn hồi cho phép của toàn kết cấu;

- điều kiện ổn ựịnh chống trượt của nền ựất và các lớp vật liệu rời rạc, kém dắnh;

- điều kiện chịu kéo khi uốn của các lớp vật liệu toàn khối

được tắnh trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết hoàn chỉnh, tải trọng tắnh toán bằng tải trọng tĩnh Từ ngày 01/01/2001 Bộ Giao thông vận tải Liên Bang Nga ựã sử dụng quy trình thiết kế áo ựường mới: ODN218.046-01 với nội dung có nhiều thay ựổi Khác với quy trình BCH46-72 trước ựây là tắnh toán bề dày áo ựường mềm chỉ theo tải trọng tĩnh, quy trình mới này quy ựịnh cụ thể các trường hợp tắnh toán bề dày áo ựường mềm theo tải trọng tĩnh hoặc tải trọng ựộng

Quy trình ODN218.046-01:

- Phương pháp luận ựể ựánh giá cường ựộ áo ựường mềm bao gồm: đánh giá cường ựộ chung của kết cấu (thông qua ựộ võng ựàn hồi cho phép của cả kết cấu) và ựánh giá cường ựộ theo các ứng suất phát sinh trong các lớp kết cấu riêng biệt từ kết quả của lời giải lý thuyết ựàn hồi

Tuỳ thuộc cấp ựường và loại mặt ựường (cấp cao chủ yếu, thứ yếu, quá ựộ) mà

áo ựường ựược thiết kế với ựộ tin cậy KH khác nhau (là xác suất làm việc không từ

chối của kết cấu áo ñường) Trị số KH thay ñổi từ 0.8 – 0.98 ñối với mặt ñường cấp cao thứ yếu và KH = 0.7 – 0.95 với mặt ñường quá ñộ

Dựa và ñộ tin cậy KH ñưa ra hệ số phá hủy giới hạng và hệ số cường ñộ Knp

- Hệ số phá hủy giới hạn:

S

S L

E

E l

E : ðộ võng ñàn hồi cho phép và moñun ñàn hồi chung yêu cầu;

L, Ech: ðộ võng ñàn hồi tính toán và moñun ñàn hồi chung tính toán của cả kết cấu

+ ðối với các lớp kết cấu riêng biệt:

tt

cf np K

- Trên ñường trường (trên các quốc lộ, tỉnh lộ, ) có xe chạy liên tục thì kết cấu áo ñường mềm ñược tính theo tác dụng của tải trọng ñộng (tải trọng tức thời và trùng phục)

- Tại các trạm dừng xe (trạm dừng xe buýt, bến phà), các nút giao thông, các ñường dẫn ñến nơi giao nhau với ñường sắt phải kiểm tra thêm trường hợp tải trọng tác dụng một lần trong thời hạn không nhỏ hơn 10phút

- Tại các bến xe, lề ñường (cho phép xe ñỗ) nơi mà xe ñỗ lại trong thời gian lâu thì áo ñường ñược tính theo tải trọng tĩnh (thời gian tác ñộng của tải trọng lớn hơn 10phút) Trong trường hợp này chọn các thông số tính toán theo tĩnh tải và không ñưa vào hệ số trùng phục Trường hợp này cũng ñược áp dụng ñể tính theo tiêu chuẩn trượt của nền ñất và các vật liệu kém dính

- Bề dày của các lớp kết cấu áo ñường mềm ñược tính theo các tiêu chuẩn: + Theo tiêu chuẩn ñộ võng ñàn hồi cho phép trên cơ sở mối quan hệ phụ thuộc giữa môñun ñàn hồi yêu cầu yc

+ Theo ñiều kiện chịu kéo uốn của các lớp vật liệu toàn khối dưới tác dụng của tải trọng ñộng, lặp và tức thời Tiêu chuẩn này biểu thị khả năng chống mỏi của lớp vật liệu toàn khối

Trên cơ sở các kết quả giải bài toán ñàn hồi hệ nhiều lớp ñã quy ñổi ra hệ hai lớp ñể xác ñịnh moñun ñàn hồi chung (Ech) dưới dạng toán ñồ Ech tính ñược phải thỏa mãn ñiều kiện:

yc np

Nếu ΣNp < 4.104, thì giá trị Emin phụ thuộc vào cấp ñường, loại áo ñường và tổng số trục ñơn tính toán ở làn xe có nhiều xe nhất Cụ thể như: với mặt ñường cấp cao chủ yếu thì lần lượt theo cấp ñường I, II, III trị số Emin tương ứng là 2300, 2200

và 2000daN/cm².ñược quy ñịnh với giá trị giới hạn

Ở vùng khí hậu V của Nga (tương ứng với khí hậu nhiệt ñới của Việt Nam) thì

Emin tính theo công thức (2-5) sẽ giảm 15%

ðiều kiện ổn ñịnh chống trượt của nền ñất và các lớp vật liệu kém dính (cát) dưới tác dụng của tải trọng tức thời hay tải trọng tĩnh:

yc np

np K

K : Hệ số cường ñộ yêu cầu

Trị số Tnp của nền ñất hay của lớp cát trung gian ñược xác ñịnh theo công thức:

Tnp = CN.kñ+ 0.1γtb.Zop.tgϕct ; (2-17) Trong ñó:

CN: lực dính của ñất nền hay lớp cát có xét ñấn tải trọng trùng phục

kñ : Hệ số xét ñến ñặc ñiểm làm việc của kết cấu tại giới hạn của lớp cát với lớp móng chịu lực ở bên dưới Khi xây dựng lớp dưới bằng vật liệu gia cố hay rải trên lớp móng cát bằng lớp vải ñịa kỹ thuật ngăn cách thì kñ = 4.5; 4.0; 3.0 tương ứng với lớp cát là cát hạt lớn, hạt trung và hạt nhỏ; kñ =1.0 cho các trường hợp còn lại

γtb: dung trọng trung bình của tất cả các lớp kết cấu áo ñường , KG/cm³

Zop: Chiều sâu tính từ mặt ñường ñến ñiểm cần kiểm tra trượt, cm

ϕct: Góc nội masát tính toán của lớp vật liệu kiểm tra trượt dưới tác dụng của tải trọng tĩnh

Ứng suất trượt chủ ñộng phát sinh trong nền ñất và lớp cát bằng:

p: Áp suất của bánh xe lên mặt ñường;

Khi sử dụng toán ñồ ñể tra τH trị số ϕ ñược xác ñịnh theo tải trọng ñộng

Khi tra toán ñồ thì tất cả các lớp trên ñược chuyển thành một lớp có bề dày bằng tổng Σhi và moñun ñàn hồi trung bình bằng:

h

h E

ðối với các lớp vật liệu toàn khối (như bêtông atsphal, vật liệu và ñất gia cố tổng hợp thì ñiều kiện ổn ñịnh (không tạo thành vết nứt do mỏi) dưới tác dụng của tải trọng lặp và tức thời phải là:

yc np

N r K

ñược xác ñịnh theo tác dụng một lần, tức thời

k1: hệ số xét ñến cường ñộ bị giảm do mỏi của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng trùng phục

m p N

k2: Hệ số xét ñến giảm cường ñộ theo thời gian (bảng 3.6) [13];

υR: Hệ số biến phân của cường ñộ chịu kéo;

t: Hệ số ñộ lệch tiêu chuẩn, phụ thuộc vào ñộ tin cậy

Tất cả các trị số Ro, k1, k2, … ñều ñược xác ñịnh bằng tra các bảng phụ thuộc vào loại vật liệu toàn khối làm mặt ñường, ñặc trưng khí hậu ñường xá, …

Còn ứng suất kéo khi uốn của lớp vật liệu khi tính toán ñược xác ñịnh theo công thức:

σr =σ p kp ; (2-23)

Trong ñó:

r

σ : Ứng suất kéo ñơn vị, ñược xác ñịnh bằng cách tra toán ñồ;

kb: Hệ số xét ñến ñặc ñiểm của trạng thái ứng suất của mặt ñường dưới bánh

Quan hệ giữa tải trọng tĩnh (Qn) và tải trọng ñộng Qñ như sau:

Tải trọng tĩnh tiêu chuẩn lên mặt ñường từ bánh xe của

cBba

Trong ñó:

Bm: khoảng cách giữa hai mép của trục xe

a, b, c: là ba hệ số, tra bảng phụ thuộc vào loại xe 2trục hoặc 3trục

Loại xe (i) ñược quy ñổi ra xe tính toán theo hệ số quy ñổi Sn:

i d n Q

Q

Trong ñó:

Qiñ , Qttñ Tải trọng ñộng của xe (i) và tải trọng ñộng của xe tính toán

β = 4.4; 3.0; 2.0 tương ứng với các loại mặt ñường cấp cao chủ yếu, thứ yếu và quá ñộ

Hệ số quy ñổi tổng cộng của các loại xe chạy trên ñường:

1

) 7 0

K N N

) 1 ( 7 0

−

Trong ñó:

flàn: hệ số phân phối theo làn, phụ thuộc vào vị trí làn xe kể từ lề;

n: Số trục xe quy ñổi về trục tiêu chuẩn;

Nm: Lưu lượng xe ngày ñêm của một loại xe theo cả hai hướng;

SmΣ: theo công thức (2-27), hệ số quy ñổi ñược tính sẵn và ñược ñưa vào bảng 1.3 của [13];

Nlm: Lưu lượng xe ngày ñêm của loại xe m cho cả hai hướng ở năm ñầu tiên khai thác, xe/ngñ;

TP: Số ngày tính toán trong một năm, xác ñịnh theo nghiên cứu thống kê của từng khu vực

qK

II thì kn = 1.49, cấp III thì kn = 1.38, …

Với ñường ôtô có nhiều làn xe quy trình cho phép thiết kế áo ñường có bề dày thay ñổi ứng với lưu lượng xe Np ñược tính cho từng làn Tại các nút giao thông và các ñường dẫn tới nút lấy flàn= 0.50 nếu tổng số làn xe lớn hơn 3 Tại lề ñường lấy

flàn = 0.01

- Các thông số của nền ñất và các lớp vật liệu của kết cấu:

+ ðối với ñất nền: Các loại ñất sét, cát, á sét, á cát thì lực dính c và góc nội ma sát ϕ có trị số thay ñổi phụ thuộc vào tổng số lần tác dụng của tải trọng (ΣNp)

Moñun ñàn hồi của nền ñất phụ thuộc vào ñộ ẩm tương ñối  

nhao W

W

Cần chú ý rằng ñộ ẩm tương ñối ở ñây ñược xác ñịnh ñối với tổng bề dày áo ñường < 75cm Nếu bề dày lớn hơn cần phải hiệu chỉnh ñộ ẩm theo công thức:

Wp bang

; (2-32) Trong ñó:

∆ Hiệu chỉnh do ảnh hưởng của tổng bề dày các lớp

t: Hệ số ñộ lệch tiêu chuẩn, phụ thuộc vào ñộ tin cậy

+ ðối với các loại vật liệu:

a/ Bêtông atphal (viết tắt là BTN) ñược phân làm 5 loại (loại co ñộ chặt cao, loại chặt, loại rỗng, loại có ñộ rỗng cao và bêtông nhựa nguội)

Có hai loại trị số moñun ñàn hồi của BTN ứng với tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh hay tải trọng ñộng

- Trị số moñun ñàn hồi của BTN khi tính theo tải trọng tĩnh bao gồm nhiều giá trị phụ thuộc vào loại BTN và nhiệt ñộ tính toán (từ +20, +30, +40, +50)

Ví dụ: BTN chặt loại A ở nhiệt ñộ +30oC có E = 4200 daN/cm2, +50oC có E =

3000 daN/cm2

- Trị số moñun ñàn hồi của BTN khi tính theo tải trọng ñộng ñể tính toán kết cấu theo ñộ võng ñàn hồi và kiểm tra ổn ñịnh trượt phụ thuộc vào loại BTN, loại nhựa sử dụng (với ñộ kim lún khác nhau của nhựa ñặc: 40/60; 60/90; 90/130 … ) và nhiệt ñộ tính toán (từ +10, 20, 30, 40, +50(60)oC) sẽ có các trị số khác nhau

Ví dụ: Tại nhiệt ñộ +30oC với BTN loại chặt thì lần lượt có giá trị Eb = 15500; 11000; 5500daN/cm2 và ở nhiệt ñộ +50(60)oC với BTN thì Eb =5200; 4600; 4200 daN/cm2 tương ứng với ba loại nhựa ñặc dùng ñể chế tạo BTN như ñã nêu ở trên

ðể kiểm tra ổn ñịnh kéo uốn do tác dụng của tải trọng ñộng thì trị số moñun ñàn hồi ñộng và ứng suất kéo khi uốn tiêu chuẩn Ro chỉ thay ñổi theo loại BTN và loại nhựa sử dụng ñể chế tạo ứng với nhiệt ñộ tính toán là +10oC

Ví dụ: BTN chặt sử dụng nhựa ñặc 40/60 và 60/90 có các giá trị tương ứng Eb

=8600; 6000daN/cm2 và Ro = 100; 98 daN/cm2

b/ Các loại vật liệu khác: Tất cả các loại vật liệu còn lại dùng làm móng (hay lớp mặt cho các ñường cấp thấp) ñều chỉ cho trị số của moñun ñàn hồi tiêu chuẩn Không có số liệu về ứng suất kéo uốn tiêu chuẩn của các loại vật liệu toàn khối khác (như hỗn hợp hoặc ñất gia cố các chất liên kết vô cơ (vôi, ximăng, tro bay, …) hay hữu cơ (nhựa ñường) và cũng không có số liệu về lực dính c, góc nội ma sát j của các loại vật liệu như cấp phối sỏi cuội

Như vậy, theo các số liệu ñã cho trong quy trình mới của Liên Bang Nga thì chỉ có số liệu ñể kiểm tra kéo uốn của các loại bêtông nhựa và kiểm tra ổn ñịnh của nền ñất và lớp cát ñệm

2.2.1.3 Phương pháp tính toán của Trung Quốc (trong quy trình JTJ014-86) [7]

a Nội dung phương pháp

Phương pháp tính của Trung Quốc cũng dựa trên lời giải lý thuyết hệ nhiều lớp ñặt trên nền bán không gian vô hạn ñàn hồi, với các giả thiết:

- Mỗi lớp ñều do một loại vật liệu ñồng chất, ñẳng hướng, ñàn hồi và xem như

là không có trọng lượng gây ra Các thông số của lớp là moñun ñàn hồi Ei và hệ số Poisson µi ;

- Tầng dưới cùng là tầng bán không gian vô hạn và kéo dài vô hạn theo phương ngang; các lớp phía trên cũng kéo dài vô hạn theo phương dọc và phương ngang và có chiều dày hữu hạn hi theo phương thẳng ñứng;

- Tại mặt phân giới giữa các lớp ứng suất và chuyển vị hoàn toàn liên tục hoặc chỉ có ứng suất và chuyển vị theo phương thẳng ñứng là liên tục, còn lực cản trở do

ma sát giữa các lớp bằng không (hệ chuyển dịch tự do);

- Tại ñộ sâu vô hạn ở lớp dưới cùng, ứng suất và chuyển vị ñều bằng không

Từ các giả thiết trên, người ta ñã giải và lập ra các toán ñồ xác ñịnh ñộ võng ñàn hồi và các hệ số ứng suất của mặt ñường dưới tác dụng của tải trọng bánh xe ñơn hoặc kép (ñược quy về 1 vòng tròn hay 2 vòng tròn diện tích tương ñương có bán kính δ cho hệ hai lớp và ba lớp)

Trong trường hợp hệ có nhiều hơn ba lớp thì phải quy ñổi về hệ ba lớp theo hiệu ứng tương ñương

Trình tự của phương pháp thiết kế áo ñường mềm hiện hành của Trung Quốc theo các bước sau :

- Dựa vào yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế, xác ñịnh cấp hạng mặt ñường và loại lớp mặt, tính toán số lần tích luỹ trục xe tương ñương trên một làn xe trong thời hạn thiết kế và tính toán trị số ñộ võng cho phép trên bề mặt mặt ñường Nếu là mặt ñường cần tiến hành nghiệm toán ứng suất kéo – uốn thì cần tính toán trị số ứng suất kéo – uốn cho phép

- Dựa vào loại ñất và chế ñộ thuỷ nhiệt của nền ñường, chia ñường thiết kế ra làm một số ñoạn (từ 500-1000m trở lên) ñể xác ñịnh trị số moñun ñàn hồi của nền ñất cho từng ñoạn

- Dự kiến một số phương án bố trí kết cấu và chiều dày áo ñường khả thi, xác ñịnh trị số moñun ñàn hồi của vật liệu các lớp

- Xác ñịnh bề dày áo ñường dựa theo ñộ võng cho phép

- Nghiệm toán ứng suất kéo-uốn trong các lớp bê tông nhựa, các lớp móng bằng vật liệu có tính toàn khối ñảm bảo nhỏ hơn ứng suất kéo-uốn cho phép của vật liệu ñó

- Nghiệm toán ứng suất cắt trong các lớp mặt nhựa ñể không vượt quá ứng suất cắt cho phép của vật liệu

- ðối với mặt ñường ở những vùng ñóng băng theo mùa cần nghiệm toán bề dày lớp phòng chống ñóng băng xem có phù hợp yêu cầu không

b Các thông số tính toán cường ñộ và bề dày áo ñường mềm

- Tải trọng xe tính toán

Quy phạm dùng tải trọng tính toán tiêu chuẩn là tải trọng trục ñơn hai bánh của

ô tô BZZ.100 (tải trọng trục 100 KN) và ô tô BZZ.60 (tải trọng trục 60KN), trong

ñó xe BZZ60 chỉ dùng thiết kế mặt ñường cấp thấp

Bánh xe kép truyền tải trọng xuống mặt ñường thông qua hai vệt tiếp xúc của hai bánh xe, ñường kính một vệt tiếp xúc là d, khoảng cách giữa tim hai vệt bằng 1,5d

- Số trục tương ñương tích luỹ tính toán (số lần/ngày):

Số trục tương ñương tích luỹ Ne là số lần tác dụng của tải trọng trục tương ñương trong thời hạn thiết kế (số lần/ngày)

Theo quy trình, thời hạn thiết kế (năm) là năm tương lai (5-15 năm) tuỳ thuộc cấp ñường, cấp hạng mặt ñưòng, các loại lớp mặt và số trục xe tương ñương tích luỹ

γ

γ

1 365 1 ) 1 (

N N

t e

×

− +

Trong ñó :

t: là số năm trong thời hạn thiết kế (t = 5-15 năm, như trên phân tích)

N1: là số trục tương ñương trung bình ngày của năm ñầu tiên sau khi hoàn thành mặt ñường

- ðặc trưng tính toán của ñất nền

Khi thiết kế áo ñường mô ñun ñàn hồi của nền ñường ñược lấy vào mùa bất lợi nhất Trong trường hợp nền ñường chưa xây dựng thì thông qua phương pháp kinh nghiệm ñể tính

ðặc trưng tính toán của vật liệu

Cũng như quy trình Việt Nam, mô ñun ñàn hồi các lớp vật liệu và hệ số nở hông (ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm là ñặc trưng quan trọng nhất của vật liệu Trị số ñược lấy tuỳ thuộc ñiều kiện kiểm toán và ñiều kiện làm việc của vật liệu

Người ta ñã kiến nghị các bảng mô ñun ñàn hồi của vật liệu áo ñường cho từng vùng khí hậu trong ñó có xét ñến các ñiều kiện cấu trúc vật liệu, công nghệ thi công, thuỷ văn,

2.2.1.4 Phương pháp của viện nghiên cứu ñường Anh [3, 4, 9, 10,17]

Cho ñến năm 1960 ở Anh vẫn sử dụng toán ñồ của Corps of engineers (Hiệp hội kỹ sư quân ñội Mỹ) nhưng có tăng thêm 20% trọng lượng bánh xe lớn nhất thiết

kế ñể xét ñến sự lặp lại của tải trọng

Sau những thí nghiệm tiến hành trên các ñường ô tô ở Anh, Viện nghiên cứu ñường Anh (TRRL) ñã công bố các toán ñồ mới, so với phương pháp CBR có những cải tiến sau:

Xem tác dụng của sự lặp lại tải trọng ñối với chiều dày tuân theo quy luật logarit

Bỏ qua tác dụng của các xe có tổng trọng lượng dưới 3T Phương pháp này tính mặt ñường với tuổi thọ khoảng 20 năm ðể hạn chế chiều sâu vệt hằn bánh xe tối ña là 2cm, phương pháp này cố ñịnh chiều dày lớp mặt và lớp móng trên và xác ñịnh chất lượng vật liệu của các lớp này Chỉ có chiều dày của lớp móng dưói thay ñổi theo CBR của lớp trên nền ñường

Phương pháp này còn chưa xét ñến sự tương ñương giữa các trục bánh xe, tuy nhiên ñã xét ñến sự lặp lại của tải trọng

Về chất lượng vật liệu, nếu lớp móng trên làm bằng hỗn hợp ñá trộn nhựa thay cho vật liệu không gia cố thì cho phép giảm ñi 40% chiều dày Các ñiều kiện của thí nghiệm CBR ngâm nước ñược cho là quá nghiêm khắc nên việc nén lún ñược tiến hành ở ñộ ẩm gần với ñộ ẩm tốt nhất của Proctor khi mực nước ngầm nằm dưới cao

Tuổi thọ quy ñịnh là 20 năm với mặt ñường mềm và 40 năm với mặt ñường cứng

Ngoài ra còn các phương pháp thực nghiệm sử dụng thí nghiệm AASHTO; Phương pháp Shook và Finn

Phương pháp Liddle

Phương pháp của Viện công trình Mỹ

Phương pháp của Viện Asphalt Mỹ

Phương pháp SHELL

2.3 PHÂN TÍCH ƯU, KHUYẾT ðIỂM CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÊN: Hiện nay, tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam là 22TCN 211-93 song song với tiêu chuẩn 22TCN 274-01 Tuy nhiên, xu hướng chung của người sử dụng vẫn dùng theo tiêu chuẩn 211-93 là chủ yếu Cho ñến nay thì tiêu chuẩn này vẫn chưa bộc lộ nhược ñiểm gì lớn, mặc dù, phương pháp tính theo tiêu chuẩn này còn rất ít nước sử dụng ðể có cơ sở, chúng ta sử dụng tiêu chuẩn 211-93 làm cơ sở ñể phân tích các

ưu nhược ñiểm của một số phương pháp nói trên

2.3.1 Tiêu chuẩn 22TCN 211-93:

ðây là tiêu chuẩn hiện ñang ñược sử dụng chủ yếu ở Việt Nam Tiêu chuẩn này ñược xây dựng từ 22TCN 211-90 theo quy trình BCH 46-72 của Liên Xô cũ Phương pháp tính của tiêu chuẩn này trên cơ sở lý thuyết cơ học cho nên mang tính thuyết phục cao ðồng thời các kết cấu áo ñường ñược xây dựng theo cơ sở lý thuyết này ñến nay vẫn chưa bộc lộ những nhược ñiểm lớn Tuy nhiên ñể nâng cao hiệu quả sử dụng ñồng thời ñể có thể hoà nhập với xu thế chung của thế giới chúng

ta cần quan tâm ñến các hạn chế sau:

- Hiện nay, các nước có xu hướng tính kết cấu áo ñường theo các trường hợp tác dụng thực tế của tải trọng là lực tác dụng ñộng, ñột ngột tức thời, trùng phục nhiều lần và theo tác dụng của tải trọng tĩnh (tải trọng tác dụng dài hạn) là khác nhau Tuy nhiên, tiêu chuẩn 211-93 chỉ tính chung tất cả cho tải trọng tĩnh ðây là ñiều không hợp lý của tiêu chuẩn;

- Công thức dùng ñể tính cường ñộ của hệ nhiều lớp về hệ hai lớp chỉ cho giá trị tương ñối chính xác cho trường hợp hệ ba lớp về hệ hai lớp so với lời giải chính xác

- Phương pháp tính cường ñộ và chiều dày các lớp kết cấu áo ñường trên cơ sở của ba trạng thái giới hạn, trên cơ sở lời giải tìm ứng suất và biến dạng của lý thuyết ñàn hồi; trên cơ sở các thông số thực nghiệm và kinh nghiệm Kết quả tính phụ thuộc vào các thông số ñầu vào như lưu lượng và tải trọng xe, các ñặc trưng tính toán của vật liệu và ñất nền nên việc xác ñịnh các thông số phù hợp là vấn ñề cần nghiên cứu kỹ và thống nhất Sự ảnh hưởng của chế ñộ thủy nhiệt ñể tính toán thiết

kế luôn xét ở ñiều kiện bất lợi nhất là ñiều chưa phù hợp với thực tiễn

- Cơ sở lý thuyết của bài toán hệ ñàn hồi ñặt trên bán không gian vô hạn ñàn hồi Nhưng thực tế vật liệu kết cấu áo ñường và nền ñất không phải là vật liệu ñàn hồi ñồng nhất ñẳng hướng mà là vật liệu ñàn hồi - dẻo – nhớt Do ñó kết quả tính ñược chỉ là gần ñúng so với sự làm việc thực tế của kết cấu áo ñường

- Các toán ñồ ñược xây dựng với hệ hai lớp, nếu hệ có nhiều hơn hai lớp phải dùng công thức tính ñổi trên nguyên tắc tương ñương Việc tính ñổi và hệ số β thêm vào chỉ là gần ñúng

- Chưa có cách tính toán trực tiếp cường ñộ và ñộ ổn ñịnh tầng mặt kết cấu áo ñường dưới tác dụng của lực ngang và chưa có cách tính bề dày các lớp áo ñường dưới tác dụng của nhiệt ñộ và chế ñộ thay ñổi nhiệt ñộ

2.3.2 Tiêu chuẩn 22 TCN 274-01

- Thí nghiệm AASHTO mang tính cục bộ ñịa phương tại bang thử nghiệm nên ảnh hưởng bởi các ñiều kiện tự nhiên của bang ñó Do ñó, các thông số tính toán của phương pháp này chỉ có tính chính xác trong ñiều kiện thí nghiệm Vì vậy, khi ñưa vào tiêu chuẩn Việt Nam thì ñã có sự ñiều chỉnh theo ñiều kiện của Việt Nam Tuy nhiên, sự ñiều chỉnh này chưa ñược kiểm chứng sự phù hợp với tiêu chuẩn này bằng thực nghiệm, mà chủ yếu chỉ sử dụng những yêu cầu của các tiêu chuẩn hiện hành có liên quan (mà cụ thể là tiêu chuẩn TCVN 4054-98) ðiều này gây lúng túng

cho người sử dụng, làm cho tiêu chuẩn ựưa vào lưu hành ựã lâu nhưng vẫn không ựược áp dụng nhiều

- Ở Việt Nam hầu hết kết cấu mặt ựường ựược tắnh toán theo tải trọng tĩnh Do

ựó, hầu như không có thiết bị thắ nghiệm ựể ựáp ứng ựược các thông số tắnh toán của vật liệu làm mặt ựường theo tiêu chuẩn này

- Hạn chế bởi loại mặt ựường, số lớp thắ nghiệm, vật liệu các lớp, loại tải trọng thắ nghiệm và số lần tác dụng của tải trọng Hạn chế bởi thời gian tiến hành thắ nghiệm

- Việc dùng chỉ số phục vụ làm tiêu chuẩn trạng thái giới hạn cũng là vấn ựề cần phải thảo luận Chỉ số phục vụ PSI là chỉ số ựặc trưng cho mức ựộ phục vụ của ựường ựược xác ựịnh dựa vào phương pháp chuyên gia mang tắnh chủ quan, chưa thể hiện các căn cứ khoa học, chưa phân tắch các ựiều kiện ứng suất biến dạng khi kết cấu làm việc

Tuy, có những hạn chế như trên nhưng cho ựến nay "Thử nghiệm AASHTO" vẫn là một thử nghiệm quy mô to lớn nhất thế giới và có giá trị nghiệm chứng rất cao Hướng dẫn thiết kế mặt ựường của AASHTO 1986 có những ựặc ựiểm và ưu ựiểm sau ựây:

- Trong hướng dẫn ựã thể hiện rõ quan ựiểm thiết kế tổng hợp các giải pháp, tức là xem việc thiết kế mặt ựường không phải chỉ là việc xác ựịnh bề dày, mà phải chú trọng cả các biện pháp cấu tạo, yêu cầu vật liệu, yêu cầu về chất lượng thi công, các giải pháp khôi phục, sửa chữa, quản lý mặt ựường và các phương pháp phân tắch, so sánh, ựánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật các giải pháp thiết kế và dự án ựầu

tư xây dựng mặt ựường,

- Về cấu tạo, ựặc biệt chú trọng vai trò của lề ựối với sự làm việc của mặt ựường ựặc biết chú trọng các cấu tạo thoát nước dưới móng áo ựường

- Trong thiết kế mặt ựường ựã chú trọng xét ựến tác ựộng của môi trường (ẩm

và nhiệt ựộ) Ảnh hưởng của môi trường ựược xét kỹ trong các thông số tắnh toán

MR, mi đã xét ựến sự thay ựổi MR từ 12 - 24 kỳ trong một năm và xét ựến sự thay

ñổi mô ñun ñàn hồi của bê tông nhựa theo nhiệt ñộ ðây là một ñặc ñiểm và ưu ñiểm nổi bật nhất của AASHTO 1986

- Trong tính toán ñã dùng các thông số trung bình kèm theo việc sử dụng một

hệ số tin cậy ðây là một ñặc ñiểm khác hẳn với cách tính toán ở Việt Nam (dựa trên các thông số ở trạng thái bất lợi nhất)

2.3.2 Tiêu chuẩn ODN218.046.01:

Về mặt lý thuyết quy trình mới ODN218.046-01 của Nga không có thay ñổi so với các tiêu chuẩn trước ñây Các tiêu chuẩn kiểm tra kết cấu áo ñường mềm tuy vẫn tính theo ba trạng thái giới hạn như quy trình cũ nhưng, so với quy trình cũ thì ở quy trình mới ñã có nhiều thay ñổi về quan ñiểm cũng như về nội dung tính toán như:

- Mặt ñường ñược thiết kế với ñộ tin cậy khác nhau, không còn quan ñiểm chỉ thiết kế ở ñiều kiện bất lợi nhất như tiêu chuẩn cũ;

- Tải trọng tính toán ñược phân ra hai trường hợp là tải trọng tĩnh và tải trọng ñộng phù hợp với thực tế xe chạy cũng như cách xác ñịnh các thông số tính toán về tải trọng và các thông số của các loại vật liệu một cách chính xác và khoa học hơn, phù hợp với ñiều kiện xe chạy cũng như chức năng của các lớp kết cấu ñược sử dụng trong thực tế;

- Các chỉ số ñất nền như góc nội ma sát ϕ, lực dính c thay ñổi phụ thuộc vào tổng số lần tác dụng của tải trọng (ΣNp);

- Do tính theo tải trọng ñộng nên xét ñược sự tích luỹ tải trọng tác dụng lên mặt ñường trong quá trình khai thác

2.3.2 Phương pháp của Trung Quốc

Phương pháp này cũng là phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Phương pháp tính dựa trên lời giải của lý thuyết ñàn hồi, các toán ñồ ñược lập sẵn với hệ 2 và 3 lớp, khi kiểm toán ñều ñổi các lớp kết cấu về hệ 3 lớp với lớp mặt, lớp móng và nền ñất Hệ này phản ánh chính xác hơn sự làm việc của kết cấu áo ñường thực tế và do ñó kết quả tính toán tin tưởng hơn Mặt khác, khi quy ñổi các lớp về

sánh và kiểm nghiệm bằng máy tắnh ựiện tử nên ựộ chắnh xác cao hơn quy ựổi bằng

ựộ cứng tương ựương hai lớp một từ dưới lên như quy trình Việt Nam;

Tải trọng tiêu chuẩn của cả hai phương pháp như nhau (trục xe 10T), nhưng phương pháp của Trung Quốc tắnh với sơ ựồ tải trọng là 2 vòng tròn cho từng bánh trong bánh kép của xe tiêu chuẩn, sơ ựồ này phù hợp với thực tế tác dụng lực hơn việc dùng sơ ựồ một vòng tròn tiếp xúc như quy trình Việt Nam;

Các trị số ựặc trưng của vật liệu và ựất nền cũng ựược lấy với chế ựộ thuỷ nhiệt bất lợi nhất, các trị số mô ựun ựàn hồi của ựất nền theo quy trình Trung Quốc có lớn hơn;

đã ựưa việc tắnh toán cường ựộ và ựộ ổn ựịnh của tầng mặt áo ựường dưới tác dụng của lực ngang nhưng cũng chưa có cách tắnh bề dày các lớp áo ựường dưới tác dụng của nhiệt ựộ và chế ựộ thay ựổi nhiệt ựộ;

để có thể áp dụng ựược quy trình của Trung Quốc vào Việt Nam thì còn thiếu các nghiên cứu chi tiết, cụ thể phù hợp với ựiều kiện Việt Nam

2.3.4 Nhận xét chung

Từ các phân tắch trên, nhận thấy:

Tiêu chuẩn 274-01, tiêu chuẩn mới ban hành, mang tắnh hội nhập cao Nhưng chúng ta cũng thấy rằng nó không thể thay thế hoàn tòan cho tiêu chuẩn 211-93 hiện hành Ở nước ta thì chỉ có thể áp dụng nguyên si theo hướng dẫn của của AASHTO như hiện nay và chúng ta cũng không có thể thiết kế tiêu chuẩn AASHTO theo kểu Việt Nam ựược vì ựây là phương pháp thực nghiệm

Vì vậy, ựể chúng ta có thể ựạt ựược mục ựắch hội nhập, ựưa tắnh toán ngày càng tiến gần ựến chắnh xác theo thực tế cũng như ựảm bảo phù hợp với ựiều kiện Việt Nam thì bước ựầu chúng ta tiến hành nghiên cứu so sánh các phương pháp tắnh tiêu biểu này ựể có thể mở ra các bước nghiên cứu tiếp theo ựể hoàn thiện hơn quy trình tắnh toán mặt ựường mềm của Việt Nam

CHƯƠNG 3

SO SÁNH CÁCH QUY ðỔI MOðUN ðÀN HỒI THEO TIÊU CHUẨN 22TCN211-93 VỚI TIÊU CHUẨN ODN218.046.01 VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CÔNG THỨC GẦN ðÚNG ðỂ TÍNH

MOðUN ðÀN HỒI

Theo tiêu chuẩn 22TCN 211-93 thì phương pháp ñể xác ñịnh cường ñộ của kết cấu mặt ñường (Ech) từ lý thuyết của hệ hai lớp, chuyển ñổi dần hệ nhiều lớp về hệ hai lớp bằng công thức thực nghiệm Theo tiêu chuẩn mới của Nga (ODN) thì ngược lại, Ech ñược xác ñịnh bằng cách ñổi hai lớp một từ dưới lên bằng toán ñồ hình 3.1 của [13]

Tuy nhiên, khi tính theo phương pháp của tiêu chuẩn 22TCN211-93 sẽ không tính ñược nếu tỷ số h/D>2, và khi này thì phải dùng biện pháp ñổi dần hai lớp một

từ dưới lên

Chúng ta tính toán theo hai phương pháp trên thì phụ thuộc nhiều vào ñộ chính xác của việc tra toán ñồ Vì vậy, chúng ta còn có thể dùng các công thức gần ñúng ñược lập từ lời giải chính xác của B.I.Kogan và D.Burmister

Phương pháp thực hiện: So sánh, ñối chiếu kết quả tính ñộ võng ñàn hồi của một số dạng kết cấu ñiển hình theo các tiêu chuẩn 211-93, ODN với kết quả của các công thức từ lời giải chính xác của Kogan và D.Burmister theo trình tự cho hệ hai lớp, ba lớp và nhiều lớp

3.1 XÁC ðỊNH MODUN ðÀN HỒI THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP

- Xác ñịnh Ech bằng toán ñồ của tiêu chuẩn 22TCN 211-93 (hình3-4);

Hình3- 4: Toán ñồ xác ñịnh Ech theo 22TCN211-93

Ech xác ñịnh bằng toán ñồ, phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Ech = f(h/D,E2/E1) h: bề dày của kết cấu áo ñường D: ñường kính vệt bánh xe

E2: Moñun ñàn hồi của ñất nền

E1: Moñun ñàn hồi của lớp kết cấu áo ñường