Nghiên cứu xây dựng mô hình phân tích ảnh hưởng của tải trọng đến vệt hằn bánh xe của bê tông nhựa có xét đến ảnh hưởng của tầng móng

Luận văn tập trung xây dựng thiết bị thín ghiệm HLBX có xét đến ảnh hưởng của cả kết cấu phần móng Từ đó đi phân tích ảnh hưởng của mô đun đàn hôi động Ed của móng kết cấu áo đường và tải trọng trục xe p tốc độ xe chạy V cùng nhiệt độ T đến hằn lún vệt bánh xe RD của kết cấu mặt đường bê tông nhựa Nghiên cứu này cũng so sánh sự tương quan của 2 loại kết cấu áo đường có và không sử dụng vật liệu gia cố liên kết vô cơ Mô hình thí nghiệm thực full scale được sử dụng để xác định RD cho mặt đường bê tông nhựa C12 5 Kết quả đo đạt được so sánh với kết quả tính toán theo AASHTO 08 Từ kết quả phân tích cho thấy sự ảnh hưởng rất rõ của Ed T V và p đến giá trị RD của kết cấu áo đường Kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ ra việc cần thiết phải xét đến ảnh hưởng của lớp móng khi đánh giá khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của mặt đường bê tông nhựa

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN XUÂN BÁCH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẾN VỆT HẰN BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG NHỰA CÓ XÉT ĐẾN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN XUÂN BÁCH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐẾN VỆT HẰN BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG NHỰA CÓ XÉT ĐẾN

ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG MÓNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 8580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN TRUNG VIỆT

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi 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

Nguyễn Xuân Bách

Tóm tắt

Luậnv ăn tập trung xây dựng thiết bị thín ghiệm HLBX có xét đến ảnh hưởng của cả kết cấu phần móng Từ đó, đi phân tích ảnh hưởng của mô đun đàn hôi động (Ed) của móng kết cấu áo đường và tải trọng trục xe (p), tốc độ xe chạy (V) cùng nhiệt

độ (T) đến hằn lún vệt bánh xe (RD) của kết cấu mặt đường bê tông nhựa Nghiên cứu này cũng so sánh sự tương quan của 2 loại kết cấu áo đường có và không sử dụng vật liệu gia cố liên kết vô cơ Mô hình thí nghiệm thực (full-scale) được sử dụng để xác định RD cho mặt đường bê tông nhựa C12.5 Kết quả đo đạt được so sánh với kết quả tính toán theo AASHTO 08 Từ kết quả phân tích cho thấy sự ảnh hưởng rất rõ của

Ed,T,V và p đến giá trị RD của kết cấu áo đường Kết quả nghiên cứu của đề tài chỉ ra việc cần thiết phải xét đến ảnh hưởng của lớp móng khi đánh giá khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của mặt đường bê tông nhựa

Từ khóa – Áo đường mềm, hằn lún vệt bánh xe, Modun đàn hồi động, Bê tông

nhựa, nhiệt độ bê tông nhựa, tải trọng trục xe

Abtstract:

The research focus to build a Rutting Testing Devices consideration the depth of pavement structural Based on the device, the thesis focus on the effect of the dynamic modulus (Ed) of base course axle load(p), speed of vehicle (V) and temperature(T) on rutting depth (RD) of the asphalt pavement This study also compares the correlation of two types of pavement structures with and without inorganic reinforced materials A full-scale experimental model was developed to measures the RD of asphalt pavement C12.5 These measured were compared with the results of the AASHTO 08 Based on these analysis, the results show that the effect of

full-Ed,T,V and p on RD values of asphalt pavement C12.5 very important The results of the study show that it is necessary to consider the effect of the base course when we evaluate the RD of asphalt pavement structures

Keywords – Flexible pavement, Rutting depth, Dynamic modulus, Asphalt concrete, Pavement temperature, axle load

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 1

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG HƯ HỎNG MẶT ĐƯỜNG VÀ HIỆN TƯỢNG HẰN LÚN VỆT BÁNH XE 4

1.1 Mở đầu 4

1.2.Các dạng hư hỏng của mặt đường BTN 4

1.2.1 Nứt bề mặt 4

1.2.2 Trượt trồi mặt BTN 7

1.2.3 Hằn lún vệt bánh xe (HLVBX) 7

1.3 Nghiên cứu vệt hằn bánh xe trong nước và trên thế giới 12

1.3.1 Một số nghiên cứu trong nước 12

1.3.2 Một số nghiên cứu trên thế giới 16

1.4 Kết luận: 22

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM HẰN LÚN VÀ QUY HOẠCH MẪU 23

2.1 Mở đầu 23

2.2 Dự kiến kích thước m u thí ngiệm 23

2.3 Phương pháp xác định mô-đun đàn hồi động (Dynamic Modulus ) bằng thiết bị Light-FWD 31

2.4 Trình tự thi công m u 35

2.5 Phương trình tương quan giữa độ chặt K và Eđ 51

2.6 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm độ sâu RD vệt hằn bánh xe 51

2.7 Trình tự đo HLVBX (RD) 51

2.8 Kết quả đo HLVBX (RD) 52

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG E đ , T và q ĐẾN HLVBX CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG BTN 57

3.1 Mở đầu 57

3.2 Độ sâu vệt hằn(RD) theo công thức cơ học thực nghiệm AASHTO 1993 57

3.3 Phân tích ảnh hưởng của Eđ, T và áp lực q đến HLVBX 59

3.4 Phương trình tương quan giữa Eđ, T, q, N đến vệt hằn bánh xe RD 64

3.5 Kết luận 66

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 68

Tài liệu tham khảo 71

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe : a-QL1, TP Hà Tĩnh; b- QL1 đoạn Hà Tĩnh-Vinh 1

Hình 2: Mô hình thí nghiệm full-scale kiểm tra kết cấu áo đường của viện IFSTTAR, Pháp 2

Hình 1.1: Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt thành ổ gà [internet] 4

Hình 1.2: Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt do mỏi [internet] 5

Hình 1.3: Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt dọc [internet] 5

Hình 1.4: Hư hỏng mặt đường dạng nứt thành lưới [internet] 6

Hình 1.5: Hư hỏng mặt đường dạng nứt phản ánh phát triển từ dưới lớp bê tông xi măng [internet] 6

Hình 1.6: Hư hỏng mặt đường dạng lún trồi dưới vệt bánh xe khi xe vào đường cong nằm [internet] 7

Hình 1.7: Hằn lún vệt bánh xe ở quốc lộ 1 [internet] 8

Hình 1.8: Hằn lún vệt bánh xe trong bản thân lớp mặt [internet] 9

Hình 1.10: Hằn lún vệt bánh xe trong bản thân các lớp móng và lớp mặt [internet] 10

Hình 11: Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe : [internet] 11

Hình 1.12: Mô hình thí nghiệm full-scale kiểm tra kết cấu áo đường của 12

Hình 1.13: Biểu đồ so sánh độ lún m u thử và biểu đồ so sánh độ lún m u thử với độ lún tối đa cho phép [ThS NCS Nguy n Ngọc, 2015] 13

Hình 1.15: kết quả thí nghiệm vệt hằn bánh xe được thực hiện trong môi trường không khí 600C của h n hợp SMA(SMA-PMBIII) và C12.5(C12.5-PMBIII)[ Nguy n Huỳnh Tấn Tài và Trần Thiện Nhân, 2016] 14

Hình 1.16: chiều sâu vệt lún bánh xe của m u BTN C19, 57 đá dăm và 64 đá dăm [Nguy n Văn Long và Phan Văn Quảng, 2016] 14

Hình 1.17: Đường bao vật liệu cho 3 vùng vật liệu của BTN chặt C.19[ Amir Golalipour và cộng sự ( 2012)] 17

Hình 1.18: Độ ổn định Marh-shall [Amir Golalipour và cộng sự ( 2012)] 17

Hình 1.19: Độ r ng không khí(V.A) và độ r ng khung cốt liệu(V.M.A) [Amir Golalipour và cộng sự ( 2012)] 18

Hình 1.19: Độ cứng [Amir Golalipour và cộng sự ( 2012)] 18

Hình 1.20: Độ cong biến dạng không phục hồi [Amir Golalipour và cộng sự ( 2012)] 18

Hình 1.21: Tương quan giữa tải trọng trục và lún vệt bánh xe mặt đường[ mô hình cơ học thực nghiệm] 19

Hình 1.22 Tác động các tổ hợp tải trọng đến sự phát triển hằn lún có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ [Barugahare Javilla và cộng sự (2017)] 21

Hình 23: Tác động của các tổ hợp tải trọng đến chiều sâu HLVBX không xét đến ảnh hưởng

của nhiệt độ [Barugahare Javilla và cộng sự, 2017] 21

Hình 2.1: Hình dạng và kích thước m u thí nghiệm 30

Hình 2.2: Thanh phần hạt của BTN 30

Hình 2.3: Thanh phần hạt của CPTN 31

Hình 2.4: Thanh phần hạt của CPĐD 31

Hình 2.5 : Thiết bị Light-FWD đo mô đun động 32

Hình 2.6: Dùng cát để tăng diện tích tiếp xúc của máy với mặt phẳng thí nghiệm 32

Hình 2.7 Chốt an toàn ở chế độ FREE trong qua trình thí nghiệm 33

Hình 2.8: Các tham số của máy bao gồm đường kính đế gia tải (330mm);Hệ số poisson ứng với m i loại cấp phối khác nhau 33

Hình 2.9: Màn hình bộ điều khiển khi máy ở trạng thái sẵn sàng đo 33

Hình 2.10: Kết quả được hiển thị trên màn hình của bộ điều khiển 34

Hình 2.11: sơ đồ vị trí đo FWD cho các lớp kết cấu 34

Hình 2.13: Quá trình chu n bị khuôn 35

Hình 2.14: Quá trình sang r i và lu l n lớp đáy móng 36

Hình 2.15: Quá trình đo modulus lớp đáy móng 36

Hình 2.16: Quá trình san r i CPTN 38

Hình 2.17: Quá trình lu l n CPTN 39

Hình 2.18: Quá trình đo modulus CPTN 40

Hình 2.19: Quá trình san r i CPĐD 42

Hình 2.20: Quá trình lu l n CPĐD 44

Hình 2.21: Quá trình đo modulus CPĐD 44

Hình 2.22: Công tác quét bụi, chải mặt đường 46

Hình 2.23: Công tác tạo khuôn và tưới nhựa 46

Hình 2.24: Công tác vận chuyển và san r i BTN 47

Hình 2.25 Quá trình lu l n BTN 49

Hình 2.27Tương quan giữa Eđ và độ chặt đầm nén K [Liu et al., 2016] 51

Hình 2.28: Thiết bị thí nghiệm đo vệt hằn bánh xe 51

Hình 2.29: Dữ liệu dạng hình ảnh xuất ra từ máy 51

Hình 2.30: Vị trí đo của các vệt hằn trên bề mặt lớp BTN 51

Hình 2.31: Dữ liệu dạng số xuất ra từ máy 52

Hình 2.32: Biểu đồ quan hệ giữa số lượt tác dụng và độ lún ở 40 độ, 0.65MPa của 3 m u 53

Hình 2.33: Biểu đồ quan hệ giữa số lượt tác dụng và độ lún ở 50 độ, 0.65MPa của 3 m u 54

Hình 2.34: Biểu đồ quan hệ giữa số lượt tác dụng và độ lún ở 50 độ, 0.6MPa của 3 m u 55

Hình 3.1: Biểu đồ quan hệ giữa số lượt tác dụng và độ lún của m u 1 , nhiệt độ 500C cho cấp tải 0.6Mpa theo công thức thực nghiệm và theo kết quả đo của mô hình thí nghiệm 59 Hình 3.2: Biểu đồ so sánh giữa mô đun kết cấu 3 m u, nhiệt độ 500C cho cấp tải 0.6MPa 60 Hình 3.3: Biểu đồ so sánh giữa mô đun kết cấu 3 m u, nhiệt độ 500C cho cấp tải 0.65MPa 61 Hình 3.4: Biểu đồ so sánh giữa mô đun kết cấu 3 m u, nhiệt độ 400C cho cấp tải 0.65MPa 61 Hình 3.5: Biểu đồ so sánh giữa 2 cấp tải 0.65MPa và 0.6MPa về độ lún của m u 1, nhiệt 62 Hình 3.6: Biểu đồ so sánh giữa 2 cấp tải 0.65MPa và 0.6MPa về độ lún của m u 2, nhiệt độ

500C và 400C 63 Hình 3.7: Biểu đồ so sánh giữa 2 cấp tải 0.65MPa và 0.6MPa về độ lún của m u 2, nhiệt độ

500C và 400C 63 Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ giữa mô đun KCAĐ, tải trọng và nhiệt độ đến độ sâu vệt hằn bánh

xe 64 Hình3.9: Mô hình interactive nonlinear để tìm phương trình tương quan 65 Hình 3.10: So sánh kết quả giữa mô hihf đề xuất và kết quả thực nghiệm từ 9 mô hình 65 Hình 3.11: So sánh kết quả của Proposed model với thực nghiệm cho M u 4, T= 50 C, p=0.65MPa, Eđ= 248 Mpa 66

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: nh hưởng của tải trọng đến HLVBX 15

Bảng 1.2: nh hưởng của áp suất bánh hơi đến HLVBX 15

Bảng 1.3: nh hưởng của tải trọng và áp suất bánh đến HLVBX 15

Bảng 1.4 Thời gian tác dụng tính toán của 1 lần xe chạy lên mặt đường BTN (khi độ dốc dọc đường <3 ) 16

Bảng 1.5: Kết quả đo lún vệt bánh xe ngoài thực tế trên tuyến Đại lộ Đông Tây sau 4 năm khai thác 16

Bảng 1.6: Giới hạn độ sâu LVBX theo phương pháp Hamburg Wheel-Tracking 19

Bảng 7: Kết quả thử nghiệm độ ổn định (DS) của các loại lớp mặt 20

Bảng 8: Hai cấu trúc điển hình lớp mặt đường trên đường cao tốc 20

B NG 2.1: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CÁT M U S 1 37

B NG 2.2: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CÁT M U S 2 37

B NG 2.3: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CÁT M U S 3 37

B NG 2.4: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CÁT M U S 4 37

B NG 2.5: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CPTN M U S 1 41

B NG 2.6 K T QU ĐO FWD CHO LỚP CPTN M U S 2 41

B NG 2.7: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CPTN M U S 3 41

B NG 2.8: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CPTN M U S 3 41

B NG 2.9: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CPĐD M U S 1 45

B NG 2.10: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CPĐD M U S 2 45

B NG 2.11: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CPĐD M U S 3 45

B NG 2.12: K T QU ĐO FWD CHO LỚP CPĐD M U S 4 45

B NG 2.13: K T QU ĐO FWD CHO LỚP BTN M U S 1 50

B NG 2.14: K T QU ĐO FWD CHO LỚP BTN M U S 2 50

B NG 2.15: K T QU ĐO FWD CHO LỚP BTN M U S 3 50

Bảng 3.1: Độ lún sau 16000 lượt của 3 m u thí nghiệm cấp tải 0.6MPa theo bài toán cơ học thực nghiệm của M (AASHTO 1993) 58

Bảng 3.2: Độ lún sau 16000 lượt của 3 m u thí nghiệm cấp tải 0.65MPa theo bài toán cơ học thực nghiệm của M (AASHTO 1993) 59

q : Áp lực tải trọng tác dụng xuống mặt đường (kPa)

Eđ : Mô đun đàn hồi

KCAD : Kết cấu áo đường

w : Độ lún mặt đường do tải trọng gây ra (mm);

N80 : Tổng tích lũy trục xe quy đổi về trục 18 kíp (8,2T), theo thời gian tính toán hằn lún trong năm (chỉ tính thời gian lưu hành vào mùa h , mùa xuân và mùa thu);

E1 : Mô đun đàn hồi trung bình của các lớp mặt và móng hệ hai lớp (MPa)

E0 : Mô đun đàn hồi của lớp nền tính toán (MPa)

Dqd : Đường kính vệt bánh xe qui đổi (cm)

P : Trọng lượng bánh xe khai thác

htd : Chiều dày tương đương của kết cấu mặt đường (cm)

h1 : Tổng chiều dày lớp mặt đường

MỞ ĐẦU

Trên thế giới, Bê Tông Nhựa (BTN) được xem là vật liệu tốt nhất và phổ biến nhất để làm lớp mặt cho đường ô tô Theo thời gian, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì nó cũng kéo theo sự thay đổi của nhiều yếu tố làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của kết cấu mặt đường BTN: nhiệt độ, độ m không khí, tải trọng xe lưu thông,…Trong đó việc sự ảnh hưởng đặc biệt đến cường độ của BTN (Young’s Modulus), sự lan truyền vết nứt trên bề mặt BTN, và hiện tượng hằn lún vệt bánh xe (HLVBX) [Hasan et al 2017] Để giải quyết bài toán, nhằm khắc phục các vấn đề này cũng như làm tăng thêm tuổi thọ thực tế của kết cấu mặt đường BTN, hàng loạt các phương pháp phân tích hiện đại, phù hợp thực ti n đang được sử dụng rộng rãi: phương pháp cơ học-thực nghiệm; phương pháp hồi quy dựa trên cường độ mặt đường hoặc thí nghiệm trên các tuyến đường thực tế,…[Huang, 2004; NCHRP, 2007]

Trong những năm gần đây, với công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì mạng lưới hạ tầng giao thông không ngừng phát triển với hàng loạt các đường cao tốc, quốc lộ cùng lưu lượng xe ngày càng tăng cả về số lượng và tải trọng trục Chính tốc độ phát triển quá nhanh đ đặt ra yêu cầu cấp thiết cho các nhà nghiên cứu, các k sư phải không ngừng tìm tòi và áp dụng các nguyên lý, phương pháp tính toán phù hợp với thực ti n để làm tăng tuổi thọ của kết cấu mặt đường BTN Tuy nhiên ở nước ta hiện nay, việc vận dụng các phương pháp tiên tiến vào trong đánh giá, kiểm tra kết cấu mặt đường BTN v n còn ở mức tham khảo hay chỉ là các nghiên cứu mang tính học thuật trong các phòng thí nghiệm ở các trường Đại học Điều này d n đến một hiện trạng thực tế ở Việt Nam là tuổi thọ của kết cấu áo đường nhỏ hơn rất nhiều so với tính toán

Trong những năm gần đây, hiện tượng hằn lún vệt bánh xe của mặt đường BTN nổi lên như một vấn đề nóng của ngành giao thông vận tải ở Việt Nam Truớc tình hình trên, đặc biệt là hiện tượng này xuất hiện trên các quốc lộ (QL) rất nhiều trong thời gian gần dây, nhiều cuộc hội thảo đã duợc tổ chức Bộ Giao thông Vận tải cũng đã

có nhiều giải pháp để tăng cuờng chất luợng trong thi công nhằm khắc phục hiện tuợng trên Hầu hết các ý kiến đều chỉ chú trọng đến vật liệu bê tông nhựa (thành phần cấp phối, đá, nhựa…), về công nghệ thi công Kết quả là rất nhiều công trình v n xảy

ra hiện tượng HLVBX sau khi đưa vào khai thác (hình 1)

Hình 1: Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe : a-QL1, TP Hà Tĩnh; b- QL1 đoạn Hà Tĩnh-Vinh

Để khắc phục hiện tượng hằn lún, trên thế giới đ sử dụng phương pháp Wheel Tracking và ở Việt Nam BGTVT cũng đ ban hành quyết định 1617 về phương pháp thử độ sâu hằn lún theo phương pháp này Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là: (i) chỉ thí nghiệm cho m u có chiều dày 5cm, điều này không phản ánh hết được kết cấu làm việc thực tế của BTN; (ii) là kết quả chỉ đánh giá cho số lần tác dụng tối đa

là 40.000 lần, con số này khá nhỏ so với lưu lượng xe thực tế; (iii) chỉ thử nghiệm với

1 áp lực cố định trong khi thực tế xe vượt tải khá nhiều; (iv) m u thí nghiệm được đặt trên nền không biến dạng (tấm thép cứng), trong khi kết cấu thực tế được đặt trên một nền biến dạng đàn hồi; (v) tần số tác dụng của tải trọng là cố định trong suốt quá trình thí nghiệm, điều này không phù hợp với điều kiện lưu thông thực tế; (vi) với một giá trị nhiệt độ tối đa 600C là không phù hợp thực tế [Wang et al 2016] Để khắc phục nhược điểm này, trên thế giới nhiều nghiên cứu được tiến hành với các mô hình khác nhau: full-depth Wheel Tracking [Wang et al 2016], multi-layer Rutting [Lin et San, 2005; Haddock et al 2005; Syed et Karim, 2006; Husan et al 2013], hay nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến HLVBX [LI et al 2003; Shi et al 2013] và các kết quả nghiên cứu đ chỉ ra ảnh hưởng của nhiệt độ, chiều dày lớp BTN hay hệ nhiều lớp đến giá trị HLVBX Ngoài mô hình full-depth Wheel Tracking đề xuất bởi Wang, thì trên thế giới mô hình full-scale để đánh giá cường độ của kết cấu BTN được sử dụng mà

tiêu biểu là mô hình của IFSTTAR, Pháp (hình 2), các mô hình này sau khi phân tích,

kiểm tra sẽ cho kết quả sát với điều kiện làm việc thực tế của kết cấu áo đường

Hình 2: Mô hình thí nghiệm full-scale kiểm tra kết cấu áo đường của viện IFSTTAR,

Pháp

Như vậy việc áp dụng một cách khuôn khổ phương pháp Wheel Tracking như quyết định 1617 của BGTVT nước ta hiện nay là một trong những nguyên nhân d n đến là rất nhiều công trình dù đ được nghiên cứu, tư vấn rất k nhưng v n xảy ra hằn lún Đặc biệt trong đó việc bỏ qua ảnh hưởng của kết cấu tầng móng trong thí nghiệm, phân tích là một trong những nguyên nhân

Từ những phân tích trên, việc xây dựng một mô hình thí nghiệm phản ảnh gần đúng nhất thực tế làm việc của kết cấu áo đường là cần thiết, trên cơ sở đó phân tích đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến HLVBX là rất cần thiết Vì vậy em đ quyết định

chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mô hình phân tích ảnh hưởng của tải trọng đến vệt hằn bánh xe của bê tông nhựa có xét đến ảnh hưởng của tầng móng”

Với các phân tích như trên, luận văn tập trung phân tích và xây dựng được mô hình thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe của KCAD Luận văn thực hiện với 3 chương, phần mở đầu và phần kết luận

Chương 1, luận văn tập trung tổng hợp các nguyên nhân gây hư hỏng mặt

đượng và gây hằn lún vệt bánh xe Các nghiên cứu trong và ngoài nước về các nguyên nhân, giải pháp để tăng khả năng kháng hằn lún cảu BTN được tổng hợp Các mô hình thí nghiệm hằn lún đang được sử dụng trong và ngoài nước cũng được luận văn tổng

hợp, so sánh các ưu và nhược điểm

Chương 2, luận văn tập trung phân tích nguyên lý cơ học, truyền động để thiết

kế và chế tạo mô hình xác định HLVBX cho KCAD thực Trên cơ sở mô hình đ xây dựng, luận văn cũng tiến hành quy hoạch thực nghiệm các m u TN để tiến hành phân tích, so sánh và đánh giá kết quả từ mô hình

Chương 3, luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của tải trọng và nhiệt độ đến

HLVBX của KCAD dựa trên mô hình đ xây dựng ở chương 2

đó lựa chọn lý do nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng và mô đun đất nền ảnh hưởng đến vệt hằn bánh xe của mặt đường bê tông nhựa

1.2 Các dạng hư hỏng của mặt đường BTN

1.2.1 Nứt bề mặt

Nứt có nhiều loại hình nứt khác nhau, xuất phát từ các nguyên nhân khác nhau Một số dạng nứt mặt đường như nứt ngang, nứt dọc, nứt lưới, nứt hình parabol bắt nguồn từ các nguyên nhân như: Tải trọng, thi công không đảm bảo chất lượng, nhiệt

độ trong h n hợp, độ m cao của nền đường (chứa nước), thay đổi độ m và nhiệt độ

trong các lớp phía dưới Sau đây, xét một số dạng nứt mặt đường bê tông nhựa:

Hình 1.1: Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt thành ổ gà [internet]

+Nứt do mỏi: Dạng này xảy ra khi các tải trọng tác dụng gây ra ứng suất

kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông nhựa Dấu hiệu sớm của dạng này là sự xuất hiện các vết nứt dài không liên tục theo vệt bánh xe, sau đó phát triển dần lên do một số điểm các vết nứt trong cấu trúc trong h n hợp nối lại với nhau hình thành vùng nứt lớn hơn Các vết nứt phát triển cho đến khi hình thành nứt kiểu da cá sấu Mặt đường sẽ tiếp tục nứt nặng hơn nữa đến khi xuất hiện “ổ gà” Hiện tượng nứt mỏi xảy ra thông thường do phối hợp các nguyên nhân: Tải trọng nặng trùng phục nhiều trên mặt đường, lưu lượng và xe nặng tăng vọt quá mức dự báo của thiết kế Ngoài ra, mặt đường có bề dày nhỏ hay các lớp dưới yếu làm xuất hiện độ võng lớn trên mặt đường khi có tác dụng của tải trọng Độ võng mặt đường lớn làm tăng ứng suất kéo ở phía đáy của lớp bê tông nhựa làm phát sinh vết vứt Chất lượng xây dựng kém, đầm nén không đủ, thi công trong thời tiết bất lợi, hàm lượng nhựa thiếu, thoát nước mặt đường kém làm giảm cường độ của nền móng bằng vật liệu không gia cố cũng góp phần làm tăng khả năng phát sinh vết nứt hay chất lượng lớp dính bám kém làm tăng ứng suất kéo dưới đáy bê tông nhựa

Hình 1.2: Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt o mỏi int rn t

+ Nứt dọc: Nứt dọc thường có nguyên nhân từ việc mở rộng nền, mặt

đường làm biến dạng không đều giữa các phần đường mới và đường cũ Nứt dọc theo vết lún bánh xe do ứng suất kéo của tải trọng xe gây ra vượt quá giới hạn chịu kéo của bê tông nhựa

Hình 1.3: Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt dọc [internet]

+ Nứt thành lưới: Là loại hư hỏng phát triển từ vết nứt ngang và nứt dọc,

nguyên nhân thường là nứt do nhiệt kết hợp với hiện tượng sơ hóa bề mặt vết nứt Loại nứt này thường xuất hiện trên những khu vực rải bê tông bề mặt lớn Đây là hiện tượng hư hỏng có liên quan đến chiều dày bê tông nhựa chưa đạt yêu cầu hay

do dính bám không tốt Quá trình xuống cấp mặt đường di n ra khá nhanh do xuất hiện vết nứt thứ cấp và bong bật từng mảng vật liệu bề mặt

Hình 1.4: Hư hỏng mặt đường dạng nứt thành lưới [internet]

+ Nứt phản ánh: Nứt phản ánh do các nguyên nhân sau: Nứt từ khe nối của mặt

đường bê tông xi măng phía dưới, truyền vết nứt do nhiệt của mặt đường bê tông nhựa cũ, truyền từ nứt Block của mặt đường phía dưới

Hình 1.5: Hư hỏng mặt đường dạng nứt phản ánh phát triển từ ưới lớp bê tông xi

măng

+ Giải pháp:

(i) Nhà thầu thi công thi công đảm bảo chất lượng, tư vấn giám sát cần theo dõi qúa trình thi công kịp thời phát hiện và khắc phục sai xót trong quá trình thi công (ii) Kiểm xoát và xử lý xe quá tải

(iii) Gia cường bằng lưới sợi cốt thủy tinh

(iv) Đối với công trình mở rộng cải tạo cần quan trắc lún, và thi công đắp đất xử

lý lún trước khi làm các lớp móng và rải thảm BTN

(v) Đối với lớp mặt dưới là bê tông xi măng cần tạo khe nứt giả hoặc sử dụng lớp bê tông nhựa r ng dưới lớp BTN chặt ở trên

hư hỏng như lún vệt bánh xe, trượt, dồn ụ nhựa mặt đường Có thể thấy khi nhiệt độ thay đổi thì bản chất vật liệu thay đổi làm cho cơ chế chịu tải và phá hoại cũng thay đổi theo

Hình 1.6: Hư hỏng mặt đường dạng lún trồi ưới vệt bánh x khi x vào đường cong

nằm

Giải pháp:

1) Nghiên cứu sử dụng các loại nhựa đường, bê tông nhựa ổn định với nhiệt độ 2) Sử dụng hàm lượng nhựa hợp lý, tránh việc sử dụng hàm lượng nhựa quá lớn gây chảy nhựa khi nhiệt độ tăng cao

3) Kiểm xoát và xử lý xe quá tải

4) Tại các nút giao đ n tính hiệu, ng ba, ng tư, trạm thu phí nên thay mặt đường mềm bằng mặt đường cứng

1.2.3 Hằn lún vệt bánh xe (HLVBX)

 HLVBX là hiện tượng mặt đường bị lún xuống theo phương dọc dưới vệt bánh xe, biểu thị sự tích lũy biến dạng vĩnh cửu gia tăng dưới tác dụng của tải trọng lặp của bánh xe

 Trên thế giới, hiện tượng HLVBX mặt đường BTN khá phổ biến trên thế giới, và đ được thế giới quan tâm nghiên cứu, đưa ra các giải pháp khắc phục, bao gồm từ việc lựa chọn giải pháp kết cấu mặt đường, thiết kế h n hợp

bê tông nhựa phù hợp, kiểm soát và nâng cao chất lượng vật liệu cho BTN, kiểm soát chất lượng thi công

 Tại Việt Nam, ngoài những hư hỏng mặt đường BTN như biến dạng,

xô dồn, đ y trượt, chảy nhựa, nứt vỡ, ổ gà,… những năm gần đây hiện tượng hằn vết bánh xe xuất hiện khá phổ biến dấn đến sự suy giảm chất lượng khai thác mặt đường, gây nguy hiểm cho xe chạy gây bức xúc cho xã hội Trước năm 2008 hầu như chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu cụ thể nào về HLVBX do HLVBX hầu như không đáng kể Hiện nay, mặc dù HLVBX xuất hiện nhiều, tuy nhiên việc nghiên cứu HLVBX mới chỉ là bước đầu Vì vậy, việc nghiên cứu sâu về bản chất, nguyên nhân, giải pháp khắc phục là cần thiết, dựa trên những kết quả nghiên cứu HLVBX trên thế giới, khảo sát trong PTN, và hiện trường các công trình trong nước có hằn lún vệt bánh xe để đưa

Trong những năm gần đây, với công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước thì mạng lưới hạ tầng giao thông không ngừng phát triển với hàng loạt các đường cao tốc, quốc lộ cùng lưu lượng xe ngày càng tăng cả về số lượng và tải trọng trục Chính tốc độ phát triển quá nhanh đ đặt ra yêu cầu cấp thiết cho các nhà nghiên cứu, các

k sư phải không ngừng tìm tòi và áp dụng các nguyên lý, phương pháp tính toán phù hợp với thực ti n để làm tăng tuổi thọ của kết cấu mặt đường BTN Tuy nhiên ở nước ta hiện nay, việc vận dụng các phương pháp tiên tiến vào trong đánh giá, kiểm tra kết cấu mặt đường BTN v n còn ở mức tham khảo hay chỉ là các nghiên cứu mang tính học thuật trong các phòng thí nghiệm ở các trường Đại học Điều này d n đến một hiện trạng thực tế ở Việt Nam là tuổi thọ của kết cấu áo đường nhỏ hơn rất nhiều so với tính toán

Hình 1.7: Hằn lún vệt bánh xe ở quốc lộ 1 [internet]

1.2.3.1 Nhận dạng HLVBX và nguyên nhân

Kết cấu mặt đường BTN gồm nhiều lớp: các lớp BTN, các lớp móng và nền đường dưới tác động của tải trọng lặp khi xe chạy, nhiệt độ môi trường cao, các lớp móng, mặt, nền đường không đủ khả năng chịu được tác động đó sẽ phát sinh biến dạng vĩnh cửu, d n tới xuất hiện HLVBX Tùy thuộc vào cường độ,

độ ổn định của các lớp kết cấu, HLVBX được phân thành các dạng sau chủ yếu sau:

* Dạng lún trên bề mặt BTN có ba yếu tố chủ yếu gây ra HLVBX như sau:

Hình 1.8: Hằn lún vệt bánh xe trong bản thân lớp mặt [internet]

Nhận dạng: Mặt đường BTN bị hằn lún, nhưng đáy lớp BTN phẳng, không biến

dạng (hình 8)

- Do biến dạng trượt xuất hiện khi tải trọng đặt lên lớp BTN lớn hơn sức chịu tải của nó Khi đó lớp BTN sẽ không ổn định làm xuất hiện các mặt trượt Lớp BTN ngay dưới vị trí vệt bánh xe trượt ra hai bên làm cho mặt đường bị lõm xuống và trồi lên

- Do biến dạng từ biến theo phương đứng Cơ chế này thường xảy ra khi nhiệt độ lớp BTN tăng và thời gian tác dụng của tải trọng tăng Khi nhiệt độ tăng làm giảm độ nhớt, giảm độ cứng của bitum và độ cứng của BTN cũng giảm tương ứng Khi thời gian tác dụng tăng, biến dạng sẽ tăng lên do có nhiều thời gian hơn để tích lũy Biến dạng từ biến không hồi phục lại hoàn toàn khi dỡ tải gây ra hiện tượng lún vệt bánh

xe Điều này giải thích tại sao hiện lượng lún vệt bánh xe xảy ra ở các vị trí giao lộ trục đường xe nặng, đ o dốc, đường cong, nơi tốc độ giao thông chậm, và xảy ra nhiều vào mùa nắng nóng

- Do đầm nén thứ cấp theo phương đứng Cơ chế này xảy ra sau khi quá trình lu l n kết thúc nhưng độ chặt của BTN chưa đạt L r ng trong cốt liệu cao nên khi gặp tải trọng nặng kết hợp với nhiệt độ cao, các cốt liệu sẽ được sắp xếp lại Quá trình này

làm tăng độ chặt, nghĩa là làm giảm thể tích Kết quả là lớp BTN sẽ bị lún xuống tại

vị trí vệt bánh xe Hiện tượng này chỉ cho độ lún vệt bánh xe khá bé

* Dạng lún trong bản thân các lớp móng và lớp đất nền

Hình 1.9: Hằn lún vệt bánh xe trong bản thân các lớp móng [internet]

Nhận dạng: lớp mặt đường BTN bị hằn lún, đáy lớp BTN bị biến dạng (hình 9)

Nếu lớp mặt BTN đủ cường độ thì nguyên nhân chủ yếu là do chiều dầy lớp BTN quá mỏng, kết cấu mặt đường không chịu được tác động của tải trọng trùng phục, các lớp móng, nền đường bị biến dạng, d n tới mặt đường BTN bị biến dạng kéo theo, xuất hiện HLVBX (gọi là HLVBX kết cấu) Tuy nhiên vấn đề của chất lượng lớp móng, nền đường cũng là nguyên nhân gây ra hiện tượng này

 Đối với khâu thiết kế và nghiên cứu

Để giải quyết bài toán, nhằm khắc phục các vấn đề này cũng như làm tăng thêm tuổi thọ thực tế của kết cấu mặt đường BTN, hàng loạt các phương pháp phân tích hiện đại,

phù hợp thực ti n đang được sử dụng rộng r i: phương pháp cơ học-thực nghiệm; phương pháp hồi quy dựa trên cường độ mặt đường hoặc thí nghiệm trên các tuyến

đường thực tế,…[Huang, 2004; NCHRP, 2007]

Trong những năm gần đây, hiện tượng hằn lún vệt bánh xe của mặt đường BTN nổi lên như một vấn đề nóng của ngành giao thông vận tải ở Việt Nam Truớc tình hình trên, đặt biệt là hiện tượng này xuất hiện trên các quốc lộ (QL) rất nhiều trong thời gian gần đây, nhiều cuộc hội thảo đ đuợc tổ chức Bộ Giao thông Vận tải cũng đ có nhiều giải pháp để tăng cuờng chất luợng trong thi công nhằm khắc phục hiện tuợng trên Hầu hết các ý kiến đều chỉ chú trọng đến vật liệu bê tông nhựa (thành phần cấp phối, đá, nhựa…), về công nghệ thi công Kết quả là rất nhiều công trình v n xảy ra hiện tượng HLVBX sau khi đưa vào khai thác (hình 9)

Hình 11: Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe : [internet]

a-QL1, TP Hà Tĩnh; b- QL1 đoạn Hà Tĩnh-Vinh

Để khắc phục hiện tượng hằn lún, trên thế giới đ sử dụng phương pháp Wheel Tracking và ở Việt Nam BGTVT cũng đ ban hành quyết định 1617 về phương pháp thử độ sâu hằn lún theo phương pháp này

Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là:

(i) Chỉ thí nghiệm cho m u có chiều dày 5cm, điều này không phản ánh hết được kết cấu làm việc thực tế của BTN;

(ii) Chỉ thử nghiệm với 1 áp lực cố định trong khi thực tế xe vượt tải khá nhiều;

(iii) M u thí nghiệm được đặt trên nền không biến dạng (tấm thép cứng), trong khi kết cấu thực tế được đặt trên một nền biến dạng đàn hồi;

(iv) Tần số tác dụng của tải trọng là cố định trong suốt quá trình thí nghiệm, điều này không phù hợp với điều kiện lưu thông thực tế;

(v) Chỉ thử cho lưu lượng 40 nghìn lần trong khi trong thực tế lớn hơn nhiều

Để khắc phục nhược điểm này, trên thế giới nhiều nghiên cứu được tiến hành với các

mô hình khác nhau: full-depth Wheel Tracking [Wang et al 2016], multi-layer Rutting [Lin et San, 2005; Haddock et al 2005; Syed et Karim, 2006; Husan et al 2013], hay nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến HLVBX [LI et al 2003; Shi et al 2013] và các kết quả nghiên cứu đ chỉ ra ảnh hưởng của tải trọng trục, chiều dày lớp BTN hay hệ

nhiều lớp đến giá trị HLVBX Ngoài mô hình full-depth Wheel Tracking đề xuất bởi Wang, thì trên thế giới mô hình full-scale để đánh giá cường độ của kết cấu BTN được

sử dụng mà tiêu biểu là mô hình của IFSTTAR, Pháp (hình 12), các mô hình này sau khi phân tích, kiểm tra sẽ cho kết quả sát với điều kiện làm việc thực tế của kết cấu áo

đường

Hình 1.12: Mô hình thí nghiệm full-scale kiểm tra kết cấu áo đường của

viện IFSTTAR, Pháp

 Đối với quá trình thi công:

- Áp dụng thành tựu khoa học công nghệ, sử dụng máy móc, phương tiện thi công hiện đại nhằm nâng cao chất lượng công trình

- Kiểm soát, quản lý nghiêm ngặt quá trình sản xuất BTN, quá trình thi công, kịp thời phát hiện sai xót và sửa chữa kịp thời

 Đối với quá trình khai thác

- Kiểm soát vấn đề tải trọng xe, đặt biệt là xe quá tải khi nhiệt độ mặt đường cao

- Kịp thời phát hiện hư hỏng cục bộ và sửa chữa tránh phát triển thành hư hỏng toàn bộ trong quá trình khai thác

1.3 Nghiên cứu vệt hằn bánh xe trong nước và trên thế giới

1.3.1 M t số nghiên cứu trong nước

Ngu ễn Ngọc L n (2015) đ phân tích ảnh hưởng của nhũ tương đến hằn lún vệt bánh

xe trên BTN 2 lớp Kết quả phân tích chỉ ra rằng, hai tổ m u 2 lớp với cùng một loại nhũ tương nhưng hàm lượng tưới khác nhau cũng cho tốc độ lún, độ ổn định động và tổng độ lún vệt hằn bánh xe khác nhau Cụ thể, với tổ m u sử dụng hàm lượng CRS-1P 0,5 l/m2 có tốc độ lún là 0,05mm/103 chu kỳ, độ ổn định động là 3.769 lần/mm, và tổng độ lún là 1,60mm, nhưng khi tăng hàm lượng tưới dính bám lên 0,9 l/m2 thì tốc

độ lún trung bình tăng lên thành 0,067mm/103(tăng 34,7 ), độ ổn định động giảm còn 3.198 lần/mm (giảm 15,1%), và tổng độ lún lại tăng lên thành 1,74mm (tăng gần 9%) Điều này có thể là do hàm lượng tưới dính bám 0,9 l/m2 đ vượt quá lượng tưới cần thiết, d n đến chiều dày màng bitum tại bề mặt dính bám quá lớn Ở nhiệt độ cao

(60oC) chiều dày màng bitum này làm giảm nội sát giữa bê tông asphalt lớp dưới với lớp trên, d n đến khả năng trượt tương đối giữa 2 lớp bê tông asphalt khi thí nghiệm Kết quả là tổng độ lún vệt hằn bánh xe tăng lên Như vậy, tổng độ lún vệt hằn bánh xe thí nghiệm trên m u thử bê tông asphalt 2 lớp không chỉ phụ thuộc vào tính chất của 2 lớp bê tông asphalt mà còn phụ thuộc vào tính chất của lớp vật liệu tưới dính bám Tương quan so sánh độ lún vệt hằn bánh xe những m u thử 1 lớp và 2 lớp bê tông asphalt so với giới hạn độ lún tối đa cho phép theo Hiệp hội giao thông Australia được

thể hiện ở Hình 13

Kết quả thí nghiệm cho thấy, nếu lấy giới hạn độ lún vệt hằn bánh xe thí nghiệm trong môi trường không khí ở 60oC là 3,5mm thì độ lún vệt hằn bánh xe trung bình của những m u thử 1 lớp thấp hơn 65,4 , những m u thử 2 lớp bê tông asphalt sử dụng vật liệu dính bám CRS-1/0,5 l/m2, CRS-1P/0,5 l/m2 và CRS-1P/0,9 l/m2 thấp hơn lần lượt 20,6 , 54,3 , và 50,9 so với giới hạn độ lún tối đa cho phép theo báo cáo của Hiệp hội giao thông Australia

nh 1.13: iểu đồ so sánh độ l n m u th và biểu đồ so sánh độ l n m u th với

độ l n tối đ ho ph p Th N Ngu n Ngọ , 2015

Ngu ễn Hu nh Tấn Tài và Trần Thiện Nh n (2016) đ nghiên cứu và ứng dụng

h n hợp đá dăm vữa nhựa trong việc chống hằn lún vệt bánh xe Kết quả nghiên cứu cho thấy 2 loại h n hợp BTN: SMA-PMBIII và C12.5-PMBIII thì độ sâu hằn lún vệt bánh xe ở cùng một điều kiện thí nghiệm thì h n hợp SMA lại thể hiện sự vượt trội Cụ thể, độ sâu vệt hằn lún bánh xe sau 40.000 lượt tác dụng của m u chế tạo từ

h n hợp SMA là 1.43mm với độ dốc trong 10.000 lượt tác dụng cuối là 0.008mm/1000 chu kỳ, trong khi đó độ lún của m u của h n hợp C12.5 là 1.68mm

và độ dốc là 0.014mm/1000 chu kỳ Như vậy, tuy được được thiết kế với hàm lương bi-tum cao hơn so với h n hợp bê tông nhựa chặt thông thường (6.4% theo h n hợp

so với 5.0 ), nhưng h n hợp SMA v n có khả năng kháng lún tốt hơn Điều này chứng minh được ưu điểm của thành phần cốt liệu của h n hợp SMA trong việc hạn chế được biến dạng vĩnh vi n Nói cách khác, cấp phối gián đoạn được thiết kế trong miền cấp phối SMA, có bộ khung là các hạt cốt liệu được sắp xếp và chèn móc, có khả năng kháng hằn lún do áp lực bánh xe tốt hơn so với cấp phối liên tục chịu áp lực bánh xe dựa trên cơ sở là độ cứng của h n hợp vữa nhựa

nh 1.15: kết quả th nghiệm vệt hằn bánh x đượ th hiện trong m i trường

kh ng kh 60 0 ủ h n hợp M M -PM III và 12.5 12.5-PMBIII)[ Ngu n

Hu nh Tấn Tài và Tr n Thiện Nh n, 2016

Ngu ễn Văn Long và Phan Văn Quảng (2016) đ nghiên cứu ảnh hưởng của cấu

trúc cốt liệu đến độ ổn định của h n hợp BTN Kết quả nghiên cứu cho thấy độ ổn định Marshall và chỉ số dẻo của BTN phụ thuộc vào cấu trúc cốt liệu Khi hàm luợng

đá dăm tăng thì độ ổn định Marshall của h n hợp tăng, c n chỉ số dẻo giảm Ðiều này chứng tỏ với các cấp phối càng nhiều đá dăm thì h n hợp BTN càng ổn định đối với các loại biến dạng dẻo; Ðối với h n hợp BTN C19, khi hàm luợng đá dăm tăng từ 57% lên 64%, chiều sâu vệt lún bánh xe giảm 30,43%

nh 1.16: hi u s u vệt l n bánh x ủ m u TN 19, 57 đá ăm và 64 đá ăm

[Ngu n ăn Long và Ph n ăn Quảng, 2016

Ngu ễn Xu n Thanh và c ng sự (2015) đ nghiên cứu ảnh hưởng trục xe quá tải đến hằn lún vệt bánh xe mặt đường bê tông As-phalt Kết quả nghiên cứu cho thấy

ảnh hưởng của độ lớn tải trọng trục xe quá tải đến HLVBX trong lớp BTN là rất lớn

Theo ảng 1, khi tải trọng trục tăng từ 10T lên 15T, chiều sâu hằn lún lớp mặt đường

tăng lên 4 lần Ngoài độ lớn trục tải trọng thì áp suất bánh hơi cũng ảnh hưởng đáng kể

đến chiều sâu hằn lún của lớp bê tông asphalt Theo ảng 2, khi áp suất bánh tăng từ

0,6Mpa lên 0,8Mpa thì chiều sâu hằn lún lớp mặt đường cũng tăng lên khoảng 2,5 lần Khi đánh giá ảnh hưởng đồng thời độ lớn trục tải trọng và áp suất bánh, chiều sâu HLVBX tăng lên đáng kể Trong thí dụ trên, khi độ lớn trục tải trọng tăng từ 10 lên 15T và áp suất bơm bánh tăng từ 0,6 lên 0,8MPa, chiều sâu HLVBX tăng trên 6,5 lần

(từ 3,4 mm lên 22mm, ảng 3) Chiều sâu RD trên, vượt quá chiều sâu cho phép ứng

với cấp hạng đường cấp cao khoảng 5,5 lần (RD cho phép là 4mm)

Bảng 1.3:Ảnh hưởng ủ tải trọng và áp suất bánh đến HL

- Ngu ễn Văn H ng và c ng sự 201 đ nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của

tốc độ xe chạy đến độ lún vệt bánh xe trên mặt đường BTN, nhóm tác giả đ khảo sát lún vệt bánh xe mặt đường và đo tốc độ xe chạy trên Đại lộ Đông Tây,

TP Hồ Chí Minh Kết quả (Bảng 4), tại các vị trí gần nút giao có tốc độ thấp

10km/h và các vị trí tốc độ 60km/h thì độ lún vệt bánh xe chênh nhau 84,21% (tương ứng là 64mm) Khi thay đổi vận tốc từ 80km/h xuống 40km/h thì thời gian tác dụng của 1 lần xe chạy lên mặt đường BTN tăng từ 1,75 lần (ở ngoài phạm vi nút giao) và tăng 2,48 lần (ở trong phạm vi nút giao) và thời gian tác dụng của 1 lần xe chạy ở ngoài phạm vi nút giao tăng so với trong phạm vi nút

từ 1,25 - 1,77 lần Vậy vận tốc xe chạy trên đường t lệ nghịch với trị số độ lún vệt bánh xe trên mặt đường BTN, nên độ lún bánh xe trong nút giao thông lớn hơn trên đường thẳng

STT Tải trọng trục(T) Áp suất bánh hơi

Bảng 1.4 Thời gi n tá ụng t nh toán ủ 1 l n x hạ lên mặt đường TN khi độ

1.3.2 M t số nghiên cứu trên thế giới

Amir Golalipour và c ng sự 2012 đ nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu đến hằn

lún vệt bánh xe trên mặt đường BTN Tác giả đ làm thí nghiệm trên 3 m u với vật liệu được lấy từ 3 vùng của đường bao vật liệu, vùng 1 gần phía trên của đường bao vật liệu (vùng có cốt liệu lớn chiếm tỉ lệ nhiều hơn trong đường bao vật liệu), vùng 2 nằm giữa đường bao vật liệu, vùng 3 phía dưới trong đường bao vật liệu (vùng có cốt liệu nhỏ chiếm tỉ lệ nhiều hơn trong đường bao vật liệu Kết quả nghiên cứu cho thấy

h n hợp ở vùng 1 có biến dạng vĩnh vi n, biến dạng từ biến thấp nhất và độ ổn định Mash-shall cao nhất, trong khi h n hợp ở vùng 3 lại có biến dạng vĩnh vi n cao nhất

và kém ổn định nhất Mặc dù h n hợp ở vùng 2 có biến dạng phục hồi thấp nhất nhưng môđun đàn hồi lại cao nhất Ngoài ra vùng 3 có biến dạng vĩnh vi n cao nhất

và môđun đàn hồi thấp nhất Mặc khác h n hợp ở vùng 3 có độ r ng không khí (V.A) và độ r ng khung cốt liệu (V.M.A) cao nhất nhưng nó lại có t trọng thấp nhất Từ những kết quả trên ta thấy h n hợp ở vùng 3 d gây ra hằn lún hơn (Chowdhury et al, 2001, Hand et al, 2001, Sebaaly và cộng sự, 2004, Kim và cộng

sự, 2009)

Các kết quả này cho thấy khả năng chịu tải của h n hợp asphalt sẽ phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau liên quan đến sự phân cấp và tính chất tổng hợp như ma sát các hạt, mối liên kết tổng hợp và liên kết giữa bitum và cốt liệu cộng với độ cứng tổng hợp Kết quả này có thể kết luận rằng sự phân cấp tổng hợp có một vai trò quan trọng trong tính kháng hằn lún do cấu trúc cốt liệu là thành phần chịu tải chính của h n hợp Do đó, sự phân cấp tổng hợp đóng vai tr quan trọng trong việc định hình bộ khung cốt liệu để chịu tải trong h n hợp

Hình 1.17: Đường b o vật liệu ho 3 v ng vật liệu ủ TN hặt 19[ mir

Gol lipour và ộng s 2012

Hình 1.18: Độ ổn đ nh Marh-shall [ mir Gol lipour và ộng s 2012

Hình 1.19: Độ r ng kh ng kh và độ r ng khung ốt liệu M [ mir

Gol lipour và ộng s 2012

Hình 1.19: Độ ứng [ mir Gol lipour và ộng s 2012

Hình 1.20: Độ ong biến ạng kh ng phụ hồi mir Gol lipour và ộng s

2012)]

Gar L Fitts và c ng sự 19 0- HAMBURG WHEEL-TRACKING (HWT)) đ

nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần nhựa đường đến hằn lún vệt bánh xe Kết quả nghiên cứu cho thấy dưới tác dụng của tải trọng lặp của bánh xe thép với số lần gia tải quy định, m u BTN bị LVBX, thông qua giá trị chiều sâu LVBX để đánh giá khả năng kháng LVBX của m u BTN Ứng với các cấp lưu lượng khác nhau, với tốc độ d ng xe lưu thông áp dụng cho dự án cụ thể, chủ đầu tư, tư vấn thiết kế sẽ lựa chọn các cấp độ

sâu LVBX giới hạn để thiết kế Nhà thầu sẽ lựa chọn cốt liệu, nhựa đường (nhựa đường thường hoặc nhựa đường polymer) để chế tạo BTN thỏa m n cấp LVBX đ quy

định

Bảng 1.6: Giới hạn độ s u L th o phư ng pháp H mburg Wh l-Tracking

Mác nhựa đường PG Số lần tác dụng tải của bánh xe th nghiệm đạt được LV X 12 mm

PG 64 hoặc thấp hơn 10.000

PG 76 hoặc cao hơn 20.000

Rafiqul A Tarefder và các c ng sự đ nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực bánh

xe trên mặt đường bê tông nhựa đến lún vệt bánh xe Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng trục xe, loại bánh xe và áp suất không khí trong bánh xe đến đặc tính khai thác của mặt đường đ có một số đánh giá sau:

- Trọng lượng trục, nhóm trục càng lớn thì biến dạng và lún của nền đất càng

lớn

- nh hưởng của bánh đơn nhiều hơn bánh xe đôi

- Áp suất trong bánh xe khác nhau cũng gây ra những hiệu ứng khác nhau nhưng chủ yếu cho những lớp trên của mặt đường mà gần như không ảnh

hưởng đến lớp móng và nền đường

nh 1.21: Tư ng qu n giữa tải trọng trục và lún vệt bánh xe mặt đường

m h nh họ th nghiệm

Hui Wang, Zepeng Fan, và Jiupeng Zhang (2016) đ nghiên cứu ảnh hưởng của

tải trọng trục và nhiệt độ đến HLVBX Kết quả nghiên cứu đ tìm ra được 2 cấu trúc mặt đường phù hợp với các điều kiện thực tế như tình hình giao thông, điều kiện thời tiết, vật liệu và công nghệ xây dựng Từ bảng 6 ta thấy được hiệu quả khi kết

hợp sử dụng vật liệu truyền thống với phụ gia chống nứt hoặc SBS sẽ cải thiện được

độ ổn định động (DS) đáng kể cho m u BTN Kết quả cuối cùng của nghiên cứu là tìm ra 2 cấu trúc lớp vật liệu thỏa mãn các yêu cầu trong bảng 7

Bảng 7: Kết quả th nghiệm độ ổn đ nh của các loại lớp mặt

Bảng 8: Hai cấu tr điển hình lớp mặt đường trên đường cao tốc

- arugahare Javilla và c ng sự 201 đ nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ

và tải trọng trục đến vệt hằn bánh xe Kết quả nghiên cứu cho thấy: nếu xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ thì tổ hợp tải trọng 0,9-0,7-0,5MPa gây vệt hằn bánh xe

là lớn nhất (hình 22) Nếu không xét đến đến ảnh hưởng của nhiệt độ thì tổ hợp tải trọng 0,5-0,7-0,9MPa gây hằn lún bánh xe là lớn nhất (hình 23)

Hình 1.22 Tá động á tổ hợp tải trọng đến s phát triển hằn l n x t đến

ảnh hưởng ủ nhiệt độ rug h r J vill và ộng s 2017

Hình 23: Tá động của các tổ hợp tải trọng đến chi u sâu HLVBX kh ng x t

đến ảnh hưởng ủ nhiệt độ rug h r J vill và ộng s , 2017]

Nhận x t

Hiện nay trên thế giới, đ có nhiều mô hình, nghiên cứu Full-scale đánh giá được

sự làm việc của kết cấu, tuy nhiên chi phí cho các nghiên cứu này rất lớn, và để

áp dụng được vào điều kiện Việt Nam thì cần phải có 1 nghiên cứu áp dụng cho các điều kiện Việt Nam, nhưng hiện nay chưa có 1 mô hình nào trong nước nghiên cứu đầy đủ các yếu tố T, N, q, Eđ đến vệt hằn bánh xe

1.4 Kết luận:

Trong chương này, đề tài tập trung tổng hợp các dạng phá hoại của kết cấu mặt đường BTN cũng như hiện tượng HLVBX, các nguyên nhân và một số giải pháp khắc phục được mô tả Các nghiên cứu để tăng cường khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe cảu BTN trên thế giới được tổng hợp

Phần đầu của chương, các dạng hư hỏng của mặt đường BTN được tổng hợp đồng thời một số giải pháp cải thiện được giới thiệu dựa trên các nguyên nhân gây ra các dạng phá hoại của mặt đường BTN Từ các dạng phá hoại tổng hợp trên, đề tài tiếp tục đi sâu hơn phân tích các nguyên nhân gây ra hiện tượng HLVBX Từ các nghiên cứu trên thế giới đ chỉ ra hiện nay các đánh giá về khả năng kháng hằn lún của mặt đường BTN dựa trên phương pháp thí nghiệm Wheel Tracking còn tồn tại nhiều khuyết điểm, chưa phản ánh hết trạng thái làm việc của kết cấu áo đường thực tế: (i) chỉ thí nghiệm cho m u có chiều dày 5cm, điều này không phản ánh hết được kết cấu làm việc thực tế của BTN: (ii) chỉ thử nghiệm với 1 áp lực cố định trong khi thực tế xe vượt tải khá nhiều; (iii) m u thí nghiệm được đặt trên nền không biến dạng (tấm thép cứng), trong khi kết cấu thực tế được đặt trên một nền biến dạng đàn hồi; (iv) tần số tác dụng của tải trọng là cố định trong suốt quá trình thí nghiệm, điều này không phù hợp với điều kiện lưu thông thực tế; và (v) chỉ thử cho lưu lượng 40 nghìn lần trong khi trong thực tế lớn hơn nhiều Và một số mô hình tiên tiến trên thế giới được giới thiệu

Ở phần tiếp theo của chương, luận văn tổng hợp một số nghiên cứu trên thế giới

và trong nước về nâng cao khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường BTN Phần lớn các nghiên cứu trong nước chỉ tập trung vào cải thiện các thành phần hạt của BTN, trong khi đó rất nhiều nghiên cứu trên thế giới chỉ ra ảnh hưởng của lớp móng đến hằn lún vệt bánh xe, các mô hình tiên tiến full-scale mô phỏng gần đúng với thực

tế được sử dụng để đánh giá HLVBX, tuy nhiên chi phí để xây dựng quá cao Như vậy việc áp dụng một cách khuôn khổ phương pháp Wheel Tracking cũng như quyết định

1617 của BGTVT nước ta hiện nay là một trong những nguyên nhân d n đến là rất nhiều công trình dù đ được nghiên cứu, tư vấn rất k nhưng v n xảy ra hằn lún Đặc biệt trong đó việc bỏ qua ảnh hưởng của kết cấu tầng móng trong thí nghiệm, phân tích

là một trong những nguyên nhân

Từ những phân tích trên, việc xây dựng một mô hình thí nghiệm phản ảnh gần đúng nhất thực tế làm việc của kết cấu áo đường là cần thiết, việc xét đến ảnh hưởng của nền đất và tải trọng trục xe trong dự báo HLVBX là cần thiết Để đưa ra kết quả nghiên cứu phù hợp cho mô hình thí nghiệm chế tạo trong một thời gian ngắn, luận văn chỉ tập trung nghiên cứu:

- Nghiên cứu cho 3 kết cấu mặt đường khác nhau về tầng móng

- Mặt đường 1 lớp BTN C19 dày 7cm

- Nhiệt độ thay đổi 40 và 50 oC

- Áp lực tính toán 0.6 và 0.7MPa

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM HẰN LÚN VÀ QUY

HOẠCH MẪU

2.1 Mở đầu

Như trong chương 1 đ phân tích, một trong những nhược điểm hiện nay của thiết bị thí nghiệm HLVBX theo mô hình Wheel Tracking đó là chỉ xác định HLVBX cho một lớp BTN dày 5cm và đặt trên nền cứng (xem như không biến dạng), điều này

d n đến kết quả chưa phản ảnh hết được sự làm việc của KCAD thực Ngoài ra, có một vài mô hình đề xuất cho 2 lớp BTN: full-depth Wheel Tracking [Wang et al 2016], multi-layer Rutting [Lin et San, 2005; Haddock et al 2005; Syed et Karim, 2006; Husan et al 2013] Tuy nhiên, trong các nghiên cứu và mô hình trên chưa đề cập đến ảnh hưởng của tầng móng trong bài toán HLVBX

Trong chương này, luận văn tập trung đi chế tạo mô hình thí nghiệm HLVBX tại hiện trường cho toàn KCAD dựa trên các nguyên lý cơ học và truyền động Phần tiếp theo, luận văn đi xây dựng và quy hoạch m u cho bài toán phân tích ảnh hưởng của KC tầng móng đến khả năng kháng HLVBX của mặt đường BTN Trên cơ sở các

m u thí nghiệm đ xây dựng, tiến hành các thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý vật liệu và các thí nghiệm có liên quan, sau đó tiến xây dựng mô hình theo đúng thực tế làm việc của kết cấu, giới thiệu thiết bị thí nghiệm đo hằn lún vệt bánh xe Sau đó sẽ tiến hành thí nghiệm đo vệt hằn bánh xe trên mô hình đ xây dựng để tìm ra tương quan giữa mô đun đất nền, nhiệt độ, tải trọng và số lần tác dụng đến vệt hằn bánh xe của mặt đường

bê tông nhựa

Từ đó làm cơ sở để phần tích các yếu tố ảnh hưởng đến vệt hằn bánh xe ở chương tiếp theo

2.2 X dựng mô hình Full-Depth xác định HLV X cho KCAD mềm

2.2.1 Nguyên lý

Hiện nay, việc xác định HLVBX thường được thực hiện dựa trên mô hình HamBurg Wheel Tracking như trong hình 2.1 Trong hầu hết các mô hình phát triển hoặc cải tiến từ HamBurg Wheel Tracking thì đều có chung nguyên lý đó là: chế tạo 1

m u BTN với kích thước nhất định, sau đó sẽ đặt m u trong mô hình với tác dụng trùng phục của bánh xe Hiện nay có 3 mô hình phổ biến của thiết bị Wheel Trạking trong phòng TN: Mô hình cải tiến của M (Asphalt Pavement Analyzer -APA), HamBurg Wheel Tracking, và French Rutting Tester [Cooley et al 2000, Kandhal and Cooley 2003]

HÌnh 2.1 Các mô hình Wheel Tracking trong phòng TN

2.2.1.1 Asphalt Pavement Analyzer –APA

Mô hình APA được phát triển từ giữa thập niên 1980 và được gọi là Georgia Loaded Wheel Tester Mô hình này thực hiện cho m u hình tròn hoạc hình chữ nhật (như trong hình 2.2) Mô hình này thực hiện cho m u dạng dầm hoặc dạng trụ tròn với tải trọng bánh xe là 445N và 8000 lượt tác dụng tương ứng với áp lực tác dụng trên diện tích hình tròn là 0.69 MPa

Hình 2.2 Mô hình thiết b thí nghiệm HLBX của APA

2.2.1.2 HamBurg Wheel Tracking - HWTD

Mô hình HWTD được phát triển tại viện nghiên cứu HamBurg, Cộng hòa LB Đức Mô hình này thực hiện xác định HLBX cho m u BTN với kích thước 40x260x340mm với tải trọng bánh xe là 705N cùng bề rộng vệt bánh xe là 47mm

M u được xác định trong điều kiện ngâm trong nước ở 60OC với số lượt tác dụng là

20000 chu kỳ (hình 2.3)

Hình 2.3 M h nh xá đ nh HLBX của HWTD

2.2.1.3 French Rutting Tester - FRT

Mô hình FRT phát triển bởi viện cầu đường LCPC Mô hình này xác định HLBX cho m u BTN với kích thước m u 180 x 50 x 20mm hoặc 180x50x100 mm, với tải trọng bánh xe là 500N và áp lực tác dụng lên m u BTN là 0.6 MPa và thực hiện trên mô hình bánh hơi (hình 2.4)

Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm HLBX FRT

2.2.1.4 Thí nghiệm th o QĐ 1617/QĐ-BGTVT

Dựa trên mô hình Wheel Tracking, BGTVT đ ban hành QĐ 1617 về yêu cầu trình tự thí nghiệm HLBX cho BTN Trong QĐ này yêu cầu chế bị m u BTN theo kích thước 50x260x320mm hoặc 50x300x300mm cho m u hình hộp hoặc 150x50mm cho m u hình trụ Tải trọng bánh xe tác dụng lên m u BTN là 700N với bề rộng bánh

xe là 47mm

2.2.1.5 Kết luận

Trong các mô hình trên, hầu như chỉ tập trung cho m u BTN dày 5cm với bề rộng m u không quá 300mm, tải trọng bánh xe tác dụng từ 405-700N, bề rộng vệt bánh xe là 47mm và hầu hết sử dụng bánh thép, tương ứng tạo ra áp lực lên m u BTN dao động từ 0.6-0.69MPa Tuy nhiên, các mô hình chỉ xấc định cho duy nhất lớp BTN

2.2.2 Thiết kế mô hình

2.2.2.1 L a chọn k h thước mô hình thí nghiệm

Từ các mô hình đ nêu trong mục 2.2.1, bề rộng bánh xe không quá 50mm, bề rộng m u BTN thí nghiệm không quá 300mm Điều này có thể được giải thích với bề rộng vệt bánh xe như trên thì phạm vi tác dụng của tải trọng sẽ không lan rộng quá 300mm VỚi phạm vi nghiên cứu của luận văn, học viên đề xuất kích thước mô hình:

- Chế độ thí nghiệm: khô nóng

- Tự động thu xuất dữ liệu sang máy tính

- Thí nghiệm hiện trường, PTN

HÌnh 2.5 Mô hình thí nghiệm đ xuất

Hình 2.6 Mô hình th c tế sau khi hoàn thiện

Hình 2.7 Đ u cảm biến đo hu ển v và kết quả xuất hiện trên máy tính 2.2.2.2 Thiết kế mạch kết nối cảm biến với máy tính

Để xuất được dữ liệu từ cảm biến đo khoản cách qua máy tính, luận văn sử dụng board mạch Arduino kết hợp với đầu đọc thẻ SD và cổng kết nối với máy tính Bản thiết kế mạch kết nối như trong hình 2.8 Số liệu quan trắc HLVBX sẽ do 2 đầu cảm biến (Sensor 1 và Sensor 2) thu về, giá trị HLVBX sẽ lấy trung bình của 2 đầu đo

Để mạch được hoạt động, một đoạn code chuyển đổi được viết như trong hình 2.9

Hình 2.8 Mạch kết nối cảm biến đo khoản cách với máy tính trên n n tảng

Arduino

// wait until serial port opens for native USB devices

while (! Serial) { delay(1); }

Hình 2.9 Code kết nối mạch Arduino với cảm biến và máy tính

Sau khi, mạch hoạt động số liệu HLVBX của hai cảm biến sẽ được lưu dưới

dạng file *txt và chuyển sang dạng *xls để xử lý biểu đồ trên Excel Kết quả như trong

hình 2.7

2.2.3 So sánh kết quả với mô hình Wheel Tracking

Để đánh giá kết quả của mô hình, luận văn tiến hành chế bị m u BTN để so sánh giá trị đo HLBX giữa mô hình đề xuất và thiết bị Wheel Tracking tại PTN trọng điểm 2 của Viện KHCN-BGTVT Với mô hình đề xuất, m u sẽ được đặt trên nền đường BTXM để chạy mô hình Kết quả thể hiện như trong hình 2.10 Kết quả cho thấy mô hình đề xuất cho ra giá trị xác định HLBX khá gần với thiết bị Wheel Tracking

Hình 2.10 So sánh kết quả giữ m h nh đ xuất với thiết b Wheel Tracking

(p=0.6MPa, T=50°C): (i)-m u chế b , (ii)-kết quả từ Wheel Tracking, (iii)-kết

quả từ m h nh đ xuất, (iv)-so sánh kết quả HLBX

2.2.4 Kết luận

Từ kết quả đ nêu trên, cso thể nhận thấy việc xây dựng mô hình thí nghiệm HLBX của luận văn cho kết quả khá phù hợp Với hình thí nghiệm xây dựng, chúng ta

có thể mang ra thực hiện tại hiện trường hoặc cho 1 KCAD mới hoàn thiện Đây chính

là ưu điểm của mô hình thí nghiệm Tuy nhiên, chúng ta có thể thấy từ kết quả tỏng hình 2.10, thì mô hình xây dựng trong luận văn cho kết quả có độ nhiểu lớn hơn thiết

(ii) (i)

(iii)

0 2 4 6 8 10 12

(iv)

bị Wheel Tracking: điều này có thể giải thích do tác động của bộ truyền động, sự ổn định nhiệt của thiết bị kém hơn

2.3 X dựng qu hoạch mẫu th ngiệm

Như đ nêu ở trên, để đánh giá được ảnh hưởng của KC tầng móng đến HLBX của mặt đường BTN, luận văn sẽ sử dụng mô hình thí nghiệm đ xây dựng ở trên để phân tích Để đánh giá được ảnh hưởng này, luận văn trước hết tiến hành xây dựng

m u thí nghiệm gồm có 3 m u, m i m u gồm có 3 lớp kết cấu như sau:

+ Lớp móng dưới cấp phối thiên nhiên loại B đặt trên lớp nền cát

+ Lớp móng trên cấp phối đá dăm

+ Lớp mặt BTN

Do mô hình thí nghiệm tương đối nhỏ hẹp nên việc xây dựng mô hình thí nghiệm gồm 3 lớp kết cấu, trong đó cao độ lớp móng trên của 3 m u thí nghiệm bằng nhau nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thi công Kích thước mô hình đo 1.5x2.4x0.47 (m)

Cận dưới