Hiện nay, các hư hỏng mặt đường ngày càng tăng, ngay cả đường vừa đưa vào khai thác, đang thu hút sự quan tâm của ngành giao thông vận tải và xã hội. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến hư hỏng kết cấu áo đường, một trong số các nguyên nhân đó là do sai sót trong công tác thiết kế. Bài viết trao đổi một số hạn chế khi sử dụng tiêu chuẩn 22TCN 211-06 để thiết kế kết cấu áo đường mềm.
Trang 1Thông tin KH - GD Trường Đại học Xây dựng Miền Tây 63
MỘT SỐ HẠN CHẾ KHI SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN 22TCN 211- 06
THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG MỀM
SOME RESTRICTIONS WHEN USING SPECIFICATION FOR
FLEXIBLE PAVEMENT DESIGN 22TCN 211- 06
Võ Bá Huy 1
Tĩm tắt:
Hiện nay, các hư hỏng mặt đường ngày càng tăng, ngay cả đường vừa đưa vào khai thác, đang thu hút sự quan tâm của ngành giao thơng vận tải và xã hội Cĩ nhiều nguyên nhân dẫn đến hư hỏng kết cấu
áo đường, một trong số các nguyên nhân đĩ là do sai sĩt trong cơng tác thiết kế Bài báo trao đổi một số hạn chế khi sử dụng tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 để thiết kế kết cấu áo đường mềm
Từ khĩa: Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm, 22TCN 211 - 06, thiết kế áo đường.
Abstract:
Nowadays, the increasing pavement distress, including roads that have just been put into operation, are attracting the attention of transportation industry and society There are many causes of pavement distress, one of which is due to design errors The paper discusses some of the limitations when using standard 22TCN 211 - 06 to design flexible pavement structure
Keywords: Specification for flexible pavement design, 22TCN 211 - 06, design of flexible pavement.
1 Đặt vấn đề
Hiện nay, ở nước ta đang lưu hành song song hai tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm là 22TCN 211 - 06 và 22TCN 274: 2001, trong đĩ 22TCN 211 - 06 được sử dụng hầu hết ở các dự án
cĩ vốn đầu tư cơng Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 quy định các yêu cầu về thiết kế cấu tạo và tính tốn cường độ áo đường mềm trên đường ơ tơ cao tốc, đường ơ tơ các cấp hạng, đường đơ thị, đường ơ tơ chuyên dụng, trong cả trường hợp áo đường làm mới và nâng cấp, kết cấu áo đường trên phần lề cĩ gia cố và kết cấu áo đường trên các đường bên bố trí dọc các đường cao tốc hoặc dọc các đường ơ tơ cấp I, cấp II
Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 dựa trên lý thuyết hệ đàn hồi nhiều lớp chịu tải trọng phân bố trên vịng trịn cĩ diện tích tương đương diện tích tiếp xúc của vệt bánh xe lên mặt đường Tiêu chuẩn này kiểm tốn kết cấu áo đường theo 3 trạng thái giới hạn: độ võng đàn hồi cho phép trên bề mặt kết cấu
áo đường, chịu cắt trượt trong nền đất và các lớp vật liệu kém dính kết, chịu kéo khi uốn trong các lớp vật liệu liền khối
Sau gần 15 năm áp dụng tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 để thiết kế kết cấu áo đường mềm, bên cạnh nhiều ưu điểm như sử dụng đơn giản, dễ thiết kế, phương pháp thí nghiệm các thơng số vật liệu phục vụ cơng tác tính tốn thiết kế đơn giản, cũng đã xuất hiện các hạn chế trong thiết kế Đây cũng là một trong những nguyên nhân gây ra các hư hỏng đường ơ tơ như nứt (nứt lưới, nứt đơn, nứt phản ánh), hư hỏng
bề mặt bê tơng nhựa (chảy, đẩy trồi, dồn nhựa, bong trĩc, bong bật), hư hỏng lớp mặt bê tơng nhựa (ổ
gà, nứt vỡ mép) và biến dạng mặt đường bê tơng nhựa (lún lõm, lồi lõm theo hướng xe chạy, lượn sĩng, lún vệt bánh xe) Các hư hỏng và biến dạng trên xuất hiện với mật độ cao tại nhiều cơng trình đường như Quốc lộ 53 (Vĩnh Long - Trà Vinh), cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi… làm giảm chất lượng khai thác cơng trình và tăng cao chi phí bảo dưỡng, sửa chữa
Trang 2Soá 39 - Quyù I naêm 2020
64
2 Một số hạn chế của Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 Thiết kế áo đường mềm
2.1 Chỉ dẫn thiết kế cấu tạo
Khi thiết kế áo đường mềm theo 22TCN 211 - 06, chỉ dẫn thiết kế cấu tạo bị hạn chế trong các loại vật liệu thông thường như cấp phối đá dăm, cấp phối thiên nhiên, đá dăm nước, bê tông nhựa thường, thấm nhập nhựa, láng nhựa Các loại vật liệu mới như bê tông nhựa polymer, hỗn hợp nhựa matic đá dăm, bê tông nhựa tái chế, lớp phủ tạo nhám siêu mỏng, các loại phế thải công nghiệp… chưa được đề cập cụ thể và chưa có thông số tham khảo khi thiết kế theo bảng C -1 và bảng C -2 của phụ lục C [1] Thiết kế cấu tạo cho đường có quy mô giao thông lớn, đường có tải trọng đặc biệt nặng hay đường cao tốc chưa được tính đến đầy đủ, tiêu chuẩn chưa kiến nghị loại kết cấu áo đường được sử dụng và nguyên tắc thiết kế các lớp kết cấu áo đường này
2.2 Tính toán đổi trục và lưu lượng xe thiết kế
Trong công tác điều tra, tính toán xe phục vụ thiết kế, tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 kiến nghị sử dụng các đặc trưng của tải trọng tính toán tiêu chuẩn gồm P = 100kN hoặc P = 120kN Trong điều kiện riêng,
tư vấn thiết kế phải tự điều tra thông qua chứng chỉ xuất xưởng của xe hoặc cân đo để xác định được áp lực tính toán lên mặt đường và đường kính vệt bánh xe (p và D) tương ứng với trục đơn nặng nhất để dùng làm thông số tính toán
Tuy vậy, hiện nay nhiều tuyến đường đã xuất hiện rất nhiều các loại xe siêu trường, siêu trọng, xe chở quá tải, vì thế việc điều tra xe qua chứng chỉ xuất xưởng không cho kết quả đáng tin cậy, mặt khác việc chặn xe trên các tuyến đường trục chính, quốc lộ đem đi cân đo để xác định được các đặc trưng nêu trên là rất khó khăn trong thực tế
2.3 Lựa chọn giá trị tính toán ban đầu
Theo 22TCN 211 - 06, việc kiểm toán độ võng đàn hồi cho phép trên bề mặt kết cấu áo đường xem
có thoả mãn hay không dựa vào mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường E ch Kết cấu được
xem là đủ cường độ khi trị số E ch lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu E yc nhân thêm với một
hệ số dự trữ cường độ về độ võng Kdv
cd (E ch ≥ E yc × K dv
cd ) Thông qua các tỷ số giữa bề dày hoặc mô đun
đàn hồi của lớp vật liệu trên và lớp vật liệu dưới quy đổi t, k, tính toán được trị số mô đun đàn hồi trung
bình có tính đến hệ số hiệu chỉnh E tb dc , từ đó tra toán đồ xác định được E ch
Như vậy, việc lựa chọn mô đun đàn hồi E đầu vào của từng lớp vật liệu quyết định được bề dày lớp vật liệu đó cũng như tổng bề dày của kết cấu áo đường Mô đun đàn hồi của vật liệu tăng, chiều dày lớp vật liệu đó giảm và ngược lại Tuy vậy, việc tính toán lại sử dụng trực tiếp trị số mô đun đàn hồi vật liệu của các lớp theo giá trị cho sẵn theo phụ lục C-1 [1]
Đơn cử, các giá trị mô đun đàn hồi nêu trong phụ lục C-1 [1] áp dụng cho tất cả các loại mặt đường
bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa Cho dù, dự án khác nhau, sử dụng các loại nhựa với cốt liệu đá, cát, khoáng khác nhau, thành phần cấp phối, điều kiện nhiệt độ từng vùng miền khác nhau, chế độ khai thác khác nhau nhưng tra bảng lấy cùng một trị số mô đun đàn hồi E Tương tự như với phụ lục C-2 [1], các loại vật liệu làm mặt đường như đá dăm, sỏi cuội, đất, cát gia cố xi, cấp phối đá dăm, cấp phối thiên nhiên… được tra bảng lấy cùng một trị số mô đun đàn hồi E mà không xét đến các yếu tố khác
Mặt khác, nếu thí nghiệm để xác định thông số tính toán của vật liệu sẽ gặp khó khăn do phát sinh chi phí thiết kế, số lượng mẫu phải lớn để đủ độ tin cậy, khó khăn khi lựa chọn nguồn vật liệu đầu vào
để thí nghiệm tương thích khi thi công tránh dẫn đến phân tán giá trị thí nghiệm
Trang 3Thông tin KH - GD Trường Đại học Xây dựng Miền Tây 65
2.4 Kiểm tốn trượt trong các lớp bê tơng nhựa
Khi lớp mặt của kết cấu áo đường là lớp bê tơng nhựa thì lớp bê tơng nhựa sẽ chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng xe, hiển nhiên bao gồm trọng lực hướng xuống đất, bên cạnh đĩ là lực hướng ngang song song với mặt đường khi phanh xe, hoặc xe lên, xuống dốc, các vị trí trạm thu phí, bến dừng đỗ xe buýt hay tại nút giao thơng và các điểm qua đường Vì thế, trạng thái ứng suất phát sinh trong lớp bê tơng nhựa phức tạp Khi ứng suất trượt cĩ giá trị lớn dẫn đến các biến dạng khơng hồi phục gây phá hoại lớp
bê tơng nhựa sẽ gây hiện tượng lún, lồi, lượn sĩng nhựa trên mặt đường
Tuy nhiên, tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 chỉ yêu cầu kiểm tốn cường độ kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn chịu cắt trượt trong nền đất và lớp vật liệu kém dính mà chưa đề cập đến cắt trượt trong lớp bê tơng nhựa
2.5 Kiểm sốt nứt phản ảnh
Nứt phản ảnh là vết nứt (hơn 3mm) phát triển lan truyền từ lớp mặt đường phía dưới lên lớp mặt đường bê tơng nhựa ở phía trên Nứt phản ảnh thơng thường xảy ra khi lớp mặt đường phía dưới sử dụng vật liệu gia cố xi măng, bê tơng xi măng nghèo hoặc cũ
Chẳng hạn, cấp phối đá dăm gia cố xi măng được sử dụng phổ biến hiện nay làm mĩng trên kết cấu
áo đường cấp cao A1, cường độ hình thành theo nguyên lý cấp phối cĩ sử dụng chất liên kết là xi măng, giúp kết cấu áo đường chịu lực, làm việc đồng nhất và kháng nước Tuy nhiên, do co ngĩt, lớp vật liệu này xuất hiện vết nứt, rộng dần và lan truyền đến lớp bê tơng nhựa khơng cĩ khả năng kháng nứt ở phía trên, gây hư hỏng lớp bê tơng nhựa
Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 vẫn chưa đưa đề cập đến hư hỏng này, vì thế chưa điều chỉnh thiết kế cấu tạo các lớp mặt đường, nhằm tránh hoặc giảm tối thiểu nứt phản ảnh trên mặt đường bê tơng nhựa
2.6 Tính tốn phân bố lực tại vị trí đặc biệt trên đường
Về tải trọng tính tốn, tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 được tính tốn quy đổi số trục xe khác nhau về trục xe tiêu chuẩn, từ đĩ tính số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế
Tiêu chuẩn chưa xét đến yếu tố phân bố tải trọng khơng đều trên các bánh xe khi xe phanh, lên dốc, xuống dốc, chạy trong đường cong nằm hoặc đường cong đứng Các yếu tố lực ngang của xe, tải trọng động, tải trọng trùng phục khơng được xem xét khi tính tốn kết cấu mặt đường trong các trường hợp này Vì thế, tải trọng dùng tính tốn thiết kế chưa phản ánh được mơ hình làm việc thực tế của kết cấu
áo đường
2.7 Xác định cường độ tính tốn của vật liệu theo thời gian khai thác
Trong thời gian khai thác, các lớp kết cấu áo đường bị phá hoại và giảm dần cường độ do hiện tượng tích luỹ biến dạng gây vệt hằn bánh xe trên mặt đường phát sinh nứt nẻ, bào mịn và bong trĩc bề mặt dưới tác động của thời tiết và tải trọng xe cộ, xâm nhập ẩm vào các lớp kết cấu và phần trên của nền đường trong phạm vi khu vực tác dụng
Tuy nhiên theo tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06, cường độ tính tốn của vật liệu bất biến, áo đường luơn duy trì cường độ, do đĩ trị số mơ đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường cũng khơng đổi trong suốt thời hạn thiết kế Rõ ràng, lý thuyết tính tốn khơng phản ánh đúng tình trạng của vật liệu mặt đường ngày càng suy giảm cường độ theo thời gian do các tác dụng kể trên
Trang 4Soá 39 - Quyù I naêm 2020
66
2.8 Sự thống nhất giữa 22TCN 211 - 06 với các tiêu chuẩn thiết kế thi công các lớp kết cấu mặt đường khác
Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211 - 06 được ban hành tháng từ tháng 12/2006, vì thế một số yêu cầu chỉ dẫn thiết kế cấu tạo, cách phân loại, tên gọi, các khuyến cáo sử dụng không thống nhất, thậm chí khác biệt với các tiêu chuẩn thiết kế và thi công các lớp mặt đường theo các tiêu chuẩn mới
Chẳng hạn, so với TCVN 8819: 2011, Mặt đường bê tông nhựa nóng - Yêu cầu thi công và nghiệm thu, có sự khác biệt về tên gọi bê tông nhựa nóng, trong khi tiêu chuẩn TCVN 8819: 2011 phân loại và kiến nghị sử dụng bê tông nhựa nóng theo độ rỗng, theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định, thì 22TCN 211 -
06 vẫn phân loại bê tông nhựa theo kết cấu sử dụng, gây khó khăn khi lựa chọn các giá trị tính toán Mặt khác, các giá trị chiều dày hợp lý khi sử dụng các loại bê tông nhựa được kiến nghị trong hai tiêu chuẩn cũng khác nhau (bảng 2- 4 [1] và bảng 1 [2])
3 Kết luận
Bên cạnh nhiều ưu điểm đã được chứng minh trong 15 năm qua, tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06 đã xuất hiện các hạn chế trong thiết kế kết cấu áo đường mềm Bài báo trao đổi một số vấn đề liên quan đến những hạn chế đó như tính toán điều tra lưu lượng, lựa chọn các thông số tính toán ban đầu, kiểm toán trượt, kiểm soát nứt phản ảnh, việc thống nhất với các tiêu chuẩn hiện hành trong thiết kế kết cấu áo đường mềm Các phân tích của bài báo là cơ sở góp phần cho việc tìm kiếm các giải pháp nhằm bổ sung hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm sau này
Tài liệu tham khảo
[1] Bộ Giao thông vận tải, Tiêu chuẩn 22TCN 211 - 06, Áo đường mềm - Các yêu cầu và chỉ dẫn
thiết kế.
[2] Bộ Giao thông vận tải, TCVN 8819: 2011, Mặt đường bê tông nhựa nóng - Yêu cầu thi công và
nghiệm thu.
Ngày nhận bài: 20/02/2020
Ngày gửi phản biện: 04/3/2020
Ngày chấp nhận đăng: 20/3/2020 1
1 Trường ĐHXD Miền Tây