Luận án Nghiên cứu đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khai thác của mặt đường BTXM đường ô tô và sân bay trong điều kiện Việt Nam

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khai thác của mặt đường BTXM đường ô tô và sân bay trong điều kiện Việt Nam

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM DUY LINH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ SÂN BAY TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM DUY LINH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ SÂN BAY TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG MÃ SỐ: 9.58.02.05 CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Chữ ký giáo viên hướng dẫn 1. TS Vũ Đức Sỹ 2. GS.TS Phạm Cao Thăng HÀ NỘI – 2021
3. i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, ngoài những bài báo và nghiên cứu khoa học mà tác giả và những người cùng nghiên cứu công bố. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả Phạm Duy Linh
4. ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Vũ Đức Sỹ và GS.TS Phạm Cao Thăng đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt và giúp đỡ tác giả với những chỉ dẫn khoa học giá trị, đồng thời thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các Giáo Sư, Phó giáo sư, Tiến sỹ, các chuyên gia và các nhà khoa học trong và ngoài trường Đại học Giao thông Vận tải đã chỉ dẫn, đóng góp ý kiến để luận án được hoàn thiện. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới trường Đại học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo Sau đại học, bộ môn Đường bộ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Viện kỹ thuật công trình đặc biệt và Bộ môn Cầu – đường Sân bay – Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo bộ môn Đường ô tô và Sân Bay và Bộ môn Đường Bộ – trường Đại học Giao thông Vận tải và các thầy cô giáo đồng nghiệp trong Bộ môn đã tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã động viên, khích lệ và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả Phạm Duy Linh
5. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III MỞ ĐẦU 1 1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu 1 2. Mục đích nghiên cứu: 2 3. Nội dung nghiên cứu: 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu: 2 5. Bố cục luận án: 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU LỚP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG BÁNH XE VÀ NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG 4 1.1. Cấu tạo chung mặt đường BTXM 4 1.1.1. Cấu tạo điển hình mặt đường BTXM 4 1.1.2. Nguyên nhân gây hư hỏng làm suy giảm chất lượng khai thác mặt đường BTXM 6 1.2. Tính toán tấm BTXM mặt đường hệ nhiều lớp 7 1.2.1. Các phương pháp tính toán theo quy trình thiết kế của Việt Nam 7 1.2.1.1 Phương pháp tính toán thiết kế của Việt Nam theo quy trình 22 TCN 223- 95 [2] 7 1.2.1.2 Phương pháp tính toán thiết kế theo Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường BTXM thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông QĐ 3230/2012 [1] 7 1.2.1.3 Phương pháp tính toán thiết kế mặt đường BTXM nhiều lớp mặt đường sân bay theo TCVN 10907-2015 [3] 9 1.2.1.4 Một số nghiên cứu tính toán mặt đường BTXM hệ nhiều lớp tại Việt Nam [10, 11, 15] 9 1.2.2. Các phương pháp tính toán thiết kế mặt đường BTXM hệ hai lớp có khe nối trên thế giới 10
6. iv 1.2.2.1 Tính tấm BT mặt đường theo phương pháp bán thực nghiệm theo Westergaard [16, 39] 10 1.2.2.2 Tính tấm bê tông mặt đường theo quy trình thiết kế mặt đường cứng nhiều lớp của Nga [52, 55, 62, 67] 10 1.2.2.3 Phương pháp tính toán thiết kế theo AASHTO [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 36, 37] 11 1.2.2.4 Phương pháp cơ học thực nghiệm của Mỹ [33, 42, 45] 12 1.2.2.5 Theo cục hàng không liên bang Mỹ (FAA) [41, 43] 12 1.2.2.6 Theo phương pháp tính toán trong quy trình thiết kế của Ấn độ 13 1.2.2.7 Theo quy trình thiết kế mặt đường cứng của Trung Quốc JTG D40-2011 [78] 14 1.2.3. Một số phần mềm tính toán kết cấu mặt đường trên nền biến dạng 14 1.2.4. Nhận xét chung: 14 1.3. Tính toán tấm BTXM dưới ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường 15 1.3.1. Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ với mặt đường BTXM 15 1.3.1.1 Gradient nhiệt độ và hiện tượng uốn vồng tấm BTXM do gradient nhiệt 15 1.3.1.2 Tấm BT bị co dãn khi nhiệt độ thay đổi theo mùa trong năm 17 1.3.2. Các phương pháp tính toán Gradient nhiệt độ 18 1.3.2.1 Phương pháp tính toán gradient nhiệt theo tiêu chuẩn 22TCN 223-95 [2] 18 1.3.2.2 Phương pháp tính toán gradient nhiệt tấm BTXM theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [1] 18 1.3.2.3 Phương pháp tính toán ứng suất nhiệt tấm BTXM cho mặt đường sân bay theo tiêu chuẩn TCVN 10907-2015 [3] 19 1.3.2.4 Phương pháp tính toán ứng suất nhiệt tấm bê tông xi măng có xét ảnh hưởng nhiệt độ theo Mỹ (Theo tiêu chuẩn AASHTO-1998 [21, 22]) 20 1.3.2.5 Tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ trong tấm bê tông xi măng mặt đường theo quy trình thiết kế mặt đường BTXM của Nga [52, 58, 65] 20 1.3.3. Quy định bố trí khe dãn trên mặt đường BTXM 23 1.3.3.1 Theo quy định của hiệp hội mặt đường BTXM Mỹ [22, 25, 26, 27, 30, 31, 32, 34, 38, 40, 45] 23 1.3.3.2 Theo Cục hàng không liên bang Mỹ [16, 18, 20] 24
7. v 1.3.3.3 Theo quy trình thiết kế mặt đường của Ấn độ [28, 35] 24 1.3.3.4 Theo quy trình thiết kế mặt đường của một số nước khác [17, 34, 45] 24 1.3.3.5 Theo quy trình thiết kế mặt đường BTXM của Nga [52, 53, 55, 56, 62, 63, 65] 25 1.3.3.6 Theo quy trình thiết kế mặt đường cứng của Trung Quốc JTG D40/2011 [78] 25 1.3.3.7 Trong TCVN 10907/2015 quy định [3]: 26 1.3.3.8 Trong QĐ 3230/2012 quy định bố trí các khe co, dãn dãy tấm mặt đường [1] 26 1.3.3.9 Trong TCVN 9345/2012 [4], quy định bố trí khe dãn trong tấm BTXM 27 1.3.3.10 Thực tế bố trí khe dãn dãy tấm BTXM mặt đường tại Việt Nam 27 1.3.4. Một số công trình, các nghiên cứu khác về gradient nhiệt và khoảng cách các khe co, dãn mặt đường BTXM ở Việt Nam và trên thế giới 31 1.3.5. Nhận xét chung 32 1.4. Những vấn đề cần nghiên cứu làm rõ trong tính toán thiết kế mặt đường BTXM trong điều kiện Việt Nam 32 1.4.1. Ảnh hưởng của lớp cách ly trong kết cấu mặt đường hệ nhiều lớp 32 1.4.2. Tính toán trường nhiệt độ theo chiều sâu tấm với các tấm có chiều dày khác nhau: 32 1.4.3. Tính toán sự cần thiết và khoảng cách yêu cầu đối với khe dãn trên mặt đường BTXM trong điều kiện khí hậu Việt Nam. 33 1.5. Nội dung nghiên cứu của luận án 33 1.6. Phương pháp nghiên cứu của luận án 34 CHƯƠNG II. TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP CÁCH LY ĐẾN SỰ LÀM VIỆC MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU LỚP 35 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán mặt đường BTXM hệ nhiều lớp có xét ảnh hưởng của lớp cách ly 35 2.2. Khảo sát ảnh hưởng của biến dạng của lớp cách ly đến phân bố nội lực trong các lớp 40 2.2.1. Khi sử dụng lớp cách ly có chiều dày theo quy định trong cấu tạo 40 2.2.2. Tính toán mặt đường BTXM sử dụng lớp cách ly có chiều dày lớn 42 2.2.2.1. Xây dựng chương trình tính toán khảo sát biến dạng lớp cách ly 42
8. vi 2.2.2.2. Khảo sát đánh giá độ tin cậy của phương pháp tính đề xuất 47 2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của lớp cách ly có chiều dày khác nhau 53 2.2.3.1. Sử dụng lớp cách ly bằng vật liệu Bitum- cát và Đá cát nhựa (SAMI) 53 2.2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp cách ly từ BTNC đến ứng suất biến dạng trong lớp BTXM khi thay đổi chiều dày lớp cách ly 67 2.2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp cách ly từ BTNC đến ứng suất biến dạng trong lớp BTXM khi thay đổi nhiệt độ trong lớp cách ly 74 2.3. Kết luận chương II 76 CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN GRADIENT NHIỆT ĐỘ TRONG TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG VỚI CÁC CHIỀU DÀY TẤM KHÁC NHAU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 78 3.1. Tính toán phân bố nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường trong điều kiện Việt Nam 78 3.1.1. Nhiệt độ môi trường tác động lên bề mặt tấm bê tông mặt đường 78 3.1.2. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm bê tông 79 3.2. Khảo sát hiện trường xác định phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm BT mặt đường tại khu vực TP Hà Nội 82 3.3. Tính toán phân bố trường nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường trong điều kiện Việt Nam 85 3.4. Xây dựng các công thức tính toán gradient nhiệt độ và nhiệt độ trung bình trong tấm BTXM mặt đường 103 3.4.1. Giới thiệu phần mềm Mınitab và Phân tích hồi quy : 103 3.4.2. Tính toán xác định gradient nhiệt trong tấm BT mặt đường với các chiều dày khác nhau 104 3.4.3. Tính toán nhiệt độ trung bình theo chiều sâu trong tấm bê tông mặt đường 111 3.4.4. Nhận xét 115 3.5. Tính toán khe dãn mặt đường BTXM 116 3.5.1. Cơ sở tính toán sự cần thiết bố trí khe dãn trên mặt đường bê tông xi măng 116 3.5.2. Cơ sở tính toán khoảng cách khe dãn mặt đường BTXM 119 3.6. Kết luận chương III 121
9. vii CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN MẶT ĐƯỜNG BTXM TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 123 4.1. Tính toán xác định chiều dày hợp lý lớp cách ly trong điều kiện Việt Nam 123 4.2. Khảo sát tính toán ứng suất nhiệt trong tấm BTXM mặt đường theo phương pháp xác định giá trị gradient nhiệt đề xuất 127 4.2.1. Tính toán ứng suất kéo uốn do chênh lệch nhiệt độ gây ra theo (QĐ 3230/2012) 127 4.2.2. Ứng dụng tính toán ứng suất kéo uốn trong tấm BT mặt đường do chênh lệch nhiệt độ gây ra với gradient nhiệt độ xác định theo công thức (3.5): 129 4.2.3. Tính toán ứng suất nhiệt trong tấm BT mặt đường sân bay 130 4.3. Ứng dụng tính toán khe dãn mặt đường BTXM 134 4.3.1. Tính toán với mặt đường ô tô 134 4.3.1.1. Tính toán sự cần thiết bố trí khe dãn 134 4.3.1.2. Tính toán khoảng cách khe dãn mặt đường ôtô 136 4.3.2. Tính toán với mặt đường sân bay 137 4.3.2.1. Tính toán sự cần thiết bố trí khe dãn 137 4.3.2.2. Tính toán khoảng cách các khe dãn mặt đường sân bay 139 4.4. Kết luận chương IV 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 141 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ THAM GIA ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 144
10. viii MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo chung mặt đường BTXM thường có khe nối [1] 4 Hình 1.2. Ứng suất trong tấm BT chịu tải trọng xe và nhiệt độ 16 Hình 1.3. Tấm BTXM co dãn khi nhiệt độ thay đổi theo mùa trong năm 17 Hình 1.4. Cấu tạo điển hình khe dãn mặt đường BTXM sân bay Vân Đồn Quảng Ninh 26 Hình 1.5. Hình ảnh nứt vỡ cạnh tấm BT tại cạnh khe dãn mặt đường RBT đường Lê Văn Lương, TP Hà Nội (2017). 28 Hình 1.6. Hình ảnh nứt vỡ tấm BT tại cạnh khe dãn mặt đường sân bay Tân Sơn Nhất (7/2018). 28 Hình 1.7. Hình ảnh nứt vỡ cạnh tấm BT tại cạnh khe dãn mặt đường sân bay Đà Nẵng (2018). 29 Hình 2.1. Sơ đồ làm việc mặt đường BTXM hai lớp (có lớp cách ly) 36 Hình 2.2. Sơ đồ làm việc của hệ hai lớp mặt đường BTXM chịu uốn có lớp cách ly . 38 Hình 2.3. Sơ đồ chia lưới sai phân lớp trên 44 Hình 2.4. Sơ đồ vị trí các điểm nút lưới lớp trên theo PP SPHH 44 Hình 2.5. Sơ đồ khối chương trình tính MLCP 46 Hình 2.6. Mô phỏng mặt võng lớp trên 51 Hình 2.7. Mô phỏng mặt võng lớp dưới 51 Hình 2.8. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu 52 Hình 2.9. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát (h cl =0,5cm) 55 Hình 2.10. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát (h cl =0,5cm) 55 Hình 2.11. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát (h cl =1,0cm) 56 Hình 2.12. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát (h cl =1,0cm) 56 Hình 2.13. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát (h cl =1,5cm) 57 Hình 2.14. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát (h cl =1,5cm) 57 Hình 2.15. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát (h cl =2,0cm) 58 Hình 2.16. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát (h cl =2,0cm) 58 Hình 2.17. Biểu đồ độ võng lớp BTXM (bitum-cát; h cl =0,5-2,0cm) 60 Hình 2.18. Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp BTXM (bitum-cát; h cl =0,5-2,0cm) 60 Hình 2.19. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI (h cl =1,5cm) 62 Hình 2.20. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI (h cl =1,5cm) 62 Hình 2.21. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu với lớp cách ly là SAMI (h cl =2,0 cm) 63
11. ix Hình 2.22. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu với lớp cách ly là SAMI (h cl =2,0 cm) 63 Hình 2.23. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI (h cl =2,5 cm) 64 Hình 2.24. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI (h cl =2,5 cm) 64 Hình 2.25. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI (h cl =3,0 cm) 65 Hình 2.26. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI (h cl =3,0 cm) 65 Hình 2.27. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC (hcl =3,0cm) 69 Hình 2.28. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC (hcl=3,0cm) 69 Hình 2.29. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC (hcl =4,0 cm) 70 Hình 2.30. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC (hcl =4,0 cm) 70 Hình 2.31. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC (hcl =5,0 cm) 71 Hình 2.32. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC (hcl =5,0 cm) 71 Hình 2.33. Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là BTNC (hcl =6,0 cm) 72 Hình 2.34. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là BTNC (hcl =6,0 cm) 72 Hình 2.35. Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong lớp BTXM với các mức nhiệt độ bề mặt khác nhau(ứng các chiều dày lớp cách ly từ 3-6 cm) 75 Hình 3.1. Sơ đồ lưới sai phân tính nhiệt độ lan truyền trong tấm BT. 81 Hình 3.2. Mô hình thiết bị và cách bố trí thiết bị đo trong tấm BT 82 Hình 3.3. Một số hình ảnh về hệ thống đầu đo và đồ gá 82 Hình 3.4. Một số hình ảnh chuẩn bị lắp đặt thiết bị đo. 83 Hình 3.5. Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị đo. 83 Hình 3.6. Một số hình ảnh dây đo được đưa ra hộp kỹ thuật. Error! Bookmark not defined. Hình 3.7. Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 40cm thay đổi theo các giờ trong ngày ở các độ sâu khác nhau. 88 Hình 3.8. Phân bố nhiệt theo chiều sâu tấm 40 cm ở các giờ khác nhau trong ngày. . 89 Hình 3.9. Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 22cm thay đổi theo các giờ trong ngày ở các độ sâu khác nhau. 92 Hình 3.10. Phân bố nhiệt theo chiều sâu tấm 22cm ở các giờ khác nhau trong ngày. 93 Hình 3.11. Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 26cm thay đổi theo các giờ trong ngày ở các độ sâu khác nhau. 95 Hình 3.12. Phân bố nhiệt theo chiều sâu tấm 26cm ở các giờ khác nhau trong ngày. 96 Hình 3.13. Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 30 cm thay đổi theo các giờ trong ngày ở các độ sâu khác nhau. 98
12. x Hình 3.14. Phân bố nhiệt theo chiều sâu tấm dày 30 cm ở các giờ khác nhau trong ngày. 99 Hình 3.15. Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 36 cm thay đổi theo các giờ trong ngày ở các độ sâu khác nhau. 101 Hình 3.16. Phân bố nhiệt độ theo chiều xâu trong tấm BTXM dày 36 cm trong các giờ khác nhau trong ngày. 102 Hình 3.17. Biểu đồ quan hệ gradient nhiệt với chiều dày tấm BT 108 Hình 3.18. Biểu đồ quan hệ gradient nhiệt với chiều dày tấm BT 109 Hình 3.19. Biểu đồ so sánh gradinet nhiệt đơn vị của hai phương pháp tính theo đề xuất và theo QĐ 3230 110 Hình 3.20. Biểu đồ quan hệ nhiệt độ trung bình T tb trong tấm với chiều dày tấm BT 0 (với T bm =65 C) 114 Hình 3.21. Cấu tạo khe dãn theo [75] . 116 Hình 3.22. Hiện tượng chèn kích đẩy trồi tấm bê tông mặt đường tại Mỹ [74] 119 Hình 4.1. Biểu đồ so sánh ứng suất kéo uốn do nhiệt độ gây ra 130 Hình 4.2. Đồ thị xác định hệ số C x,C y 133
13. xi MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Kết quả thí dụ tính gradient nhiệt đơn vị T g 22 Bảng 1.2. Bảng quy định khoảng cách khe dãn 25 Bảng 2.1. Kết quả tính toán độ võng tại các nút lưới của lớp trên (cm). 49 Bảng 2.2. Kết quả tính toán độ võng tại các nút lưới của lớp dưới (cm): 50 Bảng 2.3. Kết quả tính toán độ võng và ứng suất các lớp: 51 Bảng 2.4. So sánh kết quả tính ứng suất kéo uốn lớn nhất tại đáy giữa tấm BTXM bằng các phương pháp khác nhau: 52 Bảng 2.5. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly Bitum – Cát (h cl =0.5 cm) 55 Bảng 2.6. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly Bitum – Cát (h cl =1,0 cm) 56 Bảng 2.7. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly Bitum – Cát (h cl =1,5 cm) 57 Bảng 2.8. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly Bitum – Cát (h cl =2,0 cm) 58 Bảng 2.9. Bảng tổng hợp kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng Bitum- cát đến ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM 59 Bảng 2.10. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng Bitum- cát đến độ võng và ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM 59 Bảng 2.11. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly SAMI (h cl =1,5 cm) 62 Bảng 2.12. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly là SAMI (h cl =2,0 cm) 63 Bảng 2.13. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly là SAMI (h cl =2,5 cm) 64 Bảng 2.14. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly là SAMI (h cl =3,0 cm) 65 Bảng 2.15. Bảng tổng hợp kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng SAMI đến ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM 66 Bảng 2.16. Kết quả tính toán khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng SAMI đến độ võng và ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM 66 Bảng 2.17. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly BTN (h cl =3,0 cm) 69 Bảng 2.18. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly là BTNC (h cl =4,0 cm) 70 Bảng 2.19. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly là BTNC (h cl =5,0 cm) 71 Bảng 2.20. Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và dưới với lớp cách ly là BTNC (h cl =6,0 cm) 72 Bảng 2.21. Bảng tổng hợp kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng BTNC đến ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM 73 Bảng 2.22. Kết quả tính toán khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng BTNC đến độ võng và ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM 73 Bảng 2.23. Tính toán mô đun đàn hồi BTN phụ thuộc với nhiệt độ bề mặt 74
14. xii Bảng 2.24. Ứng suất kéo uốn trong lớp BTXM (ứng với nhiệt độ bề mặt) theo chiều dày lớp cách ly bằng BTNC 75 Bảng 3.1. Số liệu bức xạ mặt trời và nhiệt độ trung bình của không khí tại một số địa phương ở Việt Nam (QCVN 2:2009). 79 Bảng 3.2. Kết quả thực nghiệm hiện trường tấm BTXM dày 40 cm trung bình 7 ngày nóng nhất trong năm 2018 Error! Bookmark not defined. Bảng 3.3. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 40 cm. 87 Bảng 3.4. Bảng so sánh chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy tấm BTCM 40 cm và gradient nhiệt giữa tính toán và khảo sát thực tế 90 Bảng 3.5. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 22 cm và phân bố theo giờ trong ngày 91 Bảng 3.6. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 26 cm và phân bố theo giờ trong ngày 94 Bảng 3.7. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 30 cm và phân bố theo giờ trong ngày 97 Bảng 3.8. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 36 cm và phân bố theo giờ trong ngày 100 Bảng 3.9. Bảng thống kê chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy tấm cho các tấm BTXM có chiều dày khác nhau khu vực TP Hà Nội 105 Bảng 3.10. So sánh gradient nhiệt tính toán (3.5) và QĐ 3230/2012 109 Bảng 3.11. Bảng nhiệt độ trung bình trong tấm BTXM tại Hà Nội 112 Bảng 3.12. Bảng so sánh kết quả nhiệt độ trung bình trong tấm BTXM tại Hà Nội tính theo công thức (3.14) và tính theo QĐ 3230/2012 114 Bảng 3.13. Trình bày kết quả so sánh theo hai công thức (3.30) và công thức (1.27) trong [32], trong tính toán sử dụng ván gỗ chèn khe có mô đun đàn hồi 7Mpa và cường độ nén 3Mpa. Tấm BTXM có chiều dày 24cm. Tính cho khí hậu khu vực Hà Nội. 121 Bảng 4.1. Kết quả so sánh ứng suất kéo uốn lớn nhất tại đáy tấm BTXM bằng các phương pháp tính khác nhau 125 Bảng 4.2. Kết quả tính toán lưu lượng trục xe còn lại cho phép trên mặt đường BTXM 126 Bảng 4.3. Bảng kết quả tính toán σt,max với ∆t tính theo QĐ 3230 128 Bảng 4.4. Bảng kết quả tính toán σt,max với ∆t tính theo (3.5) 129 Bảng 4.5. So sánh kết quả tính ứng suất nhiệt uốn vồng σ t,max (Mpa) theo hai phương pháp 129 Bảng 4.6. Tính toán ứng suất nhiệt uốn vồng tấm theo TCVN10907. 133 Bảng 4.7. Bảng kết qủa tính toán kích thước tấm phù hợp mức giới hạn cường độ 30%. 133 Bảng 4.8. Bảng kết quả kiểm toán sự cần thiết bố trí khe dãn cho mặt đường BTXM (đường ô tô) với điều kiện nhiệt độ TP Hà Nội 135 Bảng 4.9. Bảng kết quả kiểm toán sự cần thiết bố trí khe dãn cho mặt đường BTXM (đường ô tô) với điều kiện nhiệt độ khu vực khác 136 Bảng 4.10. Kết quả tính toán khoảng cách khe dãn cho mặt đường BTXM đường ô tô với điều kiện thời tiết tại Hà Nội 137 Bảng 4.11. Kết quả tính toán sự cần thiết bố trí khe dãn cho mặt đường BTXM sân bay với điều kiện thời tiết tại Hà Nội 138 Bảng 4.12. Kết quả tính toán sự cần thiết bố trí khe dãn cho mặt đường BTXM ( sân bay) với điều kiện thời tiết khu vực khác 138
15. xiii Bảng 4.13. Kết quả tính toán khoảng cách khe dãn cho mặt đường BTXM sân bay với điều kiện thời tiết tại Hà Nội 139
16. xiv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BTXM Bê tông xi măng BT Bê tông XM Xi măng BTN Bê tông nhựa BTNC Bê tông nhựa chặt (Stress absorbing membrane interlayer) Lớp vật liệu có SAMI khả năng hấp thụ và phân b ố lại ứng suất (trong luận án sử dụng dạng thức đá cát nhựa) (Califomia Bearing Ratio) Chỉ số biểu thị sức chịu tải của CBR đất và vật liệu QĐ Quyết định BGTVT Bộ Giao Thông Vận Tải (ACPA) Hiệp hội Mặt đường xi măng Mỹ FHWA Cục Đường bộ liên bang Mỹ International Civil Aviation Organization (Tổ chức Hàng (ICAO) không dân dụng quốc tế) GTVT Giao thông vận tải TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD Tiêu chuẩn xây dựng TCN Tiêu chuẩn ngành American Association of State Highways and AASHTO Transportation Officials (Hiệp hội Những người làm đường và vận tải toàn nước Mỹ) ( Federal Aviation Administration) Cục Hàng không liên FAA bang Mỹ Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (Hướng ME PDG dẫn thiết kế mặt đường theo Cơ học thực nghiệm) SPHH Sai phân hữu hạn PTHH Phần tử hữu hạn GS Giáo sư TS Tiến sỹ TSKH Tiến sỹ khoa học
17. 1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) là một trong các loại kết cấu áo đường cấp cao mang nhiều ưu điểm nổi bật như sau: Bền vững, tuổi thọ có thể tới 25-30 năm; Cường độ cao, thích hợp với tất cả các phương tiện; Cường độ mặt đường ít chịu tác động bởi việc thay đổi nhiệt độ như mặt đường nhựa; Có khả năng chống bào mòn tốt, hệ số bám giữa bánh xe và mặt đường cao; Ổn định cường độ đối với ẩm và nhiệt, cường độ không những không bị giảm mà còn tăng theo thời gian, ít có hiện tượng bị lão hóa như mặt đường bê tông nhựa; Chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp. Mặt khác đây là loại kết cấu mặt đường mà chúng ta có thể chủ động được nguồn nguyên liệu, công nghệ thi công không quá phức tạp. Với những ưu điểm như trên mặt đường BTXM có thể áp dụng rộng rãi làm kết cấu áo đường cho các tuyến đường cấp cao, làm mặt đường trong sân bay và trên các trục đường ô tô có lưu lượng trục xe lớn và nhiều xe tải trọng nặng lưu hành. Ở Việt Nam hiện nay trong tính toán thiết kế mặt đường cứng đường ô tô và sân bay đang sử dụng quy trình tạm thời thiết kế mặt đường BTXM đường ô tô theo QĐ 3230/2012 và TCVN 10907/2015. Tuy nhiên trong thực tế khai thác tại Việt Nam với nhiều nguyên nhân khác nhau, mặt đường đã xuất hiện một số dạng hư hỏng gây ảnh hưởng nhất định đến chất lượng khai thác của kết cấu mặt đường ô tô và sân bay. Trong đó có các hiện tượng nứt vỡ tấm, nứt tại các cạnh tấm cạnh các khe dãn do ứng suất nhiệt. Các hư hỏng trên làm suy giảm chất lượng tấm BT, suy giảm chất lượng khai thác mặt đường. Do các quy trình hiện tại đang được sử dụng tại Việt Nam không hoàn toàn do chúng ta tự biên soạn, mà trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn của nước ngoài (quy định tạm thời theo QĐ 3230/2012 được biên soạn trên cơ sở tham khảo từ quy trình của Trung Quốc JTG D40-2011 và TCVN 10907/2015 thiết kế mặt đường sân bay, được biên soạn trên cơ sở tham khảo quy trình thiết kế sân bay của Nga). Đây là các tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với điều kiện thực tế của Trung Quốc và của Nga về vật liệu, về điều kiện khí hậu, trình độ công nghệ thi công của Trung Quốc và của Nga. Để các quy định về kỹ thuật trong các quy trình trên phù hợp với điều kiện cụ thể của Việt Nam, liên quan đến điều kiện vật liệu, điều kiện khí hậu thời tiết, cần tiến hành các nghiên cứu hiệu chỉnh, bổ sung một số yêu cầu kỹ thuật cho phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế cùng những phân tích nêu trên, đề tài “Nghiên cứu đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khai thác của mặt đường BTXM đường ô tô và sân bay trong điều kiện Việt Nam” , trong luận án chọn hướng nghiên cứu về một số vấn đề kỹ thuật liên quan sử dụng có hiệu quả lớp cách ly trong kết cấu mặt đường cứng hệ nhiều lớp và đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến sự làm việc của tấm BT, là lĩnh vực nghiên cứu cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
18. 2 2. Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của lớp cách ly trong kết cấu hệ nhiều lớp mặt đường BTXM đến sự làm việc của mặt đường, từ đó đưa ra các kiến nghị cần thiết về cấu tạo hợp lý của lớp cách ly trong điều kiện Việt Nam. Nghiên cứu tính toán xác định trường nhiệt độ theo chiều sâu và gradient nhiệt độ giữa bề mặt và đáy tấm BT mặt đường trong điều kiện khí hậu của Việt Nam, phụ thuộc chiều dày tấm BTXM, trong đó có các tấm BTXM mặt đường có chiều dày lớn như mặt đường sân bay. Nghiên cứu tính toán sự cần thiết phải bố trí khe dãn và tính toán khoảng cách bố trí khe dãn trong điều kiện khí hậu Việt Nam. 3. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan các phương pháp tính toán mặt đường BTXM hệ nhiều lớp (trường hợp sử dụng lớp móng cứng tham gia chịu kéo uốn cùng mặt đường hoặc trường hợp tăng cường tấm BTXM trên mặt đường BTXM cũ) có xem xét đến ảnh hưởng của lớp cách ly và nhiệt độ môi trường; Nghiên cứu tính toán đánh giá ảnh hưởng của lớp cách ly đến phân bố nội lực trong các lớp mặt đường BTXM, khuyến nghị lựa chọn chiều dày hợp lý lớp cách ly trong điều kiện Việt Nam; Nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm hiện trường, xác định trường nhiệt độ phân bố theo chiều sâu trong tấm BTXM; Nghiên cứu tính toán xác định trường nhiệt độ theo chiều sâu và gradient nhiệt độ và nhiệt độ trung bình theo trong tấm BTXM theo chiều dày tấm, phục vụ tính toán ứng suất nhiệt trong tấm BT và tính toán sự cần thiết bố trí khe dãn của dãy tấm BT mặt đường ôtô và sân bay; Nghiên cứu tính toán thử nghiệm số, đánh giá lượng hóa ảnh hưởng của lớp cách ly và nhiệt độ môi trường đến sự làm việc của tấm BTXM mặt đường ôtô và sân bay trong điều kiện khí hậu khu vực miền Bắc Việt Nam. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu: Ý nghĩa khoa học: Xây dựng phương pháp tính toán có thể đánh giá ảnh hưởng của chiều dày và cường độ lớp cách ly đến sự làm việc của mặt đường BTXM hệ nhiều lớp. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đo đạc hiện trường đã xác định phân bố trường nhiệt độ theo chiều sâu tấm BT mặt đường và gradient nhiệt trong tấm cho từng chiều dày tấm khác nhau. Nghiên cứu xác định sự cần thiết phải bố trí khe dãn cho dãy tấm BT mặt đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: Tính toán kiến nghị chọn loại vật liệu và chiều dày lớp cách ly, phù hợp với điều kiện khai thác và điều kiện nhiệt độ của Việt Nam;
19. 3 Tính toán, xây dựng và đề xuất các công thức tính toán gradient nhiệt và nhiệt độ trung bình theo chiều sâu trong tấm BT phụ thuộc chiều dày tấm, phục vụ tính toán ứng suất nhiệt và xác định khoảng cách giữa các khe dãn dãy tấm, trong điều kiện khí hậu khu vực TP Hà Nội và các khu vực có điều kiện tương tự ở miền Bắc Việt Nam. 5. Bố cục luận án: Nội dung luận án bao gồm các phần như sau: Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan về tính toán mặt đường BTXM. Chương 2: Nghiên cứu tính toán đánh giá sự ảnh hưởng của lớp cách ly đến mặt đường BTXM hệ nhiều lớp Chương 3: Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến sự làm việc của mặt đường BTXM trong điều kiện Việt Nam Chương 4: Ứng dụng tính toán mặt đường BTXM trong điều kiện Việt Nam Kết luận và kiến nghị
20. 4 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU LỚP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG BÁNH XE VÀ NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG Mặt đường BTXM một trong hai loại kết cấu mặt đường cấp cao được sử dụng phổ biến cho đường ô tô và sân bay trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng. Tuy nhiên trong quá trình khai thác kết cấu mặt đường BTXM cho đường ô tô và sân bay tại Việt Nam vẫn xuất hiện những hư hỏng, xuống cấp làm ảnh hưởng đến chất lượng khai thác của loại kết cấu mặt đường này. Chương I đi vào giới thiệu và phân tích sự làm việc của mặt đường BTXM hệ nhiều lớp dưới tác dụng của tải trọng bánh xe và ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và các nguyên nhân dẫn đến các hiện tượng hư hỏng xuống cấp của kết cấu mặt đường có gây ảnh hưởng đến chất lượng khai thác mặt đường BTXM làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu ở các chương tiếp theo. 1.1. Cấu tạo chung mặt đường BTXM 1.1.1. Cấu tạo điển hình mặt đường BTXM Mặt đường BTXM có cấu tạo chung bao gồm các bộ phận cụ thể như hình sau: Hình 1.1. Cấu tạo chung mặt đường BTXM thường có khe nối [1] 1. Tấm BTXM lớp trên Đây là bộ phận chính của kết cấu mặt đường bằng BTXM thường. Chiều dày tấm và kích thước tấm được xác định theo tính toán (chiều dày tối thiểu là 18cm) theo điều kiện chịu tải trọng khai thác và ứng suất do nhiệt độ; BTXM làm lớp mặt trên có cường độ chịu kéo uốn theo yêu cầu tính toán có cường độ nén tối thiểu đối với đường ô tô là 30 MPa và đối với kết cấu mặt đường sân bay là 35Mpa. Lớp mặt BTXM có thể có một hoặc nhiều lớp, tùy theo yêu cầu khai thác.