Tài liệu Nghiên cứu lựa chọn kết cấu tầng móng kết cấu áo đường cải thiện khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe sử dụng vật liệu tại thành phố đà nẵng

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN KẾT CẤU TẦNG MÓNG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CẢI THIỆN KHẢ NĂNG KHÁNG HẰN LÚN VỆT BÁNH XE SỬ DỤNG VẬT LIỆU TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Học viên : NGUYỄN LÊ VŨ. Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông. Mã số : 85.80.02.05 Khóa : K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Tóm tắt: Hiện tượng lún vệt bánh xe đang là vấn đề nan giải của ngành Giao thông không chỉ ở nước ta mà còn ở trên thế giới. Nghiên cứu tập trung phân tích ảnh hưởng của áp lực bánh xe, tốc độ, mô đun đàn hồi động của kết cấu áo đường và ảnh hưởng của lớp móng gia cố xi măng đến khả năng kháng HLBX. Kết quả phân tích d ựa trên mô hình thí nghiệm Full-depth phát triển bởi Trần Trung Việt và cộng sự 2018 cho 4 kết cấu áo đường full-scale với 3 kết cấu sử dụng lớp móng CPĐD GCXM và 1 kết cấu không GCXM. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra: (1) khi q càng tăng thì RD càng tăng, v ới q tăng từ 0,6 lên 0,65MPa thì RD tăng 15 đến 29%; (2) khi V càng giảm RD càng tăng, v ới V giảm từ 8km/h xuống 6km/h thì RD tăng 15%; và (3) với kết cấu áo đường sử dụng móng gia cố xi măng có khả năng kháng lún tốt hơn kết cấu không sử dụng móng gia cố xi măng, từ 7 đến 18%. Kết cấu sử dụng móng gia cố xi măng 14cm có khả năng kháng HLVBX hơn k ết cấu sử dụng móng gia cố xi măng 10cm, từ 3,5 đến 9%. Đồng thời khi hàm lượng XM giảm từ 6% xuống 4% thì RD giảm 6-16%. Tuy nhiên, xét về hiệu quả kinh tế thì kết cấu gia cố XM dày 14cm có tính khả thi cao hơn. Từ khóa: HLBX, Mặt đường mềm, Mô đun đàn hồi động, áp lực bánh xe, GCXM. C C R L . T U D RESEARCH SELECTION OF BASE OF PAVEMENT TO IMPROVEMENT RUTTING DEEPTH BY USING LOCAL MATERIAL IN DANANG Summary: Nowaday, rutting depth of asphalt pavement is not only one big problem of transportation in the word but also in Vietnam. The study focuses on analyzing the effect of wheel pressure (q), speed (V), dynamic modulus of elasticity of pavement structure and the impact of cement treated base (CTB) on RD. The analysis results are based on the Full-depth experimental model developed by Tran et al 2018 for 4 full-scale pavement structures with 3 structures using the CTB and 1 non-CTB structure. The research results have shown: (i) when q increasing from 0.6 to 0.65MPa, RD increases by 15 to 29%; (ii) with V decreasing from 8km/h to 6km/h, RD increases by 15%; and (iii) with pavement structure using CTB, wh ich is more resistant to RD than the structure without CTB, from 7 to 18%. Structures using 14cm thickness of CTB are more resistant to RD than structures using 10cm, from 3.5 to 9%. At the same time when Cement percentage decreases from 6% to 4%, RD decre ases 6-16%. However, in terms of economic efficiency, 14cm thick reinforced cement structure is more feasible. Keyword: RD, Flexible pavement, Modulus of Dynamic, wheel pressure, CTB. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN BẢN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 4 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG HƢ HỎNG MẶT ĐƢỜNG VÀ HIỆN TƢỢNG HẰN LÚN VỆT BÁNH XE ............................................................... 5 1.1. Mở đầu ...................................................................................................................... 5 1.2. Các dạng hư hỏng của mặt đường BTN ................................................................... 5 1.2.1. Nứt bề mặt .................................................................................................... 5 1.2.2. Trượt trồi mặt BTN ....................................................................................... 8 1.2.3. Hằn lún vệt bánh xe (HLVBX) ..................................................................... 8 1.3. Nghiên cứu vệt hằn bánh xe trong nước và trên thế giới ....................................... 13 1.3.1. Một số nghiên cứu trong nước .................................................................... 13 1.3.2. Một số nghiên cứu trên thế giới. ................................................................. 18 1.4. Kết luận................................................................................................................... 24 CHƢƠNG 2. QUY HOẠCH MẪU VÀ TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM HẰN LÚN VỆT BÁNH XE ............................................................................................................ 25 2.1. Mở đầu .................................................................................................................... 25 2.2. Dự kiến k ch thước m u th nghiệm ....................................................................... 25 2.3. Thí nghiệm xác định dung trọng khô lớn nhất và độ ẩm tốt nhất của vật liệu ....... 27 2.3.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu CPĐD D37.5: ................................................. 28 2.3.2. Kết quả thí nghiệm vật liệu CPĐD D25 ..................................................... 28 2.3.3. Kết quả thí nghiệm vật liệu CPĐD GCXM 6% .......................................... 28 2.4. Phương pháp xác định mô-đun đàn hồ động (Dynam c Modulus) bằng th ết bị Light-FWD. ................................................................................................................... 29 2.4.1. Giới thiệu thiết bị Light-FWD ................................................................... 29 2.4.2. Trình tự thí nghiệm ..................................................................................... 29 2.4.3. Số lượng và vị tr xác định FWD ................................................................ 32 2.5. Trình tự thi công m u ............................................................................................ 33 2.5.1. Thi công lớp đáy móng (nền cát) ................................................................ 33 C C U D R L . T 2.5.2. Thi công lớp móng dưới CPĐD loại II ....................................................... 35 2.5.3. Thi công lớp móng trên CPĐD loại I ........................................................ 38 2.5.4. Thi công lớp móng trên CPĐD gia cố xi măng .......................................... 40 2.5.5. Thi công lớp mặt BTN ................................................................................ 43 2.6. Phương trình tương quan giữa độ chặt K và Eđ ..................................................... 47 2.7. Giới thiệu thiết bị thí nghiệm độ sâu RD vệt hằn bánh xe ..................................... 47 2.8. Trình tự đo HLVBX (RD) ...................................................................................... 49 2.8.1. Vị tr đo vệt hằn bánh xe............................................................................. 49 2.8.2. Quá trình đo vệt hằn bánh xe ...................................................................... 49 2.9. Kết quả đo HLVBX(RD)........................................................................................ 50 2.9.1. Kết quả đo RD m u M1 .............................................................................. 50 2.9.2. Kết quả đo RD m u M2 .............................................................................. 51 2.9.3. Kết quả đo RD của m u M3 ....................................................................... 51 2.9.4. Kết quả đo RD của m u M4 ....................................................................... 52 2.10. Kết luận................................................................................................................. 52 CHƢƠNG 3. PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TẦNG MÓNG ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG HẰN LÚN CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƢỜNG TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG ........................................................................................................................... 53 3.1. Mở đầu .................................................................................................................... 53 3.2. Phân tích ảnh hưởng của tải trọng đến RD ............................................................. 53 3.3. Phân tích ảnh hưởng của tốc độ đến RD ................................................................ 55 3.4. Phân tích ảnh hưởng của lớp móng gia cố xi măng đến HLVBX .......................... 56 3.5. Phân tích ảnh hưởng hàm lượng xi măng đến HLVBX ......................................... 58 3.6. Phân tích ảnh hưởng của mô đun đàn hồi động, tải trọng, nhiệt độ và tốc độ đến độ sâu vệt hằn bánh xe RD ................................................................................................. 60 3.7. Phương trình tương quan giữa Eđ, T, q, V và N đến vệt hằn bánh xe RD ............. 60 3.7.1. Cơ sở đề xuất mô hình tương quan ............................................................. 60 3.7.2. Phương trình tương quan giữa Eđ, T, q, V và N đến vệt hằn bánh xe RD ....... 63 3.8. So sánh lựa chọn kết cấu tầng móng ...................................................................... 67 3.8.1. Khái toán cho kết cấu M1 ........................................................................... 67 3.8.2. Khái toán cho kết cấu M2 ....................................................................................... 67 3.8.3. Khái toán cho kết cấu M3 ....................................................................................... 68 3.8.4. Khái toán cho kết cấu M4 ........................................................................... 68 3.8.5. So sánh lựa chọn tầng móng ....................................................................... 68 3.9. Kết luận.................................................................................................................. 69 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) C C U D R L . T DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTN BGTVT CPĐD GCXM HLVBX KCAĐ LVBX XM : Bê tông nhựa : Bộ Giao thông Vận tải : Cấp phối đá dăm : Gia cố xi măng : Hằn lún vệt bánh xe : Kết cấu áo đường : Lún vệt bánh xe : Xi măng C C U D R L . T DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1 Ảnh hưởng của tải trọng đến HLVBX 16 1.2 Ảnh hưởng của áp suất bánh hơi đến HLVBX 16 1.3 Ảnh hưởng của tải trọng và áp suất bánh đến HLVBX 16 1.4 Thời gian tác dụng t nh toán của 1 lần xe chạy lên mặt đường BTN 17 (khi độ dốc dọc đường <3%) 1.5 Kết quả đo lún vệt bánh xe ngoài thực tế trên tuyến Đại lộ Đông Tây 17 sau 4 năm khai thác 1.6 Giới hạn độ s u LVBX theo phương pháp Hamburg Wheel-Tracking 20 1.7 Kết quả thử nghiệm độ n định (DS) của các loại lớp mặt. 21 1.8 Hai cấu trúc điển hình lớp mặt đường trên đường cao tốc. C C U D R L . T 21 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1 2 3 4 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 Tên hình Trang Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe : a-QL1, TP. Hà Tĩnh; b- QL1 đoạn Hà TĩnhVinh Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe tại QL14B thành phố Đà Nẵng Mô hình th nghiệm full-scale kiểm tra kết cấu áo đường của viện IFSTTAR, Pháp Mô hình Accelerated pavement testing (1) Cty PaveTesting Ltd, (2) Phòng th nghiệm tại Kansas State University Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt thành gà [internet] Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt do mỏi. [internet] Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt dọc. [internet] Hư hỏng mặt đường dạng nứt thành lưới [internet] Hư hỏng mặt đường dạng nứt phản ánh phát triển từ dưới lớp bê tông xi măng [internet] Hư hỏng mặt đường dạng lún trồi dưới vệt bánh xe khi xe vào đường cong nằm. [internet] Hằn lún vệt bánh xe ở quốc lộ 1 [internet] Hằn lún vệt bánh xe trong bản th n lớp mặt. [internet] Hằn lún vệt bánh xe trong bản th n các lớp móng. [internet] Hằn lún vệt bánh xe trong bản th n các lớp móng và lớp mặt. [internet] Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe : [internet] a-QL1, TP. Hà Tĩnh; b- QL1 đoạn Hà Tĩnh-Vinh Mô hình th nghiệm full-scale kiểm tra kết cấu áo đường của viện IFSTTAR, Pháp 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 ph p [Nguyễn Ngọc, 2015] Kết quả th nghiệm vệt hằn bánh xe được thực hiện trong môi trường không kh 600C của h n hợp SMA(SMA-PMBIII) và C12.5(C12.5PMBIII)[ Nguyễn Hu nh Tấn Tài và Trần Thiện Nh n, 2016] Chiều s u vệt lún bánh xe của m u BTN C19, 57% đá dăm và 64% đá dăm [Nguyễn Văn Long và Phan Văn Quảng, 2016] Ảnh hưởng của E động của tầng móng đến HLVBX [Nguyễn Ga Bảo và Lê Tự Gô, 2017] Đường bao vật liệu cho 3 v ng vật liệu của BTN chặt C.19[ Amir Golalipour và cộng sự (2012)] Độ n định Marh-shall [Amir Golalipour và cộng sự ( 2012)] 2 C C U D R L . T 2 2 3 5 6 6 7 7 8 9 10 11 11 12 13 14 15 15 17 18 19 Số hiệu hình 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 Tên hình Trang Độ r ng không kh (V.A) và độ r ng khung cốt liệu (V.M.A). [Amir Golalipour và cộng sự ( 2012)] Độ cứng [Amir Golalipour và cộng sự ( 2012)] Tương quan giữa tải trọng trục và lún vệt bánh xe mặt đường[Rafiqul et al, 2012] Tác động các t hợp tải trọng đến sự phát triển hằn lún có x t đến ảnh hưởng của nhiệt độ [Barugahare Javilla và cộng sự (2017)] Tác động của các t hợp tải trọng đến chiều s u HLVBX không x t đến ảnh hưởng của nhiệt độ [Barugahare Javilla và cộng sự, 2017]. Lún vệt bánh xe theo chiều s u KCAD. Ảnh hưởng của trục xe t ch lũy đến HLBX Biểu đồ thể hiện sự quan hệ giữa vật liệu thi công và độ s u vệt lún bánh xe ưng với số lượng tải trọng trục tiêu chuẩn tương đương Hình dạng và k ch thước các m u th nghiệm Thành phần hạt của BTN. Thành phần hạt của CPĐD Dmax25 và CPĐD GCXM Thành phần hạt của CPĐD Dmax37.5. Quá trình th nghiệm đầm n n tiêu chuẩn. Biểu đồ thể hiện kết quả th nghiệm dung trọng- độ ẩm trong PTN cho CPĐD Dmax37.5 Biểu đồ thể hiện kết quả th nghiệm dung trọng- độ ẩm trong phòng thí nghiệm cho CPĐD Dmax25. Biểu đồ thể hiện kết quả th nghiệm dung trọng- độ ẩm trong PTN cho CPĐD GCXM. Thiết bị Light-FWD đo mô đun động. D ng cát để tăng diện t ch tiếp xúc của máy với mặt phẳng th nghiệm. Chốt an toàn ở chế độ FREE trong qua trình th nghiệm Các tham số của máy bao gồm đường k nh đế gia tải (330mm);Hệ số poisson ứng với m i loại cấp phối khác nhau. Màn hình bộ điều khiển khi máy ở trạng thái sẵn sàng đo. Kết quả được hiển thị trên màn hình của bộ điều khiển. Sơ đồ vị tr đo FWD cho các lớp kết cấu. Quá trình chuẩn bị khuôn. Quá trình đo modulus lớp đáy móng Kết quả modulus Eđ lớp đáy móng Sơ đồ lu và quá trình lu lớp CPĐD loại II. Quá trình đo modulus lớp CPĐD loại II. Kết quả modulus Eđ lớp móng CPĐD loại II Quá trình th nghiệm xác định độ chặt bằng phương pháp rót cát. Vị tr th nghiệm xác định độ chặt cho lớp móng dưới CPĐD loại 2. 19 C C U D R L . T 19 20 21 22 22 23 23 25 26 26 27 27 28 28 29 29 30 30 31 31 32 32 33 33 34 35 36 37 37 38 Số hiệu hình 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.30 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 2.36 2.37 2.38 2.39 2.40 2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Tên hình Trang Quá trình lu lớp CPĐD loại I. Quá trình đo modulus lớp CPĐD loại I. Biểu đồ đo mô-đun tại các vị tr móng trên CPĐD loại I. Quá trình th nghiệm xác định độ chặt bằng phương pháp rót cát. Quá trình trộn cấp phối đá dăm gia cố xi măng. Quá trình lu lớp CPĐD GCXM. Quá trình đo modulus lớp CPĐD GCXM. Kết quả đo Ed móng trên CPĐD GCXM. Quá trình th nghiệm xác định độ chặt bằng phương pháp rót cát. Vệ sinh th i bụi và tưới nhựa thấm. Công tác vận chuyển và san rải BTN. Quá trình lu lèn BTN. Quá trình đo modulus lớp BTN. Kết quả đo Ed cho lớp mặt BTN. Tương quan giữa Eđ và độ chặt đầm n n K [Liu et al., 2016] Thiết bị th nghiệm đo vệt hằn bánh xe. Dữ liệu dạng hình ảnh xuất ra từ máy. Vị tr đo của các vệt hằn trên bề mặt lớp BTN. Dữ liệu dạng số xuất ra từ máy. Kết quả đo HLVBX cho kết cấu M1 với 2 cấp tải trọng và 2 tốc độ khác nhau. Kết quả đo HLVBX cho kết cấu M2 với 2 cấp tải trọng và 2 tốc độ khác nhau. Kết quả đo HLVBX cho kết cấu M3 với 2 cấp tải trọng và 2 tốc độ khác nhau Kết quả đo HLVBX cho kết cấu M4 với 2 cấp tải trọng và tốc độ khác nhau Biểu đồ so sánh giữa 2 cấp tải trọng với kết cấu có c ng nhiệt độ 600C và tốc độ 6km/h-m u 1. Biểu đồ so sánh giữa 2 cấp tải trọng với kết cấu có c ng nhiệt độ 600C và tốc độ 6km/h-m u 2. Biểu đồ so sánh giữa 2 cấp tải trọng với kết cấu có c ng nhiệt độ 600C và tốc độ 6km/h-m u 3. Biểu đồ so sánh giữa 2 cấp tải trọng với kết cấu có c ng nhiệt độ 600C và tốc độ 6km/h-m u 4. Biểu đồ so sánh giữa 2 tốc độ với kết cấu có c ng nhiệt độ 600C và cấp tải trọng 0.65MPa-m u 1 Biểu đồ so sánh giữa 2 tốc độ với kết cấu có c ng nhiệt độ 600C và cấp tải trọng 0.65MPa-m u 2 39 39 40 40 41 41 42 43 43 44 44 45 45 47 47 48 48 49 50 50 C C U D R L . T 51 51 52 53 54 54 54 55 55 Số hiệu hình 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 Tên hình Trang Biểu đồ so sánh giữa 2 tốc độ với kết cấu có c ng nhiệt độ 600C và cấp tải trọng 0.65MPa-m u 3 Biểu đồ so sánh giữa 2 tốc độ với kết cấu có c ng nhiệt độ 600C và cấp tải trọng 0.65MPa-m u 4. Biểu đồ so sánh giữa kết cấu sử dụng lớp móng gia cố xi măng 14cm, 10cm và không sử dụng vật liệu gia cố xi măng với c ng tốc độ 6km/h và tải trọng 0.6MPa. Biểu đồ so sánh giữa kết cấu sử dụng lớp móng gia cố xi măng 14cm, 10cm và không sử dụng vật liệu gia cố xi măng với c ng tốc độ 6km/h và tải trọng 0.65MPa. Biểu đồ so sánh giữa kết cấu sử dụng lớp móng gia cố xi măng 14cm, 10cm và không sử dụng vật liệu gia cố xi măng với c ng tốc độ 8km/h và tải trọng 0.6MPa Biểu đồ so sánh giữa kết cấu sử dụng lớp móng gia cố xi măng 14cm, 10cm và không sử dụng vật liệu gia cố xi măng với c ng tốc độ 8km/h và tải trọng 0.65Mpa. Kết quả so sánh HLBX giữa 3 kết cấu có móng CPDD GCXM: (1) – v=6km/h-p=0.65MPa; (2) v=6km/h-p=0.60MPa; (3) v=8km/hp=0.65MPa; (4) v=8km/h-p=0.60MPa Ảnh hưởng của hàm lượng XM đến HLVBX Biểu đồ quan hệ giữa mô đun KCAĐ, tải trọng, nhiệt độ và tốc độ đến độ s u vệt hằn bánh xe. Biểu đồ quan hệ giữa số lượt tác dụng và độ lún của m u 2, nhiệt độ 600C cho cấp tải 0.65Mpa và tốc độ 6km/h theo các công thức thực nghiệm và theo kết quả đo của mô hình th nghiệm So sánh kết quả giữa mô hình đề xuất và kết quả thử nghiệm từ các m u th nghiệm So sánh kết quả giữa mô hình đề xuất và kết quả thử nghiệm từ các m u th nghiệm không sử dụng móng gia cố xi măng. So sánh kết quả giữa mô hình đề xuất và kết quả thử nghiệm từ các m u th nghiệm sử dụng móng gia cố xi măng. So sánh kết quả của Proposed Model với thực nghiệm cho m u 1 So sánh kết quả của Proposed Model với thực nghiệm cho m u 2 So sánh kết quả của Proposed Model với thực nghiệm cho m u 4 56 C C R L . D T U 56 57 57 57 58 59 59 60 62 63 64 65 65 66 66 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trên thế giới, Bêtông Nhựa (BTN) được xem là vật liệu tốt nhất và ph 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 k o theo sự thay đ i của nhiều yếu tố làm ảnh hưởng đến tu i thọ của kết cấu mặt đường BTN: nhiệt độ, độ ẩm không khí, tải trọng xe lưu thông,…Trong đó 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 tu i thọ thực tế của kết cấu mặt đường BTN, hàng loạt các phương pháp phân tích hiện đại, phù hợp thực tiễn 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] C C Trong thế kỷ XXI, 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, R L . T quốc lộ c ng lưu lượng xe ngày càng tăng cả về số lượng và tải trọng trục. Ch nh tốc độ phát triển quá nhanh đã đặt ra yêu cầu cấp thiết cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư phải không ngừng tìm tòi và áp dụng các nguyên lý, phương pháp t nh toán ph hợp với thực tiễn để làm tăng tu i 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 U D cấu mặt đường BTN v n còn ở mức tham khảo hay chỉ là các nghiên cứu mang t nh học thuật trong các phòng th nghiệm ở các trường Đại học. Điều này d n đến một hiện trạng thực tế ở Việt Nam là tu i thọ của kết cấu áo đường nhỏ hơn rất nhiều so với t nh toán. Trong 10 năm gần đ y, hiện tượng hằn lún vệt bánh xe của mặt đường BTN n i 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 d y, nhiều cuộc hội thảo đã được t 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 và hình 2) . 2 Hình 1: Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe : a-QL1, TP. Hà Tĩnh; b- QL1 đoạn Hà Tĩnh-Vinh C C R L . T U D Hình 2: Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe tại QL14B thành phố Đà Nẵng 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 đã 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 3), các mô hình này sau khi ph n t ch, kiểm tra sẽ cho kết quả sát với điều kiện làm việc thực tế của kết cấu áo đường. Hình 3: Mô hình thí nghiệm full-scale kiểm tra kết cấu áo đường của viện IFSTTAR, Pháp 3 Ở các nước phát triển, kết cấu áo đường sau khi được t nh toán theo các tiêu chuẩn hiện hành sẽ được kiểm tra ở các mô hình bán hiện trường (Accerelated Pavement Testing), các mô hình này sẽ cho kết quả đánh giá sức chịu tải của KCAD đã thiết kế có đảm bảo trong quá trình khai thác hay không. (1) (2) Hình 4. Mô hình Accelerated pavement testing (1) Cty PaveTesting Ltd, (2) Phòng thí nghiệm tại Kansas State University Ở nước ta hiện nay, việc đánh giá sức chịu tải của KCAD trước khi thi công đại trà là không có, do không có các mô hình thực nghiệm như trên thế giới, cho nên các kết cấu ở ta chỉ được đánh giá thông qua các chỉ tiêu th nghiệm trong phòng thí nghiệm. Ch nh điều này d n đến việc hàng loạt các dự án đường ô tô, đường cao tốc ở ta sau khi đưa vào khai thác một thời gian đã bị hư hỏng. Ngoài ra, mới đ y Bộ GTVT đã có chủ trương chuyển thiết kế KCAD theo 22TCN 211-06 sang thiết kế theo phương pháp cơ học thực nghiệm của Mỹ (dựa trên bộ tiêu chuẩn ASSHTO 1993 và 2008). Tuy nhiên hiện tất cả các thiết bị th nghiệm trong các phòng Lab hay các viện nghiên cứu ở nước ta chưa làm được đó là đánh giá sức chịu tải của cả một kết cấu thực chứ không phải cho từng lớp vật liệu riêng lẽ trong điều kiện phòng th nghiệm. Việc ph n t ch, đánh giá HLVBX cho mặt đường BTN ở nước ta v n chỉ đang tập trung vào vật liệu lớp mặt (BTN), trong khi đó tầng móng cũng có vai trò rất lớn trong việc cải thiện HLVBX cho toàn bộ kết cấu [Hasan et al. 2017, ASSHTO 08, Bảo và Gô, 2017]. Hơn nữa, hiện nay chi ph cho việc lựa chọn, thiết kế KCAD ở ta v n đang chiếm một tỷ trọng khá lớn và các kỹ sư gặp rất nhiều khó khăn trong việc lựa chọn vật liệu ph hợp với m i địa phương khác nhau. Tiêu chuẩn t nh toán hiện nay chỉ cho các thông số vật liệu chung trên toàn lãnh th Việt Nam, trong khi điều này không đúng thực tế đặc biệt trong điều kiện biến đ i kh hậu hiện nay. Từ những ph n t ch trên, dựa trên mô hình th nghiệm do T.T.Việt và cộng sự phát triển năm 2017 đánh giá HLVBX cho KCAD [Bao et al. 2017 ], lựa chọn đề tài “Nghiên Cứu Lựa Chọn Kết Cấu Tầng Móng Kết Cấu Áo Đường Cải Thiện Khả Năng Kháng Hằn Lún Vệt Bánh Xe Sử Dụng Vật Liệu Tại Thành Phố Đà Nẵng”. C C U D R L . T 4 2.Mục tiêu nghiên cứu - Ph n t ch khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe cho một số kết cấu áo đường sử dụng vật liệu tại thành phố Đà Nẵng. - So sánh và đề xuất kết cấu ph hợp với điều kiện của thành phố Đà Nẵng. 3.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu cho 02 loại tầng móng khác nhau: sử dụng và không sử dụng chất gia cố xi măng ( CPĐD GCXM). - Các vật liệu hiện nay đang được sử dụng tại thành phố Đà Nẵng. - X t ảnh hưởng của tải trọng tốc độ khai thác. 4.Phƣơng pháp nghiên cứu - Phân t ch, t ng hợp lý thuyết và các kết quả nghiên cứu trước. - X y dựng mô hình thực nghiệm để quan trắc đo đạc, ph n t ch kết quả. C C U D R L . T 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG HƢ HỎNG MẶT ĐƢỜNG VÀ HIỆN TƢỢNG HẰN LÚN VỆT BÁNH XE 1.1. Mở đầu Trong chương này sẽ trình bày các dạng hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa, phân tích nguyên nhân và một số giải pháp khắc phục. Chương này tập trung trình bày khái niệm, phân tích về nguyên nhân gây ra hiện tượng lún vệt bánh xe, một số nghiên cứu trên thế giới, chỉ ra 1 số hạn chế ở nước ta khi nghiên cứu về lún vệt bánh xe, qua 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 hƣ hỏng của mặt đƣờng 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 nh n như: Tải trọng, thi công không đảm bảo chất lượng, nhiệt độ trong h n hợp, độ ẩm cao của nền đường (chứa nước), thay đ i độ ẩm và nhiệt độ trong các lớp ph a dưới. Sau đ y, x t một số dạng nứt mặt đường bê tông nhựa: C C R L . T U D 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 “ 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 k m, 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 6 tăng khả năng phát sinh vết nứt hay chất lượng lớp d nh bám k m làm tăng ứng suất k o dưới đáy bê tông nhựa. C C Hình 1.2: Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt o mỏ . nt 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 g y ra vượt quá giới hạn chịu kéo của bê tông nhựa. R L . T U D Hình 1.3: Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt dọc. [internet] + Nứt thành lƣới: Là loại hư hỏng phát triển từ vết nứt ngang và nứt dọc, nguyên nh n 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. Đ y 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 diễn ra khá nhanh do xuất hiện vết nứt thứ cấp và bong bật từng mảng vật liệu bề mặt. 7 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 ph a dưới, truyền vết nứt do nhiệt của mặt đường bê tông nhựa cũ, truyền từ nứt Block của mặt đường ph a dưới. C C R L . T U D Hình 1.5: Hư hỏng mặt đường dạng nứt phản ánh phát triển từ ưới lớp bê tông xi măng int rn t + Giải pháp: 1) Nhà thầu thi công thi công đảm bảo chất lượng, tư vấn giám sát cần theo dõi quá trình thi công kịp thời phát hiện và khắc phục sai xót trong quá trình thi công. 2) Kiểm xoát và xử lý xe quá tải. 3) Gia cường bằng lưới sợi cốt thủy tinh. 4) 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. 5) 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. 8 1.2.2. Trượt trồi mặt BTN Các nghiên cứu về hư hỏng do nhiệt độ của mặt đường bê tông nhựa cho thấy, khi làm việc ở nhiệt độ cao, một điều bất lợi của mặt đường bê tông nhựa là cường độ chống trượt giảm, mặt đường ngoài chịu lực đứng của bánh xe còn phải chịu tác dụng của lực ngang do xe hãm phanh khi khởi hành hay tăng tốc, làm cho mặt đường thường tồn tại các dạng hư hỏng trượt hay dồn nhựa mặt đường (do ứng suất cắt trượt) và lún vệt bánh xe (biến dạng dẻo và t ch lũy biến dạng dẻo). Vì vậy, khi làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, ở lớp mặt bê tông nhựa thường xuất hiện các dạng hư hỏng như lún vệt bánh xe, trượt, dồn ụ nhựa mặt đường. Có thể thấy khi nhiệt độ thay đ i thì bản chất vật liệu thay đ i làm cho cơ chế chịu tải và phá hoại cũng thay đ i theo. C C R L . T Hình 1.6: Hư hỏng mặt đường dạng lún trồi ưới vệt bánh x khi x vào đường cong nằm. [internet] Giải pháp: 1) Nghiên cứu sử dụng các loại nhựa đường, bê tông nhựa n 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 đèn t n hiệu, ngã ba, ngã 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 t ch 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 ph biến trên thế giới, và đã 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, đẩy trượt, chảy nhựa, nứt vỡ, gà,… những năm gần đ y hiện tượng hằn vết bánh xe xuất hiện khá ph 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 U D 9 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 phòng thí nghiệm, và hiện trường các công trình trong nước có hằn lún vệt bánh xe để đưa ra các giải pháp phù hợp. Hằn lún vệt bánh xe là một trong những nguyên nh n g y ra hư hỏng mặt đường ph biến hiện nay không chỉ ở Việt Nam mà còn ở các nước trên thế giới. Tải trọng trục xe là một trong những nguyên nh n ch nh g y ra hiện tượng này, việc kiểm soát tải trọng trục xe cũng gặp nhiều khó khăn trong điều kiện như hiện nay, vấn đề vượt tải thường xuyên xảy ra ở nước ta. Bên cạnh đó module đàn hồi của đất nền và các lớp móng cũng ảnh hưởng nhiều đến vết hằn bánh xe. Do đó, mục đ ch của nghiên cứu này nhằm x y dựng một mô hình ph n t ch ảnh hưởng của module đất nền và các lớp móng, tải trọng đến vệt hằn bánh xe của BTN. Trong những năm gần đ y, 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 c ng lưu lượng xe ngày càng tăng cả về số lượng và tải trọng trục. Chính tốc độ phát triển quá nhanh đã đặt ra yêu cầu cấp thiết cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư phải không ngừng tìm tòi và áp dụng các nguyên lý, phương pháp t nh toán phù hợp với thực tiễn để làm tăng tu i 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 tu i thọ của kết cấu áo đường nhỏ hơn rất nhiều so với tính toán. C C R L . T U D 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 nền, móng, mặt 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 n định của các lớp kết cấu, HLVBX được phân thành các dạng chủ yếu sau: 10 1) HLVBX do lớp mặt BTN không đủ cường độ; 2) HLVBX do móng và nền đường không đủ cường độ hay không đủ chiều dày; 3) HLVBX do cả lớp mặt BTN, móng và nền đường yếu. Việc nhận dạng HLVBX là cơ sở để xem x t đánh giá nguyên nh n g y ra HLVBX và đưa ra biện pháp khắc phục phù hợp. * Dạng lún trên bề mặt BTN có ba yếu tố chủ yếu g y ra HLVBX như sau: C C R L . T 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 1.8). - 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 n định làm xuất hiện các mặt trượt. Lớp BTN ngay dưới vị tr 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 t ch lũy. Biến dạng từ biến không hồi phục lại hoàn toàn khi dỡ tải g y ra hiện tượng lún vệt bánh xe. Điều này giải th ch tại sao hiện tượng lún vệt bánh xe xảy ra ở các vị tr giao lộ trục đường xe nặng, đèo dốc, đường cong, nơi tốc độ giao thông chậm, và xảy ra nhiều vào m a nắng nóng. - Do đầm n n thứ cấp theo phương đứng. Cơ chế này xảy ra sau khi quá trình lu lèn 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 t ch. Kết quả là lớp BTN sẽ bị lún xuống tại vị tr vệt bánh xe. Hiện tượng này chỉ cho độ lún vệt bánh xe khá b . U D 11 * Dạng lún trong bản th n 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 1.9). Nếu lớp mặt BTN đủ cường độ thì nguyên nhân chủ yếu là do chiều dày 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 nh n g y ra hiện tượng này. .* Dạng thứ ba lún trong bản th n lớp BTN và các lớp móng nền đất C C R L . T U D Hình 1.10: Hằn lún vệt bánh xe trong bản thân các lớp móng và lớp mặt. [internet] Nhận ạng: cả lớp mặt BTN, lớp móng và nền đều bị biến dạng (hình 1.10). Nguyên nhân: là t hợp của các nguyên nh n do thiết kế kết cấu; do chất lượng của cả lớp mặt BTN, lớp móng và nền đường. 1.2.3.2. Một số giải pháp khắc phục.  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 tu i thọ thực tế của kết cấu mặt đường BTN, hàng loạt các phương pháp ph n tích hiện đại, phù hợp thực tiễn 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]