Xem mẫu
- Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN …
Ứng dụng kết quả thí nghiệm Hamburg wheel tracking vào dự tính độ
sâu vệt hằn của kết cấu áo đường mềm
Nguyễn Huỳnh Tấn Tài
Khoa Xây dựng, Trường Đại học Thủ Dầu Một, Tỉnh Bình Dương, Việt Nam, E-mail: tainht@tdmu.edu.vn
Phòng R&D, Công ty CP Đầu tư – Xây dựng BMT, TP. HCM, Việt Nam, E-mail: tainht@bmt-rnd.vn
TÓM TẮT: Thí nghiệm Hamburg wheel tracking dùng để đánh giá khả năng kháng hằn lún của các loại vật liệu
bê tông nhựa và là một thí nghiệm bắt buộc đối với các công trình đường giao thông cấp III trở lên và đường cao
tốc theo qui định trong QĐ/BGTVT-1617 năm 2014 của bộ Giao thông Vận tải Việt Nam. Việc khai thác kết quả
của thí nghiệm này chỉ mới dừng lại ở việc đối chiếu giữa giá trị thí nghiệm với giá trị ngưỡng được qui định trong
tiêu chuẩn; hoặc ở việc so sánh khả năng kháng hằn lún giữa các loại bê tông nhựa với nhau. Mối tương quan giữa
kết quả thí nghiệm trong phòng và độ sâu vệt hằn của kết cấu áo đường ở hiện trường chưa được nghiên cứu một
cách chi tiết. Trong báo cáo này, tác giả trình bày một phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe của kết cấu áo
đường mềm bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên cơ sở ứng dụng các kết quả của thí nghiệm Hamburg Wheel
Tracking. Phương pháp trình bày đã được ứng dụng vào việc dự tính độ sâu vệt hằn cho một số công trình thực tế ở
thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả quan trắc cho thấy độ sâu vệt hằn dự tính tương đối phù hợp với độ sâu vệt hằn
thực tế của mặt đường.
Từ khóa: bê tông nhựa, kết cấu áo đường mềm, thí nghiệm Hamburg wheel tracking, dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe
ABSTRACT: Hamburg wheel tracking test is used for evaluating the rutting resistance of asphalt concretes and is
an obligatory test for important projects. The test is used for the comparison between the experimental value with
the threshold value specified in design and construction standards or between the rutting resistances of other types
of asphalt concrete. The relationship of the Hamburg wheel tracking test result to the rut depth of a pavement
structure on the field is not yet well studied. In this work, the author presents a method for predicting the rut depth
of a pavement structure, in which asphalt concrete is modelled as an elasto-viscoplastic material and the Hamburg
wheel tracking test result is used for the identification of model parameters. The method presented is applied to
predict the rut depth of some pavement structures in Ho Chi Minh City and relatively good agreements between
predicted and measured rut depths are found.
Keywords: asphalt concrete, pavement structure, Hamburg wheel tracking test, rut depth prediction
kiện nhiệt độ 50°C trong môi trường nước và 10.0 mm
1. ĐẶT VẤN ĐỀ sau 20000 chu kỳ tác dụng của bánh xe ở điều kiện
Biến dạng vĩnh cửu của mặt đường hay hằn lún vệt nhiệt độ 60°C trong môi trường không khí với nhựa
bánh xe là một dạng hư hỏng kết cấu áo đường phổ biến đường polymer. Các yếu tố về điều kiện giao thông, chế
ở Việt Nam. Nguyên nhân chủ yếu là do vật liệu bê độ nhiệt của mặt đường vẫn chưa được xem xét trong
tông nhựa bị biến dạng không hồi phục dưới tác dụng việc đánh giá khả năng kháng hằn lún của kết cấu mặt
trùng phục của tải trọng xe cộ. Với điều kiện khí hậu đường. Mối tương quan giữa kết quả thí nghiệm trong
nhiệt đới ở Việt Nam, nhiệt độ trong lớp mặt bê tông phòng và hiện trường vẫn chưa được nghiên cứu một
nhựa có thể đạt hơn 70°C vào thời điểm nóng nhất cách chi tiết. Trong nghiên cứu này, tác giả trình bày
trong ngày. Giá trị nhiệt độ này, vượt qua ngưỡng nhiệt một phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe của
hóa mềm của phần lớn các loại nhựa đường dùng để kết cấu áo đường trên cơ sở ứng dụng kết quả của thí
chế tạo bê tông nhựa hiện nay, tạo điều kiện thuận lợi nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe trong phòng. Từ đó, mối
cho hiện tượng hằn lún vệt bánh xe xảy ra. Để đánh giá tương quan giữa kết quả thí nghiệm độ sâu vệt bánh xe
khả năng kháng hằn lún của bê tông nhựa, Bộ GTVT đã trong phòng và độ sâu vệt hằn ở hiện trường có thể
ra qui định về việc thí nghiệm độ sâu vệt hằn trong được dự báo thông qua việc tính toán mô phỏng. Kết
phòng đối với các dự án quan trọng (QĐ/BGTVT-1617, quả nghiên cứu góp phần giúp người thiết kế có căn cứ
2014). Ngưỡng chấp nhận đối với các loại vật liệu bê để lựa chọn loại vật liệu thích hợp cho từng điều kiện
tông nhựa được qui định trong các tiêu chuẩn về thi làm việc của công trình.
công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa như
22TCN 356 (2006) và TCVN 8819 (2011). Căn cứ theo
các tiêu chuẩn này, ngưỡng chấp nhận đối với vật liệu
bê tông nhựa sử dụng nhựa thông thường là 12.5 mm
sau 10000 chu kỳ tác dụng của tải trọng bánh xe ở điều
ID No./ pp. 8
- Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN …
2. PHƯƠNG PHÁP DỰ TÍNH ĐỘ SÂU VỆT Div f 0 (1)
HẰN BÁNH XE
trong đó là khối lượng riêng của vật thể, f là vec-tơ
Hai phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn lún phổ biến
hiện nay là phương pháp sử dụng mô hình giải tích và lực khối và toán tử Div được định nghĩa
ij
phương pháp mô phỏng số. Phương pháp thứ nhất sử
dụng lý thuyết đàn hồi hoặc phương pháp phần tử hữu
Div
i
X j
. Gọi E là ten-xơ biến dạng Green
hạn để phân tích ứng suất phân bố trong kết cấu áo Lagrange. Chúng ta có thể phân tích ten-xơ biến dạng
đường và sử dụng mô hình giải tích để dự tính độ sâu tổng thành ten-xơ biến dạng đàn hồi và ten-xơ biến
vệt hằn bánh xe. Các mô hình giải tích này được gọi là dạng dẻo–nhớt
các hàm chuyển, giúp kết nối giữa kết quả phân tích
e vp
ứng suất và biến dạng với những hư hỏng của mặt EE E (2)
đường. Các phương pháp điển hình như phương pháp
của Shell được phát triển năm 1978 và phương pháp Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng đàn hồi tuân theo
của viện Asphalt Instutute được phát triển năm 1982. qui luật Saint-Venant Kirchhoff
Phương pháp của viện Asphalt Institute được ứng dụng e e
rộng rãi trong các tiêu chuẩn thiết kế như AASHTO của 2 E tr E .I (3)
Mỹ (AASHTO T324, 2004), IRC: 37-2012 của Ấn Độ
(IRC 37, 2012). Các thông số của mô hình được xác trong đó, I là ten-xơ đơn vị bậc 2; là mô-đun đàn hồi
định và hiệu chuẩn thông qua các số liệu đo đạc thực tế trượt và là hằng số Lamé. Phân tích ứng suất thành
trên các đường thử tiêu chuẩn vốn phụ thuộc rất nhiều tổng của ứng suất lệch S và ứng suất cầu p.I
vào điều kiện giao thông, điều kiện thời tiết tại đường
thử của nước sở tại. Phương pháp thứ hai mô hình hóa 2.1.1 Tiêu chuẩn dẻo của Drucker–Prager
hiện tượng hằn lún bằng bài toán vật rắn biến dạng dưới Tiêu chuẩn dẻo của Drucker và Prager (1952) phù hợp
tác dụng của tải trọng lặp sử dụng các qui luật ứng xử với ứng xử của vật liệu rời bao gồm bê tông nhựa và
phức tạp của vật liệu bê tông nhựa như mô hình dẻo– được đặc trưng bởi lực dính và góc nội ma sát
nhớt (Kim, Drescher, & Newcomb, 1991; Drescher,
Kim, & Newcomb, 1993; Hua, 2000; Nahi, Ismail, & 1
f ( ) S : S *. p *.c * (4)
Ariffin, 2011), đàn hồi–dẻo–nhớt (Park, 2007; Karrech, 2
Seibi, & Duhamel, 2011; Nedjar & Nguyen, 2012,
Nguyen, 2016) hay kết hợp hai mô hình đàn hồi–nhớt, trong đó c* là lực dính, * và * đặc trưng cho góc
dẻo–nhớt (Lu & Wright, 1998; Huang, Abu Al-Rub, nội ma sát * của vật liệu. Trong một số trường hợp
Masad, & Little, 2011; Darabi, Abu Al-Rub, Masad, đặc biệt, tiêu chuẩn dẻo của Drucker–Prager tương
Huang, & Little, 2012). Trong nghiên cứu này, tác giả đương với tiêu chuẩn dẻo của Morh–Coulomb (Chen &
sử dụng phương pháp dự tính độ sâu vệt hằn bánh xe Mizuno, 1990; Souza, Peric, & Owen, 2008).
của kết cấu áo đường bằng phương pháp mô phỏng số.
Khi xuất hiện hằn lún, mặt đường chịu biến dạng tương 2.1.2. Luật chảy dẻo
đối lớn, do đó yếu tố phi tuyến hình học cần được xem Tốc độ biến dạng dẻo tuân theo luật chảy dẻo như sau
xét đến. Mô hình ứng xử của vật liệu sử dụng là mô vp
g
hình đàn hồi-dẻo-nhớt sử dụng lý thuyết dẻo nhớt của E (5)
Perzyna và tiêu chuẩn dẻo của Drucker-Prager trong
điều kiện biến dạng lớn (Nguyễn và cộng sự, 2015,
Hàm g là hàm chảy dẻo tiềm năng, có dạng tương tự
Nguyễn, 2016).
như hàm f nhưng thay thế bằng đặc trưng cho góc
2.1. Các phương trình cơ bản của mô hình ứng xử
nở của vật liệu
đàn hồi-dẻo-nhớt
1
Gọi là ten-xơ ứng suất Piola–Kirchhoff thứ hai, biểu g ( ) S : S . p const. (6)
2
thị trạng thái ứng suất của một vật thể bất kì cân bằng
dưới tác dụng của các tải trọng bên ngoài. Để thuận tiện Độ lớn của tốc độ biến dạng dẻo được xác định bởi
cho việc trình bày, trong bài báo này dấu “ ” được (Perzyna, 1966)
dùng để biểu thị ten-xơ bậc 2, nguyên tắc tổng trên các . f (7)
chỉ số câm của Enstein được áp dụng trong tất cả các
phương trình nếu không có ghi chú riêng. Phương trình trong đó độ lỏng là một đại lượng đặc trưng cho
cân bằng cục bộ của vật rắn tại một điểm bất kỳ được
biểu thị dưới dạng nghịch đảo của độ nhớt của vật liệu, hàm f thể
ID No./ pp. 8
- Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN …
hiện mức độ chảy nhớt. Đối với vật liệu bê tông nhựa, Trình tự xác định như sau. Thực hiện thí nghiệm độ sâu
hàm f thường có dạng vệt hằn bánh xe trong phòng ở điều kiện nhiệt độ tiêu
chuẩn 60°C với số lượt tác dụng lần lượt là 20000 đối
f
với nhựa đường thông thường và 40000 đối với nhựa
( f ) 1 (8) đường polymer. Sau khi đã có kết quả thí nghiệm, bài
c toán cơ học mô tả thí nghiệm độ sâu vệt hằn bánh xe
được giải bằng phương pháp số với nhiều dải thông số
với là một thông số của mô hình, dấu ngoặc
đầu vào khác nhau. Những thông số nào cho kết quả độ
x x lún theo số lần tác dụng của bánh xe phù hợp với giá trị
Macauley được định nghĩa x
2 thí nghiệm sẽ chính là hằng số đặc trưng của loại vật
2.1.3. Qui luật biến cứng liệu bê tông nhựa đó. Đối với các loại vật liệu không có
tính nhớt hoặc có tính nhớt nhưng không đáng kể như
Trong quá trình chịu tác dụng của tải trọng, các cốt liệu cấp phối đá dăm, nền đắp bằng đất cát được xem như
được sắp xếp lại do đó làm tăng khả năng chịu biến vật liệu đàn hồi. Trong trường hợp đất dính có tính nhớt
dạng của vật liệu. Kết quả là tốc độ biến dạng dẻo tích được sử dụng làm nền đường, ứng suất phát sinh do tải
lũy giảm dần theo số lượt tác dụng của tải trọng gọi là trọng bánh xe truyền xuống là không đáng kể khi so
hiện tượng biến cứng. Hiện tượng biến cứng có thể sánh với ứng suất do tải trọng bản thân của các vật liệu
được mô hình hóa thông qua giá trị giảm dần của độ bên trên truyền xuống. Khi đó, biến dạng từ biến của
lỏng lớp vật liệu này sẽ gây ra lún tổng thể của toàn bộ kết
m cấu áo đường và ảnh hưởng không nhiều đến độ sâu vệt
e
vp
1
0 .e (9) hằn của các lớp mặt đường bằng bê tông nhựa bên trên.
1 .e vp Trong trường hợp này, chúng ta vẫn có thể xem như lớp
t vp vp vật liệu này là đàn hồi. Giá trị mô-đun đàn hồi và hệ số
trong đó e vp E : E dt là biến dạng dẻo tích lũy Poisson có thể được xác định bằng cách tra bảng hoặc
0 thực hiện các thí nghiệm theo chỉ dẫn của các qui trình
tương đương. thiết kế hiện hành (22TCN 211-06, 2006).
2.2. Tích hợp mô hình vào chương trình tính toán 2.4. Trình tự tính toán dự báo độ sâu vệt hằn
bằng phương pháp phần tử hữu hạn Quá trình tính toán dự báo độ sâu vệt hằn bánh xe của
Các phương trình của mô hình ứng xử vật liệu trình bày kết cấu áo đường bao gồm các bước sau:
bên trên không tồn tại nghiệm giải tích và chỉ có thể - thu thập dữ liệu về cấu tạo của kết cấu áo đường,
được giải bằng phương pháp “giải số”. Thuật toán dùng - xác định các điều kiện khai thác
để giải số các phương trình bên trên thường được sử - xác định các hằng số đặc trưng của vật liệu
dụng là thuật toán “return mapping”. Độc giả quan tâm - tính toán mô phỏng bằng phương pháp số
có thể tham khảo phương pháp này trong các tài liệu - phân tích kết quả và dự báo thời gian khai thác.
(Simo & Hughes, 2000; Souza, Peric & Owen, 2008). Trong các nội dung đó, cấu tạo của kết cấu áo đường và
Việc giải số các phương trình của mô hình đàn hồi-dẻo- điều kiện khai thác được thu thập từ hồ sơ thiết kế của
nhớt sử dụng lý thuyết dẻo nhớt của Perzyna và tiêu dự án. Khác với tính toán truyền thống, người tính toán
chuẩn dẻo của Drucker Prager được trình bày chi tiết cần phải thu thập thêm thông tin về các thành phần
trong (Nguyễn và cộng sự, 2015; Nguyễn, 2016). Việc phương tiện tham gia giao thông, áp lực bánh xe tính
tích hợp mô hình ứng xử vào một chương trình tính toán, vận tốc giao thông tính toán, nhiệt độ tính toán và
toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn có thể thực các hằng số đặc trưng vật liệu liên quan đến khả năng
hiện thông qua các mô-đun dùng để định nghĩa vật liệu kháng hằn lún của vật liệu. Việc tính toán mô phỏng có
như UMAT trong ABAQUS hay USERMAT trong thể được thực hiện bằng một chương trình tính toán sử
ANSYS. Trong nghiên cứu này, các phương trình của dụng phương pháp phần tử hữu hạn được tích hợp mô
mô hình ứng xử vật liệu được tích hợp vào chương trình hình ứng xử đàn hồi-dẻo-nhớt như trình bày bên trên.
tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn tự phát Kết quả tính toán sau khi được xử lý cho biết giá trị của
triển trong môi trường Intel Visual Fortran. độ sâu vệt hằn dự tính ở các lần tác dụng khác nhau của
tải trọng. Giá trị này hoàn toàn có thể được qui đổi về
2.3. Xác định các thông số mô hình thời gian khai thác của dự án thông qua các dữ liệu về
Đối với vật liệu bê tông nhựa, thí nghiệm từ biến động điều kiện khai thác như lưu lượng giao thông và nhiệt
ba trục được sử dụng rất phổ biến để xác định các thông độ mặt đường.
số của mô hình ứng xử. Trong khuôn khổ của nghiên 3. SO SÁNH ĐIỀU KIỆN CỦA THÍ NGHIỆM
cứu này, thiết bị từ biến động chưa được trang bị do đó
HẰN LÚN VỆT BÁNH XE VÀ ĐIỀU KIỆN KHAI
tác giả ứng dụng thí nghiệm xác định độ sâu vệt hằn
bánh xe (Hamburg wheel tracking test) để “tính toán THÁC THỰC TẾ
ngược” các hằng số vật liệu của bê tông nhựa sử dụng.
ID No./ pp. 8
- Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN …
Trước khi xác lặp các điều kiện cho bài toán dự tính Trong thí nghiệm vệt hằn bánh xe, nhiệt độ được giữ
hằn lún, các điều kiện về cơ và nhiệt của thí nghiệm độ không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm và bằng 60ºC
sâu vệt hằn bánh xe và của kết cấu mặt đường thực tế trong môi trường không khí.
cần được phân tích kỹ để chọn các thông số tính toán
3.1.4. Độ cứng của bê tông nhựa
phù hợp.
Độ cứng của bê tông nhựa được đánh giá thông qua giá
3.1. Điều kiện của thí nghiệm độ sâu vệt hằn trong trị mô-đun đàn hồi động. Bê tông nhựa là một loại vật
phòng liệu có tính nhớt nên mô-đun đàn hồi động phụ thuộc
3.1.1. Tải trọng tác dụng vào nhiệt độ, tần số tác dụng của tải trọng hay tốc độ
của phương tiện lưu thông. Xe cộ lưu thông với các vận
Thí nghiệm độ sâu vệt hằn trong phòng mô phỏng tác tốc khác nhau sẽ gây ra những tác động với tần số tải
dụng trùng phục của tải trọng xe cộ ở kích thước thu trọng tương đương khác nhau. Vận tốc xe chạy có thể
nhỏ lên tấm bê tông nhựa. Bánh xe sử dụng trong thí được qui đổi ra tần số tác dụng của tải trọng thông qua
nghiệm độ sâu vệt hằn trong môi trường không khí là công thức sau (KICT, 2008)
bánh xe cao su có đường kính 200 mm, bề rộng vệt
bánh xe là 50 mm. Tải trọng tác dụng lên tấm bê tông 1
f (10)
nhựa là 710 N và áp lực tác dụng tương ứng là 0.7 MPa 0.774V 0.8226 e0.0614 z
(TCVN 8819, 2011). Vệt bánh xe có kích thước tương
trong đó V là vận tốc xe chạy (km/h), z là độ sâu từ bề
ứng là 50 mm x 20.3 mm (hình 1). Tần số di chuyển
mặt (cm). Đối với thí nghiệm vệt hằn bánh xe, ở độ sâu
của bánh xe là 53 ± 2 lượt / phút với tốc độ trung bình
2.5 cm từ bề mặt, tần số tác dụng của tải trọng vào
của bánh xe là 1.1 km/h phù hợp với tiêu chuẩn EN
khoảng 1.1 Hz. Giá trị của mô-đun đàn hồi động có thể
12697-22 (2007) và phương pháp B của QĐ/BGTVT-
được xác định thông qua công thức thực nghiệm được
1617 (2014).
cho trong (KICT, 2008).
log E * 6.9402 0.00180.075 0.00394.75
20 mm
710 N
1.3343Vbeff
0.00878Va (11)
50 mm Vbeff Va
3.6399 0.03114.75 0.01559.5 0.010519
Hình 1. Diện tích vệt bánh xe trong thí nghiệm hằn lún vệt
bánh xe 1 e(0.09940.1627 log( f )0.1807 log( ))
3.1.2. Thời gian lưu tải trong đó Va là độ rỗng dư, Vbeff là hàm lượng nhựa có
hiệu (%), là độ nhớt của nhựa (106 Poise), 0.075, 4.75,
Theo Hua, (2000), thời gian lưu tải ( TL ) hay thời gian 9.5, 19 lần lượt là hàm lượng tích lũy trên các sàng
tác dụng của một lượt tải trọng tính toán bằng thời gian 0.075mm, 4.75mm, 9.5mm và 19mm
bánh xe di chuyển một quãng đường bằng đúng chiều 3.2. Điều kiện khai thác thực tế
dài vệt bánh xe. Thời gian tác dụng của tài trọng được
sơ đồ hóa như trong hình 2. 3.2.1. Tải trọng tác dụng
Trong thực tế khai thác, tải trọng xe cộ tác dụng lên mặt
tải trọng
đường gồm nhiều loại từ xe con, xe khách đến xe tải
0.7 MPa 0.7 MPa nhẹ, xe tải nặng, xe container. Để thuận tiện cho việc
tính toán, tiêu chuẩn thiết kế đường của nhiều nước cho
phép qui đổi các loại xe về tải trọng trục đơn tương
0.066 s 0.82 s 0.066 s thời gian đương (ESAL: Equivakent Single Axle Load) hay còn
gọi lại tải trọng trục tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn thiết kế
Hình 2. Thời gian lưu tải và xả tải trong thí nghiệm hằn lún đường của Mỹ (AASHTO, 2008) qui định tải trọng trục
vệt bánh xe tiêu chuẩn 80 kN, áp lực tính toán 0.83 MPa. Tiêu
Đối với thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe, thời gian lưu tải tính chuẩn thiết kế đường Việt Nam (22TCN 211-06, 2006)
toán bằng 0.066 s, thời gian xả tải bằng 0.82 s ứng với chu kỳ
qui định tải trọng trục tiêu chuẩn là 100 kN hoặc 120
bằng 0.883 s. Bê tông nhựa là loại vật liệu có tính nhớt, nên
theo nhiều tác giả sự tác dụng của N lượt tải trọng với thời
kN ứng với áp lực tính toán 0.6 MPa, đường kính tương
đương của vệt bánh xe là 33 cm hoặc 36 cm. Việc qui
gian lưu tải của mỗi lượt tác dụng là TL tương đương với sự
đổi lưu lượng các tải trọng trục khác nhau về lưu lượng
tác dụng của một lượt duy nhất với thời gian lưu tải là N .TL tải trọng trục tiêu chuẩn (số trục trong một ngày đêm
(Hua, 2000; Huang, 2004;). Như vậy tổng thời gian lưu tải trên cả hai chiều xe chạy) được qui định chi tiết trong
tương đương của 20000 lượt tác dụng trong thí nghiệm vệt tiêu chuẩn (22TCN 211-06, 2006). Tốc độ thiết kế của
hằn bánh xe là 1320 s. dòng xe tính toán tùy thuộc vào cấp đường. Đối với hư
hỏng mặt đường dạng hằn lún vệt bánh xe thì vận tốc
3.1.3. Nhiệt độ của bê tông nhựa cao không gây nguy hiểm bằng vận tốc thấp. Đối với
ID No./ pp. 8
- Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN …
điều kiện khai thác ở thành phố Hồ Chí Minh hiện nay, ở 60oC là 250 MPa (22TCN 211-06, 2006), hệ số
tốc độ dòng xe chỉ trung bình trong khoảng 45-50 km/h Poisson =0,35
đối với khu vực cách xa giao lộ và từ 5-15 km/h đối với - lớp BTNC19 sử dụng nhựa đường polymer PMB-III
khu vực gần giao lộ. dày 7 cm , có mô-đun đàn hồi ở 60oC là 250 MPa, hệ số
167 mm
Poisson =0,35
- lớp móng đường có mô-đun đàn hồi trung bình trên
33 kN 33 kN toàn tuyến Emóng=160 MPa
Các hằng số đặc trưng của vật liệu bê tông nhựa chặt
220 mm 220 mm
C19 PMB3 như sau: 0 5,0 10 3 , 1 5,0 10 6 ,
100 mm 46, 5 , m 1,55 và =1,0 .
Hình 3. Vệt bánh xe của một trục tính toán (đo trực tiếp trên
xe tải 10T của công ty BMT)
3.2.2. Thời gian lưu tải
Vận tốc trung bình tính toán cho khu vực ngoài giao lộ
là V=50 km/h và thời gian lưu tải tính toán tương ứng là
tL=0.012 s. Đối với khu vực giao lộ, vận tốc trung bình
tính toán là V=5 km/h và thời gian lưu tải tính toán
tL=0.12 s.
3.2.3. Nhiệt độ của lớp bê tông nhựa
Giá trị nhiệt độ thay đổi theo thời gian trong ngày.
Hình 4. Cấu tạo của kết cấu áo đường và rời rác hóa kết cấu
Khoảng thời gian mà bê tông nhựa đạt nhiệt độ cao nhất bằng các phần tử tứ giác Q8
vào khoảng từ 10 giờ trưa đến 16 giờ chiều. Tương tự Khu vực tính toán dự báo gồm hai khu vực: (i) giao lộ
như tải trọng, lưu lượng xe ở các nhiệt độ khác được giữa Đại lộ Đông Tây và đường Đồng Văn Cống và (ii)
qui đổi về lưu lượng xe ở nhiệt độ tiêu chuẩn. Trong khu vực cách xa giao lộ. Các điều kiện tính toán như
nghiên cứu này, tác giả sử dụng nhiệt độ tiêu chuẩn là sau. Tải trọng tác dụng là tải trọng trục bánh đôi 13 tấn.
60 ºC. Hệ số qui đổi số trục tiêu chuẩn từ nhiệt độ t Với công nghệ lốp xe hiện nay, áp suất bơm lốp cao
sang nhiệt độ tiêu chuẩn được định nghĩa như trong hơn nhiều so với trước đây và thường vào khoảng 0,8-
(Park, 2006) 1,0 MPa (Kawa, Zhang, & Hudson, 1998), do đó áp lực
Ns tính toán được lấy bằng 0,9 MPa để phù hợp với tình
TCF (12) hình khai thác thực tế. Vận tốc dòng xe tính toán là 5
Nt
km/h áp dụng cho khu vực ngay giao lộ và 50 km/h đối
trong đó Ns là số lượt tác dụng cho đến khi đạt độ sâu với khu vực cách xa giao lộ. Thời gian lưu tải tương
vệt hằn giới hạn ở nhiệt độ tiêu chuẩn, Nt số lượt tác ứng là 0,12 s cho khu vực giao lộ và 0.012 s cho khu
dụng cho đến khi đạt độ sâu vệt hằn giới hạn ở nhiệt độ vực cách xa giao lộ. Nhiệt độ tính toán là 60 oC.
t. Để có thể so sánh đối chiếu kết quả tính toán và kết quả
thực tế, lưu lượng xe tải được thống kê từ trạm thu phí
3.3. Độ cứng của bê tông nhựa
trên Xa Lộ Hà Nội, cách vị trí sửa chữa 2,5 km và được
Với vận tốc lưu thông là 10 km/h và 50 km/h, tần số tác qui đổi về tải trọng trục đơn tương đương theo tiêu
dụng của tải trọng tương ứng là f 7.3Hz và chuẩn 22TCN 211-06 (2006). Theo kết quả thống kê, số
f 27.5 Hz . Độ cứng cửa bê tông nhựa tương ứng có lượng trục đơn tương đương qui đổi về nhiệt độ tiêu
thể được ước lượng sử dụng phương trình (11) và phụ chuẩn lưu thông là 137.000 trục đơn/làn/tháng. Trong
thuộc vào cấp phối hạt của bê tông nhựa cũng như loại quá trình khai thác, mặt đường được quan trắc lún trồi
nhựa đường sử dụng. bằng thước thẳng theo tiêu chuẩn ASTM E1703 (2005)
với mật độ đo 30m/1 mặt cắt và chu kỳ 1,5 tháng, 2,5
4. VÍ DỤ ÁP DỤNG tháng và 3,5 tháng. Kết quả tính toán dự báo và quan
Mặt đường của đại lộ Đông Tây, thành phố Hồ Chí trắc lún được trình bày trên hình 5 và hình 6.
Minh trước đây bị hằn lún vệt bánh xe nặng do lưu Đối với khu vực giao lộ: Dưới tác dụng của 479.500
lượng xe tải container ra vào cảng Cát Lái rất lớn. Vào trục đơn tương đương (hay 3,5 tháng khai thác), độ sâu
tháng 10 năm 2014, mặt đường đã được sửa chữa bằng vệt lún thực tế là 8,2 mm trong khi độ sâu dự tính là 9,4
cả hai loại vật liệu là bê tông nhựa và bê tông xi măng. mm. Sai số giữa số liệu dự tính và số liệu quan trắc là
Kết cấu áo đường đoạn sửa chữa bằng vật liệu bê tông 14,6%. Đây là mức sai số có thể chấp nhận được trong
nhựa được cấu tạo như sau (hình 4): điều kiện bài toán có nhiều yếu tố ngẫu nhiên như nhiệt
- lớp bê tông nhựa chặt C19 (BTNC19) sử dụng nhựa độ mặt đường, sự phân bố của lưu lượng xe cộ theo thời
đường polymer PMB-III dày 5 cm, có mô-đun đàn hồi gian cũng như những sai số về mặt hình học, vật liệu.
ID No./ pp. 8
- Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN …
- Áp lực của lốp xe truyền lên mặt đường (0.9
MPa) cao hơn áp lực mà bánh xe cao su tác
dụng lên tấm bê tông nhựa (0.7 MPa).
- Tấm bê tông nhựa được đặt trên tấm đế bằng
thép gần như không biến dạng trong khi kết cấu
mặt đường đặt trên nền đàn hồi chịu biến dạng.
0
-2
rut depth (mm)
-4
-6
HWT test
-8 pavement structure
Hình 5. Độ sâu vệt hằn bánh xe tính toán và quan trắc – Khu (HWT test) x 3.5
vực giao lộ đại lộ Đông Tây và đường Đồng Văn Cống. -10
0 500 1000 1500
loading time (s)
Hình 7. So sánh độ sâu vệt hằn bánh xe của tấm bê tông nhựa
trong phòng và của kết cấu mặt đường.
5. KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, kết quả thí nghiệm độ sâu vệt
hằn bánh xe trong phòng được ứng dụng vào dự tính độ
sâu vệt hằn bánh xe của kết cấu áo đường mềm. Mối
tương quan giữa kết quả thí nghiệm độ sâu vệt hằn của
tấm bê tông nhựa trong phòng và độ sâu vệt hằn của kết
cấu áo đường ở hiện trường có thể được xác định thông
qua việc tính toán bằng phương pháp mô phỏng số.
Hình 6. Độ sâu vệt hằn bánh xe tính toán và quan trắc – Khu Trong đó, ứng xử cơ học của vật liệu bê tông nhựa, mấu
vực cách xa giao lộ chốt của vấn đề, được mô hình hóa bằng mô hình đàn
Đối với khu vực cách xa giao lộ: độ sâu vệt hằn tính hồi-dẻo-nhớt sử dụng lý thuyết dẻo-nhớt của Perzyna và
toán lớn hơn giá trị quan trắc từ 1.5 đến 2 lần. Điều này tiêu chuẩn dẻo của Drucker-Prager. Các yếu tố ảnh
có thể được giải thích như sau. Thiết bị thí nghiệm độ hưởng đến hiện tượng hằn lún như tải trọng trục đơn
sâu vệt lún bánh xe chỉ chạy với vận tốc cố định 1.1 tương đương, áp suất lốp xe, vận tốc giao thông được
km/h và vận tốc này chỉ thích hợp với điều kiện giao đưa vào trong mô hình tính toán một cách tường minh.
thông chậm như khu vực giao lộ. Ở khu vực ngoài giao Riêng yếu tố nhiệt độ, yếu tố quan trọng nhất, được đưa
lộ, vận tốc lưu thông trung bình là 50 km/h lớn hơn rất vào tính toán một cách gián tiếp thông qua việc xác
nhiều vận tốc thí nghiệm. Do đó, việc lấy các hằng số định các hằng số đặc trưng vật liệu từ kết quả thí
vật liệu được xác định từ thí nghiệm ở vận tốc chậm để nghiệm hằn lún vệt bánh xe trong phòng ở điều kiện
tính toán cho bài toán có điều kiện lưu thông nhanh sẽ nhiệt độ 60°C trong môi trường không khí. Kết quả
cho kết quả lớn hơn thực tế là điều hiển nhiên. Nguyên quan trắc cho thấy phương pháp đề xuất cho kết quả độ
nhân của sự sai lệch này nằm chủ yếu ở khâu xác định sâu vệt hằn bánh xe của kết cấu áo đường tương đối phù
các thông số của mô hình. hợp với thực tế trong trường hợp bài toán có điều kiện
giao thông chậm như khu vực giao lộ và trạm thu phí.
Tương quan giữa độ sâu vệt hằn của tấm bê tông Sai số giữa kết quả dự tính và đo đạc ở hiện trường nằm
nhựa thí nghiệm trong phòng và của kết cấu áo trong giới hạn có thể chấp nhận. Với cùng một giá trị
đường: Để có thể làm phép so sánh giữa hai giá trị này, tổng thời gian lưu tải, độ sâu vệt hằn bánh xe của kết
số lượt tác dụng của bánh xe trong thí nghiệm và tải cấu áo đường lớn hơn độ sâu vệt hằn bánh xe của tấm
trọng trục đơn tương đương phải được qui đổi về cùng bê tông nhựa thí nghiệm trong phòng do có chiều dày
một thứ nguyên, đó là tổng thời gian lưu tải. Kết quả lớp bê tông nhựa lớn hơn và điều kiện chịu lực khắc
tính toán cho thấy, độ sâu vệt hằn của kết cấu mặt nghiệt hơn.
đường lớn hơn độ sâu vệt hằn của tấm bê tông nhựa thí
nghiệm trong phòng khoảng 3.5 lần (hình 7) với cùng 6. REFERENCES
một giá trị tổng thời gian lưu tải. Điều này có thể được 1. 22TCN 211-06 (2006). Áo đường mềm - Các yêu cầu
giải thích bởi các nguyên nhân sau và chỉ dẫn thiết kế. Bộ Giao thông Vận tải, Hà Nội,
- Kết cấu áo đường có chiều dày 12 cm, lớn hơn Việt Nam.
hai lần chiều dày của tấm bê tông nhựa (6cm).
ID No./ pp. 8
- Hạ tầng giao thông với phát triển bền vững NXB Xây dựng - ISBN …
2. 22TCN 356 (2006). Quy trình công nghệ thi công và 1713-1, Center for Transportation Research - Bureau
nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa sử dụng nhựa of Engineering Research, The University of Texas at
đường polime. Bộ Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Austin, Austin, USA.
Nam. 17. KICT, (2008). Korean pavement interim design
3. AASHTO (2008). Mechanistic-Empirical Pavement guide. Korean Institute of Construction Technology,
Design Guide-A Manual of Practice. American Korean Ministry of Land Transport and Maritime
Association of State Highway and Transportation Affaire, Kwacheon, Korea.
Officials, Washington, USA. 18. Kim, J.R., Drescher A, & Newcomb D. (1991).
4. AASHTO – T324 (2004). Hamburg Wheel-Track Rational Test Methods for Predicting Permanent
Testing of Compacted Hot Mix Asphalt. American Deformation in Asphalt Concrete Pavement. Report
Association of State Highway and Transportation No MN/RC-93/08, Minnesota Department of
Officials, Washington, USA. Transportation, Minnesota, USA.
5. ASTM – E1703 (2005). Standard Test Method for 19. Lu, Y., & Wright, P.J. (1998). Numerical approach
Measuring Rut-Depth of Pavement Surfaces Using a of visco-elastoplastic analysis for asphalt mixtures.
Straightedge. American Society for Testing and Computers and Structures, 69, pp 139-147.
Materials, West Conshohocken, USA. 20. Nahi, M.H., Ismail, A., & Ariffin, A.K. (2011).
6. Chen, W.F. & Mizuno, E. (1990). Nonlinear Analysis Analysis of Asphalt Pavement under Nonuniform
in Soil Mechanics: Theory and Implementation. Tire-pavement Contact Stress using Finite Element
Elsevier, Amsterdam, Holland. Method. Journal of Applied Sciences, 11, pp 2562-
7. Darabi, M.K., Abu Al-Rub, R.K., Masad, E.A., 2569.
Huang, C.W., & Little, D.N. (2012). A modified 21. Nedjar, B., & Nguyen, D.T. (2012). On a simple
viscoplastic model to predict the permanent cyclic plasticity modeling with implicit kinematic
deformation of asphaltic materials under cyclic- hardening restoration. Annals of Solid and Structural
compression loading at high temperatures. Mechanics, 4, pp 33-42.
International Journal of Plasticity, 35, pp 100-134. 22. Nguyễn, Huỳnh Tấn Tài, Nguyễn, Danh Thắng, &
8. Drescher, A., Kim, J.,& Newcomb, D. (1993). Nguyễn, Đình Triều (2015). Mô hình hóa ứng xử cơ
Permanent Deformation in Asphalt Concrete. học của vật liệu bê tông nhựa sử dụng tiêu chuẩn dẻo
Journal of Material in Civil Engineering, 5, pp 112- Drucker-Prager và mô hình đàn hồi-dẻo-nhớt của
128. Perzyna. Kỷ yếu hội nghị cơ học kỹ thuật toàn quốc,
9. Drucker, D. C., & Prager, W. (1952). Soil mechanics tháng 8, Đà Nẵng, Việt Nam.
and plastic analysis for limit design. Quarterly of 23. Nguyen, H. T. T. (2016). Calculation of pavement
Applied Mathematics, 10, pp 157–165. permanent deformation using perzyna’s elasto–
10. EN 12697-22 (2007). Bituminous mixtures: Test visco–plastic model. Journal of Science and
method for hot mix asphalts-Part 22: Wheel Technology, 54, pp 150-160.
Tracking. European Standard, Brussels, Belgium. 24. Park, D.W. (2006). Traffic Loadings Considering
11. Hua, J. (2000). Finite element modelling and Temperature for Pavement Rutting Life. KSCE
analysis of accelerated pavement testing devices and Journal of Civil Engineering, 10, pp 259-263.
rutting phenomenon. Ph.D. Thesis, Purdue 25. Park, D.W. (2007). Simulation of Rutting Profiles
University, West Lafayette, USA. Using a Viscoplastic Model. KSCE Journal of Civil
12. Huang, C., Abu Al-Rub, R., Masad, E., & Little, D. Engineering, 11, pp 151-156.
(2011). Three-Dimensional Simulations of Asphalt 26. Perzyna, P. (1966). Fundamental problems in
Pavement Permanent Deformation Using a Nonlinear viscoplasticity. In Chernyi, G.G. (Ed.), Advanced
Viscoelastic and Viscoplastic Model. Journal of Applied Mechanics. Academic Press, pp 243-377,
Materials in Civil Engineering, 23, pp 56-68. New York, USA.
13. Huang, Y.H. (2004). Pavement Analysis and Design 27. QĐ/BGTVT-1617, (2014). Quy định kỹ thuật về
(2th edition). Person Prentice Hall, New Jersey, phương pháp thử độ sâu vệt hằn bánh xe của bê tông
USA. nhựa xác định bằng thiết bị wheel tracking. Bộ Giao
14. IRC 37-2012 (2012). Guidelines for the Design of thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam.
Flexible Pavements. Indian Road Congress, New 28. Simo, J.C., & Hughes, T.J.R. (2000). Computational
Delhi, India. Inelasticity. Springer, New York, USA.
15. Karrech, A., Seibi, A., & Duhamel, D. (2011). 29. Souza, Neto E.A., Peric, D., & Owen, D.J.R.
Finite element modelling of rate-dependent (2008). Computational Methods for Plasticity:
ratcheting in granular materials. Computers and Theory and Applications. Wiley, Singapore.
Geotechnics, 38, pp 105-112. 30. TCVN 8819-2011, (2011). Mặt đường bê tông nhựa
16. Kawa, I., Zhang, Z., & Hudson, W.R. (1998). nóng – Yêu cầu thi công và nghiệm thu. Bộ Khoa
Evaluation of the AASHTO 18-kip Load học và Công nghệ, Hà Nội, Việt Nam.
Equivalency Concept. Report No FHWA/TX-05/0-
ID No./ pp. 8
View publication stats
nguon tai.lieu . vn
