Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến ứng xử cơ học trong kết cấu áo đường mềm theo mô hình đàn hồi tuyến tính burmister

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN XUÂN THỌ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG
XE CHẠYĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC TRONG KẾT CẤU
ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI
TUYẾN TÍNH BURMISTER

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông
Mã số: 60.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. NGUYỄN HỒNG HẢI
2. TS. NGUYỄN MAI LÂN

Phản biện 1: PGS.TS. PHAN CAO THỌ
Phản biện 2: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông họp tại
Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 12 tháng 8 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
 Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, Trường
Đại học Bách khoa – ĐHĐN.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cần thiết của đề tài
Kết cấu mặt đường ô tô là kết cấu gồm một hoặc
nhiều lớp vật liệu khác nhau, bố trí theo một cấu tạo nhất
định bên trên nền đường để đáp ứng các yêu cầu chạy xe,
về cường độ, độ bằng phẳng và độ nhám; đảm bảo xe chạy
với vận tốc cao, an toàn, êm thuận và kinh tế.
Để phát huy hiệu quả làm việc của các lớp vật liệu
mặt đường, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường của nhiều
nước trên thế giới (Mỹ, Pháp) đang tiếp cận theo mô hình
tính toán cơ học-thực nghiệm. Theo cách tiếp cận này, đầu
tiên trạng thái ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu
của kết cấu áo đường được xác định bằng mô hình cơ học
thông qua lời giải hệ đàn hồi nhiều lớp, sau đó so sánh với
trị số giới hạn (ứng suất và biến dạng cho phép) được xác
định dựa trên các mô hình thực nghiệm trên cơ sở các hư
hỏng mặt đường như nứt mỏi, hằn lún, độ bằng phẳng.
Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xe
chạy đến ứng xử cơ học trong kết cấu áo đường mềm
theo mô hình đàn hồi tuyến tính Burmister” nhằm phân
tích, làm rõ ứng xử cơ học của các lớp vật liệu trong kết
cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, từng


bước tiếp cận với các lý thuyết và phương pháp tính toán
kết cấu áo đường mềm hiện đại, đã và đang được áp dụng
hiện nay ở nhiều nước trên thế giới.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu ứng xử cơ học (ứng suất, biến dạng)
trong các lớp kết cấu áo đường mềm trong các trường hợp


2
chịu ảnh hưởng của tải trọng xe chạy khác nhau (độ lớn,
số cụm trục) theo mô hình đàn hồi tuyến tính của
Burmister.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán các
đặc trưng ứng suất, biến dạng trong các lớp vật liệu kết
cấu áo đường mềm theo lý thuyết đàn hồi tuyến tính nhiều
lớp của Burmister.
Nghiên cứu sử dụng phần mềm tính toán Alizé được
phát triển bởi Viện nghiên cứu cầu đường Pháp
(IFSTTAR, tên cũ LCPC) để phân tích ứng suất, biến
dạng trong các lớp kết cấu áo đường.
Điều tra đặc trưng tải trọng xe trên một số tuyến
quốc lộ đang khai thác, làm cơ sở lựa chọn các thông số
tính toán.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến phân bố
ứng suất – biến dạng trong các lớp kết cấu áo đường mềm,
làm cơ sở cho việc đề xuất các trị số giới hạn sử dụng
trong thiết kế kết cấu áo đường theo phương pháp cơ họcthực nghiệm. Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng xe chạy
đến sự thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng trong các
lớp kết cấu áo đường mềm dựa trên kết quả phân tích bằng
phần mềm Alizé.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu phân bố ứng suất, biến dạng trong kết
cấu mặt đường mềm nhiều lớp chịu tác dụng của tải trọng
bánh xe có áp lực phân bố đều trên diện tích vệt bánh xe
có dạng hình tròn.


3
Trạng thái ứng suất, biến dạng trong các lớp vật
liệu được xác định theo mô hình đàn hồi tuyến tính của
Burmister bằng phần mềm phân tích Alizé được phát triển
bởi Trung tâm thí nghiệm cầu đường Pháp (LCPC).
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Tải trọng xe chạy trên đường được giả định là tải
trọng tĩnh.Áp lực bánh xe nghiên cứu lớn hơn 0,6Mpa.
Kết cấu áo đường gồm 2 đến 3 lớp, được xem là hệ
biến dạng tuyến tính, mỗi lớp vật liệu có trị số mô đun đàn
hồi Ei và hệ số Poisson i.
4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tính toán.
Phương pháp khảo sát, thu thập thông tin từ số liệu cân tải
trọng xe để lựa chọn, đề xuất tải trọng phân tích. Phương
pháp so sánh giữa lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn thiết
kế 22TCN211-06 [1] và phương pháp tiếp cận của luận
văn.
5. Kết cấu luận văn
Phần Mở đầu
Chương 1: Đặc điểm làm việc của kết cấu áo
đường mềm dưới tác dụng của tải trọng xe chạy.
Chương 2: phân loại xe và đề xuất tải trọng tÍnh
toÁn ứng xử cơ học của kết cấu áo đường mềm.
Chương 3: sử dụng phần mềm Alize-LCPC
nghiênn cứu ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến ứng xử
cơ học của kết cấu mặt đường mềm và áp dụng tính toán
cho mặt đường dự án cao tốc Đà nẵng - Quảng ngãi.
Kết luận và kiến nghị.


4
CHƯƠNG 1. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT
CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA
TẢI TRỌNG XE CHẠY
1.1. YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ
CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG.
1.1.1. Yêu cầu chung
Trong suốt thời hạn thiết kế áo đường phải có đủ
cường độ và duy trì được cường độ để hạn chế được tối đa
các trường hợp phá hoại của xe cộ và của các yếu tố môi
trường tự nhiên (sự thay đổi thời tiết, khí hậu; sự xâm
nhập của các nguồn ẩm…).
1.1.2. Cấu tạo kết cấu áo đường
Kết cấu áo đường mềm là kết cấu gồm nhiều lớp vật
liệu phù hợp với chức năng làm việc của mỗi lớp bao
gồm: Lớp mặt bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt
có xử lý nhựa như bê tông nhựa, đá dăm trộn nhựa, thấm
nhập nhựa, láng nhựa, cấp phối đá dăm, cấp phối cuội sỏi
gia cố hoặc không gia cố bi tum, xi măng, vôi, các phế
phẩm công nghiệp như xỉ lò cao, xỉ than v.v…; lớp nền
đất đáy móng áo đường.
1.2. ĐẶC ĐIỂM TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE
CHẠY LÊN MẶT ĐƯỜNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA
TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC
CỦA NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG
1.2.1. Tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường
mềm
Tác dụng của tải trọng xe chạy lên kết cấu nền mặt
đường thông qua tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường.


5
Tải trọng tác dụng lên mặt đường là tải trọng động, tức
thời và có tính chất trùng phục. Độ lớn của tải trọng tác
dụng lên mặt đường phụ thuộc vào tải trọng trục xe, diện
tích tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, cấu tạo hình
dạng và kích thước lốp xe.
1.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến cơ chế làm
việc của nền đất và vật liệu áo đường
Dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, trong các lớp kết
cấu áo đường và nền đất phát sinh các ứng suất và biến
dạng.
1.2.3. Hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm và
nguyên lý tính toán cường độ áo đường mềm
Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe, ngay dưới mặt
tiếp xúc của bánh xe với lớp mặt của kết cấu áo đường sẽ
bị nén, xung quanh phạm vị tiếp xúc phát sinh ứng suất
cắt. Trên mặt đường cong xung quanh chỗ tiếp xúc các
đường nứt hướng tâm, vật liệu thường được đẩy trồi lên,
mặt đường thường bị nứt vỡ trên bề mặt. Tại vị trí đáy kết
cấu áo đường, ngay bên dưới bánh xe sẽ bị nứt do ứng
xuất kéo.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG
MỀM
Theo Huang [11], có thể chia phương pháp thiết kế
mặt đường mềm thành 5 nhóm:
- Phương pháp thực nghiệm có hoặc không có xét đến
sức chống cắt của nền đất;
- Phương pháp dựa trên phá hoại giới hạn cắt;
- Phương pháp độ võng giới hạn;


6
- Phương pháp hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ
mặt đường hoặc thí nghiệm trên các tuyến đường thực tế;
- Phương pháp cơ học-thực nghiệm.
1.4. MÔ HÌNH CƠ HỌC XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG TRONG CÁC LỚP VẬT LIỆU CỦA
KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG
CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY
1.4.1. Mô hình Boussinesq (1958)
Với giả thiết nền đất là bán không gian vô hạn, đàn
hồi, đồng nhất và đẳng hướng. Áp lực q do tải trọng của
bánh xe tác dụng trên mặt đường sẽ gây nên ứng suất
trong nền đất giảm dần theo chiều sâu.
1.4.2. Mô hình đàn hồi 2 lớp (Hogg)
Hogg (1938) tiến hành nghiên cứu phân bố ứng suất
biến dạng ở giữa lớp vật liệu theo các giả thiết mà
Boussinesq đã đưa ra (môi trường đàn hồi, đồng nhất và
đẳng hướng, bán không gian xác định). Để xác định ứng
suất thẳng đứng và biến dạng trong hệ đàn hồi 2 lớp, Hogg
giả thiết kết cấu mặt đường như một tấm mỏng đặt trên
nền đất và sử dụng các giả thuyết đơn giản hóa của
Navier: (1) mặt phẳng trung bình trùng với trục trung hòa;
(2) các mặt cắt ngang vẫn giữ nguyên trạng thái phẳng
trong suốt quá trình biến dạng; (3) bỏ qua ứng suất theo
phương ngang.
1.4.3. Mô hình đàn hồi tuyến tính nhiều lớp Burmister
(1943)
Để giải bài toán hệ đàn hồi tuyến tính nhiều lớp,
Burmister đã sử dụng các giả thuyết:


7
- Mỗi lớp vật liệu là đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi
tuyến tính với cùng một môđuyn E và hệ số Poisson ν.
- Mỗi lớp có chiều dày hữu hạn, ngoại trừ lớp cuối
cùng (nền đất) có chiều dày vô hạn.
- Áp lực do tải trọng xe chạy tác dụng trên bề mặt trên
một diện tích hình tròn.
- Tại mặt phân cách giữa các lớp, điều kiện liên tục
hoặc không liên tục có thể được xét đến;
- Tác dụng của tải trọng phức tạp có thể sử dụng quy
tắc cộng tác dụng cho từng trường hợp tải trọng riêng lẻ.
1.5. ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU
ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI
TRỌNG XE CHẠY THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI
TUYẾN TÍNH NHIỀU LỚP BURMISTER
1.5.1. Mô hình tính toán và các giả thuyết
Như đã trình bày ở mục 1.4.3 về các giả thiết và mô
hình đàn hồi tuyến tính nhiều lớp Burmister. Trong mô
hình này, các lớp được xem là vật liệu rắn đàn hồi, đẳng
hướng và đồng nhất. Mặt tiếp xúc giữa các lớp có thể có
lớp ngăn cách hoặc không có lớp này (liên tục hoặc không
liên tục).
1.5.2. Cơ sở tính toán
Trạng thái ứng suất biến dạng của một phần tử trong
môi trường liên tục đặt trong hệ tọa độ trục (Hình 1.5)


8
Hình 1. 1. Sơ đồ mô hình tính Burmister cho hệ đàn hồi
nhiều lớp
1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Có nhiều lý thuyết được phát triển để xác định ứng
suất, biến dạng trong các lớp kết cấu, trong đó lý thuyết
đàn hồi lớp Burmister với giả thuyết vật liệu đàn hồi tuyến
tính và lý thuyết đàn hồi phi tuyến được phát triển bởi
Huang là các lý thuyết đã và đang được sử dụng phổ biến
cho các phần mềm tính toán theo phương pháp cơ học thực nghiệm hiện nay. Một trong các phần mềm tính toán
theo lý thuyết lớp Burmister là bộ phần mềm Alizé, được
phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường Paris (LCPC,
nay đổi tên thành IFSTTAR), hiện đang được sử dụng tại
Pháp và nhiều nước trên thế giới.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của đặc trưng tải trọng đến
ứng xử cơ học của các lớp vật liệu trong kết cấu mặt
đường mềm và được sự đồng của tác giả phần mềm, luận
văn đã sử dụng phần mềm thiết kế kết cấu mặt đường
Alizé để phục vụ cho đề tài nghiên cứu.


9
CHƯƠNG 2. PHÂN LOẠI XE VÀ ĐỀ XUẤT TẢI
TRỌNG TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT
CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM
2.1. PHÂN LOẠI XE VÀ PHƯƠNG PHÁP QUI ĐỔI
TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯỜNG VỀ TẢI TRỌNG
TRỤC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO
ĐƯỜNG MỀM
2.1.1. Phân loại xe trên đường
2.2.1.1. Theo Hiệp hội quản lý đường cao tốc Hoa Kỳ
(FHWA)
Chia làm 13 loại như Hình 2.1. Trong đó định nghĩa
mỗi loại xe.


10

Hình 2. 1.Phân loại xe theo FHWA [9]


11

2.2.1.2. Theo tiêu chuẩn Australia (AUSTROADS)
Chia làm 4 nhóm, 12 loại dựa trên 3 thông số: chiều dài
xe, cấu tạo số trục, cụm trục và hình dạng xe (Bảng 2.2), cụ
thể như sau:
- Xe con, tải nhẹ (Loại 1, 2): thân liền 2 trục, chiều dài
tối đa 5,5m;
- Xe Bus, xe tải trung (Loại 3 đến 5); xe thân liền từ 24 trục, chiều dài từ 5,5 – 14,5m;
- Xe Bus, xe tải hạng nặng (Loại 6 đến 9): xe khách
thân liền và xe đầu kéo kéo rơ moóc từ 3- 6 trục, chiều dài
từ 11,5 – 19m;
- Xe tải nặng (Loại 10 đến 12): xe đầu kéo kéo rơ moóc
nhiều hơn 7 trục, chiều dài từ 17,5 – 36,5m; Riêng xe loại
12, chiều dài lớn hơn 33m.
2.2.1.3. Theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN
211-06
- Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm 22 TCN
211-06 [1] hướng dẫn tham khảo phân loại xe và cấu hình
trục sử dụng trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường, gồm
3 loại: xe con, xe buýt và xe tải. Trong đó xe buýt được
chia thành 2 loại: lớn và nhỏ; xe tải được chia làm 4 loại:
tải nhẹ, tải vừa, tải nặng 2 trục, và tải nặng 3 trục (1 đơn, 1
đôi).
2.1.2. Tải trọng trục tính toán và phương pháp qui đổi
tải trọng trục về tải trọng tính toán
2.2.2.1. Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn
a) Theo tiêu chuẩn các nước:


12
b) Theo 22TCN 211-06:
2.2.2.2. Phương pháp qui đổi tương đương về tải trọng
trục tính toán
a) Theo AASHTO
b) Theo 22TCN 211-06
2.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ PHÂN LOẠI XE
THỰC TẾ TẠI VIỆT NAM
2.2.1. Theo kết quả khảo sát của tác giả Nguyễn Quang
Ân [4]
- Kết quả khảo sát cân động tại 6 vị trí thuộc Quốc lộ
(QL) 1, QL5 và QL20 (Hình 2.2a), tác giả đã chỉ ra rằng
trong tổng số 19.912 xe được cân xác định tải trọng trục có
khoảng 18% trục có tải trọng vượt quá giới hạn cho phép là
10T (Hình 2.2b).

a) Vị trí khảo sát
b) Kết quả phân tích tải trọng trục
Hình 2. 2. Kết quả khảo sát cân động xác định tải trọng trục
trên 1 số tuyến QL [4]
2.2.2. Kết quả khảo sát thực tế tại trạm thu phí Bắc Hải
Vân (Km892+332 Quốc lộ 1)
Để phục vụ cho việc phân loại xe và phân loại chi tiết
cấu hình trục, tác giả đã tiến hành khảo sát và phân loại xe


13
tại trạm thu phí Bắc Hải Vân, Km892+332 Quốc lộ 1. Thời
gian khảo sát từ 7h đến 17h ngày 27/02/2017. Các thông tin
khảo sát bao gồm số lượng xe, số trục xe, loại xe, tải trọng
từng xe qua trạm, các xe được phân loại tổng hợp theo giờ.
Kết luận: Dựa trên tỷ lệ phân bố của từng loại xe và
phân bố tổng tải trọng mỗi loại trong thành phần dòng xe
thực tế khảo sát, có thể nhận thấy ngoài xe con 4, 7 chỗ
chiếm tỷ lệ lớn nhất trong thành phần dòng xe (31%) và
thành phần xe tải nhẹ, xe buýt loại nhỏ có tổng tải trọng
nhỏ hơn tổng tải trọng qui định. Ngoài xe tải thân liền 4
trục (xe loại 3) chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong thành phần dòng
xe (0,63%), các loại xe tải còn lại đều có tổng trọng lượng
xe vượt quá tổng trọng lượng cho phép. Đây cũng chính là
thành phần xe có ảnh hưởng lớn nhất đến tác dụng phá hoại
mặt đường mềm.

Hình 2. 3. Tỷ lệ phân bố các loại xe trong dòng xe khảo sát
2.3. CẤU HÌNH TRỤC, PHÂN BỐ TẢI TRỌNG TRÊN
MỖI TRỤC VÀ CỤM TRỤC CỦA MỖI LOẠI XE
THỰC TẾ KHẢO SÁT


14
Dựa trên kết quả khảo sát cấu hình trục và số liệu về
tổng tải trọng, phân bố tải trọng trên từng trục và cụm trục
của mỗi loại xe, cùng với tỉ lệ phân bố tải trọng thực tế
được xác định thông qua trạm cân di động trên một số
tuyến Quốc lộ tại Việt Nam Quốc lộ 5, Quốc lộ 1A đoạn
Km918, Quốc lộ 1A đoạn Km1725 luận văn đề xuất phân
bố tải trọng trên các trục và cụm trục cho từng loại xe.
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Tiêu chuẩn Việt Nam chưa ban hành phân loại cụ thể
các loại xe trên đường. Tuy nhiên trong phụ lục hướng dẫn
thiết kế (phụ lục A, tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm
22TCN 211-06), thành phần xe tải được chia làm 3 loại
(nhẹ, vừa, nặng) dựa trên số lượng trục và khoảng cách
giữa các trục trong cụm trục, trong đó số trục trong cụm
trục tối đa là 2. Việc qui đổi tải trọng trục (hoặc cụm trục)
về tải trọng tính toán tiêu chuẩn được thực hiện theo các
công thức kinh nghiệm, có xét đến hệ số số trục (C1) và hệ
số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh (C2).
So sánh với cách phân loại của FHWA và AUSTROADS,
có thể thấy việc phân loại xe phục vụ tính toán thiết kế kết
cấu áo đường hiện nay chưa phản ánh đầy đủ dòng xe thực
tế trên đường.


15

CHƯƠNG 3. SỬ DỤNG PHẦN MỀM ALIZÉ-LCPC
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE
CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG MỀM VÀ ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO
MẶT ĐƯỜNG DỰ ÁN CAO TỐC ĐÀ NẴNG QUẢNG NGÃI
3.1. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ALIZE-LCPC
Alizé-LCPC là phần mềm tính toán thiết kế kết cấu mặt
đường được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường
Paris (LCPC) và Uỷ ban nghiên cứu kỹ thuật đường bộ và
đường cao tốc Pháp (SETRA) dựa trên mô hình lý thuyết
đàn hồi lớp Burmister.
3.2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG VÀ
TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN
3.2.1. Mô hình và thông số tính toán kết cấu áo đường
Để nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đến ứng xử cơ
học của kết cấu áo đường, luận văn chọn kết cấu mặt
đường thiết kế cho dự án Cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi,
đoạn từ Km16+629 đến Km16+680, có cấu tạo các lớp như
sau:

Hình 3. 1. Kết cấu áo đường tuyến cao tốc Đà Nẵng Quảng Ngãi (Km16+629 đến Km16+680)


16
3.2.2. Tải trọng tính toán
Dựa trên kết quả khảo sát cấu hình trục và số liệu về
tổng tải trọng, phân bố tải trọng trên từng cụm trục của
từng loại xe, luận văn đề xuất tải trọng tính toán cho từng
loại xe như đã trình bày ở mục 2.3.
3.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG DƯỚI TÁC
DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
3.3.1. Ứng suất - biến dạng trong kết cấu dưới tác dụng
của tải trọng tính toán tiêu chuẩn 100kN và 120kN
Sử dụng phần mềm Alizé-LCPC, tiến hành phân tích
xác định ứng suất - biến dạng trong các lớp kết cấu áo
đường cho trường hợp tải trọng tải trọng tính toán tiêu
chuẩn 100kN và 120kN ở các điều kiện nhiệt độ 10oC,
30oC và 60oC.
3.3.2. Phân tích ứng suất - biến dạng trong kết cấu dưới
tác dụng của các loại xe có cấu hình và tải trọng trục,
cụm trục khác nhau theo kết quả khảo sát phân loại xe
thực tế tại trạm thu phí Bắc Hải Vân
Để nghiên cứu ảnh hưởng của các loại xe có tải trọng,
cấu hình trục và cụm trục khác nhau đến ứng xử cơ học của
các lớp kết cấu mặt đường, luận văn tiến hành phân tích
cho các loại xe khách loại lớn và xe tải, đây là các loại xe
chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần dòng xe và có áp lực p
gần áp lực tính toán 0,6Mpa.
3.4. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỐ LẦN
TÁC DỤNG LẶP LẠI CỦA TẢI TRỌNG GÂY PHÁ
HOẠI KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG DỰA TRÊN ĐIỀU


17
KIỆN PHÁ HOẠI NỨT MỎI VÀ TÍCH LUỸ BIẾN
DẠNG DƯ
3.4.1. Theo điều kiện nứt mỏi (Fatigue Cracking)
Có nhiều mô hình phá hoại mỏi cho phép xác định số
lần tác dụng lặp lại của tải trọng gây phá hoại mỏi trong kết
cấu áo đường, [12], trong nội dung nghiên cứu của luận
văn, học viên chọn 2 mô hình phân tích của Viện Asphalt
(1991).
3.4.1.1. Theo Viện Asphalt (1991):
Số lần tác dụng của tải trọng gây phá hoại mỏi trong
lớp mặt BTN trong trường hợp hỗn hợp bê tông nhựa có độ
rỗng dư 5% và hàm lượng nhựa 11% (theo thể tích), có thể
xác định theo công thức 3.1:
Nf = 0,0796.(εt)−3.291.(E)−0.854
3.4.2. Theo điều kiện tích luỹ biến dạng dư (Permanent
Deformation)
Số lần tác dụng của tải trọng gây nên biến dạng dư tích
luỹ ở bề mặt móng nền đất 13 mm (0.5 in) được xác định
theo công thức:
Nf(13) = 1,365*10−9(εv)−4.477
3.5. HỆ SỐ QUI ĐỔI TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯƠNG
VỀ TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TOÁN TIÊU CHUẨN
DỰA TRÊN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤTBIẾN DẠNG VÀ MÔ HÌNH PHÁ HOẠI THỰC
NGHIỆM
Do dòng xe trên đường gồm nhiều loại xe có cấu hình,
tải trọng phân bố trên các trục và cụm trục khác nhau, nên
để thuận lợi cho việc tính toán tiêu chuẩn Việt Nam thường


18
sử dụng phương pháp quy đổi tải trọng các trục hoặc cụm
trục về tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn thông qua hệ số
quy đổi tải trọng trục tương đương (Equivalent Axle Load
Factor, EALF).
3.6. ỨNG DỤNG ALIZE-LCPC PHÂN TÍCH ĐIỀU
KIỆN LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
TUYẾN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI ĐOẠN
KM16+629 - KM16+680
3.6.1. Các thông số tính toán
3.6.1.1. Tải trọng trục tính toán
- Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn: P = 120kN.
- Áp lực tính toán lên mặt đường:
p=0.6MPa;
- Đường kính vệt bánh xe tương đương:
D=36cm.
3.6.2. Kết quả tính toán theo 22TCN 211-06
Với kết cấu áo đường được đề xuất như mục 3.2.1, kết
quả tính toán kiểm tra theo 3 tiêu chuẩn cho kết quả như
sau:
- Theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi:
Ech = 232Mpa > Kdvdt.Eyc = 228Mpa
- Theo tiêu chuẩn kéo uốn trong các lớp vật liệu toàn
khối:
+ Đối với BTN lớp trên:
ku =0,913Mpa < Rkutt/Kkucd = 0,943Mpa
+ Đối với BTN lớp dưới:
ku=0,806Mpa < Rkutt/Kkucd = 0,808Mpa
+ Đối với lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi
măng:
ku =0,306Mpa < Rkutt/Kkucd = 308Mpa


19
- Theo điều kiện chịu cắt trượt của nền đất:
T = Tax + Tav = 0,002Mpa < Ctt/Ktrdt
=0,02Mpa
3.6.3. Kiểm toán khả năng làm việc của kết cấu dựa
trên kết quả phân tích ứng suất-biến dạng bằng phần
mềm Alizé-LCPC và các mô hình phá hoại
3.6.3.1. Kết quả phân tích ứng suất-biến dạng:
Sử dụng phần mềm Alizé phân tích ứng suất-biến dạng
trong các lớp kết cấu dưới tác dụng của tải trọng trục tiêu
chuẩn 120kN, áp lực p =0,6Mpa ở các điều kiện nhiệt độ
khác nhau 10oC, 30oC và 60oC. Kết quả cụ thể trình bày ở
Bảng 3.10.
3.6.4. Kết luận
3.6.4.1. Theo điều kiện tích luỹ biến dạng dư
(Permanent Deformation Criteria)
Số lần tác dụng lặp lại cho phép của tải trọng trục tiêu
chuẩn 120kN để kiểm soát sự biến dạng không hồi phục:
Nf_120 =1,365*10-9 (ɛz)-4,477
Trong đó: ɛz - biến dạng nén thẳng đứng tại bề mặt đáy
áo đường (móng nền đất) ở nhiệt độ tính toán tiêu chuẩn
30oC.
ɛz = 344,4 µdef = 344,4x10-6 def
= > Nf_120 =4,35x106
3.6.4.2.Theo điều kiện nứt mỏi trong các lớp bê tông
nhựa (Fatigue Criterion)
Số lần tác dụng lặp lại cho phép trong điều kiện mẫu
tiêu chuẩn (hàm lượng nhựa chiếm 11% thể tích, độ rỗng
dư 5%):


20
Nf =0,0796*(ɛt)-3,291*E0,854
Nf
=
0,0796*(ɛt)-3,291*E-0,854
=
-6 -3,291
6 -0,854
0,0796x(199,4.10 )
.(1,7.10 )
= 0,37.106 (tải trọng trục 120kN)
3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Để nghiên cứu ảnh hưởng của đặc trưng tải trọng đến
ứng xử cơ học của các lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường
mềm, với sự hỗ trợ của phần mềm Alizé luận văn đã tiến
hành phân tích ứng suất-biến dạng trong các lớp kết cấu
mặt đường được chọn từ dự án cao tốc Đà Nẵng-Quảng
Ngãi. Tải trọng phân tích là các loại xe thực tế khảo sát tại
trạm thu phí Bắc Hải Vân với các cấu hình trục và cụm trục
khác nhau, cùng với tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn
100kN và 120kN theo 22TCN 211-06. Kết quả phân tích
cho thấy, ứng suất và biến dạng trong các lớp kết cấu chịu
ảnh hưởng nhiều bởi tải trọng và cấu tạo trục (trục đơn,
trục đôi, trục ba).
Luận văn đã tiến hành so sánh 3 phương pháp xác định
hệ số tải trọng trục tương đương (EALF) từ các loại xe có
cấu hình và tải trọng trục (cụm trục) khác nhau về tải trọng
tính toán tiêu chuẩn 100kN và 120kN: theo 22TCN 211-06,
theo kết quả phân tích biến dạng ở đáy lớp bê tông nhựa và
theo bảng tra của Viện Asphalt. Kết quả phân tích cho thấy
hệ số quy đổi có sự sai khác đáng kể giữa 3 phương pháp.
Điều này cho thấy cần có nhiều nghiên cứu tiếp tục để làm
rõ tác dụng phá hoại của các loại xe có cấu hình trục khác
nhau trên đường.


21
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
Sự làm việc của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng
của tải trọng xe chạy và các yếu tố khí hậu thời tiết là phức
tạp, do tính chất đàn hồi phi tuyến của các lớp vật liệu và
đặc trưng cường độ tính toán của các vật liệu thay đổi theo
trạng thái ứng suất và điều kiện nhiệt độ môi trường. Có
nhiều phương pháp thiết kế mặt đường đã được phát triển,
trong đó mô hình cơ học - thực nghiệm có thể xem là một
phương pháp thiết kế mới đã và đang được nghiên cứu áp
dụng ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới.
Có nhiều lý thuyết được phát triển để xác định ứng
suất, biến dạng trong các lớp kết cấu, trong đó lý thuyết đàn
hồi lớp Burmister với giả thuyết vật liệu đàn hồi tuyến tính
và lý thuyết đàn hồi phi tuyến được phát triển bởi Huang là
các lý thuyết đã và đang được sử dụng phổ biến cho các
phần mềm tính toán theo phương pháp cơ học - thực
nghiệm hiện nay. Một trong các phần mềm tính toán theo
lý thuyết lớp Burmister là bộ phần mềm Alizé, được phát
triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường Paris (LCPC, nay
đổi tên thành IFSTTAR), hiện đang được sử dụng tại Pháp
và nhiều nước trên thế giới. Được sự đồng của tác giả phần
mềm, luận văn đã sử dụng phần mềm thiết kế kết cấu mặt
đường Alizé để phục vụ cho đề tài nghiên cứu. Bộ phần
mềm này với nhiều mô đun cho phép phân tích, tính toán
kết cấu áo đường nhiều lớp, dưới tác dụng tải trọng tiêu
chuẩn hay các tải trọng có cấu hình đặc biết khác nhau. Kết
quả phân tích rất chi tiết về ứng suất, biến dạng của các lớp


22
trong kết cấu, cho ra độ võng của cả kết cấu. Thuận tiện
cho các kỹ sư thiết kế khi tính toán, kiểm soát số liệu.
Tải trọng và cấu hình trục có ảnh hưởng đến sự thay
đổi ứng suất, biến dạng trong kết cấu áo đường. Tác dụng
phá hoại là khác nhau đối với mỗi loại xe có tải trọng và
cấu hình trục khác nhau. Kết quả khảo sát điều tra các loại
xe trên đường và tham khảo tiêu chuẩn phân loại xe của các
nước cho thấy phân loại xe phục vụ tính toán thiết kế kết
cấu áo đường theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm
22TCN 211-06 hiện nay chưa phản ánh đầy đủ dòng xe
thực tế trên đường.
Với tỷ lệ tăng trưởng về phương tiện giao thông, cùng
với kết quả khảo sát tải trọng xe và tải trọng trục xe trên
đường cho thấy tỷ lệ xe có tổng tải trọng và tải trọng trục
vượt quá tải trọng qui định chiếm tỷ lệ khá cao trong thành
phần dòng xe, đặc biệt là thành phần xe tải, là loại xe có
ảnh hưởng phá hoại đến kết cấu mặt đường trong quá trình
khai thác.
Các phương pháp xác định hệ số tải trọng hiện nay
đang sử dụng có nhiều sai khác rất đáng kể. Luận văn đã
làm rõ sai khác này bằng việc tính toán so sánh 3 phương
pháp xác định hệ số tải trọng trục tương đương (EALF) từ
các loại xe có cấu hình và tải trọng trục (cụm trục) khác
nhau về tải trọng tính toán tiêu chuẩn 100kN và 120kN:
theo 22TCN 211-06, theo kết quả phân tích biến dạng ở
đáy lớp bê tông nhựa và theo bảng tra của Viện Asphalt.
Điều này cho thấy cần có nhiều nghiên cứu tiếp tục để làm


23
rõ tác dụng phá hoại của các loại xe có cấu hình trục khác
nhau trên đường.
Thông qua mô hình tính toán của Viện Asphalt dựa
trên điều kiện phá hoại nứt mỏi và phá hoại tích luỹ biến
dạng dư tại bề mặt lớp subgrade. Xác định số lần tác dụng
lặp lại cho phép của tải trọng đạt đến trạng thái phá hoại
của kết cấu. Kết quả phân tích cho thấy, xe kéo sơmi rơ
moóc và xe thân liền có tải trọng trục vượt quá tải trọng
cho phép là các loại xe có tác dụng bất lợi nhất đến sự làm
việc của kết cấu mặt đường.
Luận văn sử dụng phần mền Alizé - LCPC được phát
triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường Paris (LCPC) và Uỷ
ban nghiên cứu kỹ thuật đường bộ, đường cao tốc Pháp
(SETRA) để phân tích ứng suất, biến dạng trong kết cấu áo
đường, kết hợp mô hình thực nghiệm phá hoại nứt mỏi và
tích lũy biến dạng của viện Asphalt đánh giá kết cấu áo
đường đang áp dụng trong dự án cao tốc Đà Nẵng - Quảng
Ngãi, đoạn Km16+629 - Km16+680, kết quả cho thấy với
kết cấu đang áp dụng thì điều kiện nứt mỏi và điều kiện
tích lũy biến dạng dư ở bề mặt lớp subgrade đều không đạt
cho toàn tuyến cáo tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi.
2. KIẾN NGHỊ
Phương pháp cơ học thực nghiệm đã được áp dụng ở
nhiều nước tiên tiến, đề tài là một bước cơ sở, đề xuất áp
dụng mô hình cơ học thực nghiệm trong tính toán kết cấu
áo đường ở Việt Nam.
Ngoài các phần mềm phân tích cơ học dựa trên mô
hình lý thuyết đàn hồi lớp đã được phát triển và áp dụng tại


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×