Ảnh hưởng trục xe quá tải đến hằn lún vệt bánh xe mặt đường bê tông As-phalt

KS. Nguyễn Xuân Thanh  KS. Nguyễn Quang Tuấn Bộ Tư lệnh Công binh TS. Trần Thị Thu Trang  Học viện Kỹ thuật Quân sự KS. Phan Văn Thoại Trường Ðại Học Công Nghệ Giao Thông vận tải Người phản biện: TS. Hoàng Quốc long PGS. TS. Lã Văn Chăm

TÓM TẮT: Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe (HLVBX) đã và đang trở thành vấn đề nóng trong lĩnh vực khai thác đường bộ ở Việt Nam, được Bộ GTVT, các viện nghiên cứu, các nhà quản lý và các nhà khoa học rất quan tâm. Bài báo giới thiệu phương pháp tính toán xác định ảnh hưởng độ lớn của trục xe quá tải và áp suất bánh hơi đến chiều sâu HLVBX trên mặt đường bê tông Asphalt đường ô tô. Thông qua kết quả nghiên cứu, các tác giả đề xuất, kiến nghị một số giải pháp kiểm soát trục xe quá tải trong công tác quản lý khai thác mặt đường bê tông Asphalt ở nước ta hiện nay.

TỪ KHÓA: Trục xe, hằn lún vệt bánh xe, bê tông Asphalt.

Abstract: The paper introduces the method to determine the rutting depth on Asphalt Concrete pavement, allowing matter to the magnitude of the axle overloads and vapor pressure in the wheel. Through the researched results, the authors propose some solutions to control the axle overload in mining management of asphalt pavement in Viet Nam.

KEYWORDS: Axles, vicious rut, asphalt concrete.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Thời gian gần đây, hiện tượng HLVBX xuất hiện trên nhiều tuyến đường bộ ở Việt Nam, thậm chí ngay cả trên những tuyến quốc lộ, cao tốc… mới đưa vào khai thác sử dụng. Biến dạng HLVBX làm mất mỹ quan công trình giao thông, giảm độ bằng phẳng của mặt đường, gây nguy hiểm cho các phương tiện tham gia giao thông. Đây là vấn đề nhức nhối và càng trở lên cấp bách hơn trong bối cảnh lưu lượng các phương tiện giao thông ngày càng tăng, đòi hỏi phải có sự nghiên cứu chuyên sâu để đưa ra các giải pháp cụ thể nhằm kiểm soát HLVBX.

Hình 1.1: Hình ảnh HLVBX trên QL1

Một trong những nguyên nhân chính gây HLVBX là do khai thác xe quá tải [1]. Để khắc phục tình trạng này, Bộ GTVT đã bố trí các trạm cân để kiểm soát tải trọng trục xe lưu thông trên đường. Tuy nhiên, thực tế khai thác đường ô tô ở Việt Nam trong những năm qua cho thấy, các xe không chỉ quá tải về trọng lượng trục xe mà còn cả về áp suất hơi trong bánh. Một số kết quả nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, do bánh xe tác dụng trực tiếp trên lớp bê tông nhựa (BTN) nên ứng suất cắt gây ra biến dạng hằn lún trong lớp này không chỉ phụ thuộc vào độ lớn trục tải trọng mà còn phụ thuộc vào cả áp suất bánh hơi. Vậy, quản lý khai thác trục xe quá tải chỉ thông qua tải trọng trục đã đủ chưa? Áp suất hơi trong bánh ảnh hưởng như thế nào đến hằn lún mặt đường BTN? Trong bài báo, các tác giả giới thiệu kết quả nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của độ lớn trục tải trọng và áp suất bánh hơi đến chiều sâu hằn lún (RD) trong lớp bê tông Asphalt, làm cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý thích hợp đối với xe quá tải trong khai thác mặt đường mềm ở Việt Nam.

2. TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TRỌNG LƯỢNG TRỤC XE VÀ ÁP SUẤT HƠI TRONG BÁNH ĐẾN CHIỀU SÂU HLVBX TRONG LỚP BÊ TÔNG ASPHALT

Hiện nay, trên thế giới tồn tại rất nhiều phương pháp tính toán dự báo chiều sâu HLVBX mặt đường bê tông nhựa, chia thành nhóm phương pháp lý thuyết, nhóm phương pháp thực nghiệm và nhóm phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Tại Bang California nước Mỹ, bằng thực nghiệm đã đưa ra công thức tính toán xác định chiều sâu vệt hằn bánh xe đường ô tô như sau [4]:    

log (RD) = 2,271 + 2,2251.log(0,025.w) + 0,1811.log(N₈₀) + 1,118.log(0,007.q) ,                                                                                                         (1)

Trong đó:

RD - Chiều sâu vệt hằn lún mặt đường, mm;

w - Độ lún mặt đường do tải trọng 18 kíp (8,2T) gây ra, mm;

N₈₀ - Tổng tích lũy trục xe quy đổi về trục 18 kíp (8,2T), theo thời gian tính toán hằn lún trong năm (chỉ tính thời gian lưu hành vào mùa hè, mùa xuân và mùa thu);

q - Áp lực tải trọng tác dụng xuống mặt đường, kPa.

Lưu ý rằng, đây là công thức thực nghiệm, chỉ phù hợp với điều kiện địa phương nghiên cứu. Để áp dụng ở Việt Nam cần tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng và hiệu chỉnh các hằng số thực nghiệm cho phù hợp. Tuy nhiên, đối với các nghiên cứu mang tính định hướng vẫn có thể tham khảo được.

Để áp dụng được công thức (1) trong tính toán, đánh giá ảnh hưởng của độ lớn tải trọng trục và áp suất bánh hơi đến chiều sâu HLVBX (RD) trong điều kiện Việt Nam, cần tính toán được giá trị độ võng w do tải trọng trục 8,2T gây ra và tính toán xác định ảnh hưởng của độ lớn trục tải trọng và áp suất bánh hơi đến chiều sâu hằn lún RD thông qua quy đổi tổng tích lũy trục xe khai thác thực tế về trục xe 8,2T.

Dưới đây là trình bày phương pháp tính toán xác định độ võng W do tải trọng trục 8,2T gây ra và tính toán ảnh hưởng của độ lớn trục tải trọng và áp suất bánh hơi đến chiều sâu hằn lún RD.

2.1. Phương pháp tính toán xác định độ lún mặt đường do tải trọng 18 kíp (8,2T) gây ra (w)

Dưới tác dụng của tải trọng khai thác, trong kết cấu mặt đường xuất hiện độ lún w. Để xác định độ lún này, bài báo kiến nghị áp dụng công thức áp dụng cho hệ hai lớp như sau [3]:

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Phương pháp tính toán xác định tổng số trục tích lũy quy đổi (N₈₀)

Ảnh hưởng của độ lớn trục tải trọng và áp suất bánh hơi đến chiều sâu HLVBX được xét đến thông qua giá trị quy đổi tổng tích lũy từ trục xe khai thác thực tế về trục xe tính toán N₈₀. Đối với kết cấu mặt đường mềm, theo chỉ tiêu độ võng đàn hồi, khi xác định mô-đun đàn hồi chung có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Với q_tc - Áp suất bánh xe tiêu chuẩn; q_i - Áp suất bánh xe khai thác thứ i; n - Hệ số thực nghiệm, lấy n = 6 - 7 đối với mặt đường cấp cao, lấy n = 4 - 5 đối với mặt đường cấp thấp, lấy n = 2 - 3 đối với mặt đường quá độ; D_i và D_tc - Đường kính vệt bánh xe quy đổi của bánh xe khai thác thứ i và bánh xe tiêu chuẩn; N_i - Lưu lượng trục xe khai thác.

Xác định độ võng kết cấu dưới tác dụng của tải trọng, w, theo (2); xác định lưu lượng trục tích lũy quy đổi về trục tiêu chuẩn 18 kíp (8,2T) theo (10); biết áp suất bánh hơi của xe khai thác q, ta hoàn toàn có thể xác định chiều sâu HLVBX trong lớp bê tông nhựa theo (1).

3. THÍ DỤ SỐ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Thông số đầu vào

Thí dụ tính toán biến dạng dẻo cho kết cấu đường nêu trong ví dụ 1, trong 22TCN 211-06 [2], gồm các lớp vật liệu như trong Bảng 3.1.

Lưu lượng trục đơn tiêu chuẩn 573 trục/ng.đ, loại trục 10T, mức tăng trưởng hàng năm 10%. Nền đất có mô-đun đàn hồi 42MPa, góc ma sát trong φ = 24⁰. Đối với lớp đá dăm gia cố xi măng có mô-đun đàn hồi 600MPa, lớp móng CPĐD loại I có mô-đun đàn hồi 300MPa, lớp CPĐD loại II có mô-đun đàn hồi 250MPa.

Kết cấu trên được tính toán theo điều kiện chịu lực cho các chỉ tiêu độ võng đàn hồi, biến dạng trượt trong nền và ứng suất kéo uốn trong lớp bê tông Aspahlt. Theo kết quả tính toán trong 22TCN 211-06, kết cấu trên thỏa mãn tất cả 3 chỉ tiêu nêu trên. Do vậy, trong bài báo chỉ thực hiện kiểm tra chỉ tiêu chiều sâu HLVBX trong mặt đường bê tông asphalt khi khai thác trục xe tiêu chuẩn và trục xe quá tải làm cơ sở so sánh kết quả và đánh giá ảnh hưởng của xe quá tải đến chiều sâu hằn lún mặt đường.

Bảng 3.1. Thông số đầu vào

 

TT	Lớp vật liệu	Chiều dày, cm
1	BT asphalt chặt, nóng,cốt liệu nhỏ loại A	6
2	BT asphalt chặt, nóng, cốt liệu nhỏ loại B	8
3	Móng đá dăm gia cố xi măng	14
4	Móng CPĐD loại 1	17
5	Móng CPĐD loại 2	18
6	Nền đất á sét độ ẩm tương đối 0,6

3.2. Khảo sát ảnh hưởng của độ lớn trục tải trọng đến hằn lún lớp bê tông Asphalt

Để khảo sát ảnh hưởng của riêng tải trọng trục xe đến hằn lún lớp BTN, cố định áp suất hơi trong bánh không đổi bằng 0,6Mpa. Cho tải trọng trục xe tăng dần: 10T, 12T, 15T; thời gian tính toán 10 năm. Áp dụng các công thức (1), (2) và (9), tính được chiều sâu hằn lún cho các trường hợp tính toán nêu ở Bảng 3.2:

Bảng 3.2

STT	Tải trọng trục (T)	RD (mm)
1	10	3,4
2	12	6,5
3	15	12,6

 

3.3. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất hơi trong bánh đến hằn lún lớp bê tông asphalt

Để khảo sát ảnh hưởng của riêng áp suất hơi trong bánh đến hằn lún lớp BTN, cố định tải trọng trục xe bằng 10T. Cho áp suất bánh hơi tăng dần: 0,6Mpa, 0,7Mpa, 0,8Mpa; thời gian tính toán 10 năm. Áp dụng các công thức (1), (2) và (9), tính được chiều sâu hằn lún cho các trường hợp tính toán nêu ở Bảng 3.3:

Bảng 3.3

STT	Áp suất bánh hơi (Mpa)	RD (mm)
1	0,6	3,4
2	0,7	5,8
3	0,8	9,4

 

3.4. Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của tải trọng trục và áp suất hơi trong bánh đến hằn lún lớp bê tông Asphalt

Để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của cả độ lớn trục tải trọng và áp suất hơi trong bánh đến hằn lún lớp BTN, cho tải trọng trục xe tăng dần: 10T, 12T, 15T; đồng thời cho áp suất bánh hơi tăng dần: 0,6Mpa, 0,7Mpa, 0,8Mpa; thời gian tính toán 10 năm. Áp dụng các công thức (1), (2) và (9), tính được chiều sâu hằn lún cho các trường hợp tính toán nêu ởBảng 3.4:

Bảng 3.4

 

STT	Tải trọng trục(T)	Áp suất bánh hơi (Mpa)	RD (mm)
1	10	0,6	3,4
2	12	0,7	12,3
3	15	0,8	22,0

Nhận xét kết quả:

Qua kết quả khảo sát ở trên ta thấy, đối với trường hợp kết cấu nêu trên, áp suất bánh hơi có ảnh hưởng đáng kể đến chiều sâu HLVBX trong lớp bê tông Asphalt. Đặc biệt, khi xét ảnh hưởng đồng thời của tải trọng trục xe và áp suất hơi trong bánh thì hằn lún lớp BTN tăng 1,5 ÷ 2 lần nếu chỉ xét riêng từng yếu tố. Đây là vấn đề cần chú ý khi khai thác trục xe quá tải trên các tuyến đường ô tô có sử dụng mặt đường bê tông nhựa nóng.

4. KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ

4.1. Kết luận

- Ảnh hưởng của độ lớn tải trọng trục xe quá tải đến HLVBX trong lớp BTN là rất lớn. Theo Bảng 3.2, khi tải trọng trục tăng từ 10T lên 15T, chiều sâu hằn lún lớp mặt đường tăng lên 4 lần.

- Ngoài độ lớn trục tải trọng thì áp suất bánh hơi cũng ảnh hưởng đáng kể đến chiều sâu hằn lún của lớp bê tông asphalt. Theo Bảng 3.3, khi áp suất bánh tăng từ 0,6Mpa lên 0,8Mpa thì chiều sâu hằn lún lớp mặt đường cũng tăng lên khoảng 2,5 lần.

- Khi đánh giá ảnh hưởng đồng thời độ lớn trục tải trọng và áp suất bánh, chiều sâu HLVBX tăng lên đáng kể. Trong thí dụ trên, khi độ lớn trục tải trọng tăng từ 10 lên 15T và áp suất bơm bánh tăng từ 0,6 lên 0,8MPa, chiều sâu HLVBX tăng trên 6,5 lần (từ 3,4 mm lên 22mm, Bảng 3.4). Chiều sâu RD trên, vượt quá chiều sâu cho phép ứng với cấp hạng đường cấp cao khoảng 5,5 lần (RD cho phép là 4mm).

4.2. Kiến nghị

Trong khai thác xe quá tải trên đường ô tô, bên cạnh việc kiểm tra tải trọng trục, tại các trạm cân cần có biện pháp kiểm soát chặt chẽ cả áp suất bánh hơi để giảm hằn lún mặt đường.

Tài liệu tham khảo

[1]. GS. TS. Phạm Cao Thăng, TS. Trần Thị Thu Trang (10/2015), Phương pháp lý thuyết tính toán dự báo chiều sâu HLVBX mặt đường bê tông Asphalt và ứng dụng tính toán trong điều kiện Việt Nam, Hội nghị Khoa học công nghệ GTVT lần thứ III.

[2]. Quy trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06.

[3]. GS. TS. Phạm Cao Thăng (2014), Tính toán thiết kế các kết cấu mặt đường, NXB. Xây dựng.

[4]. Finn F vs. et al (1982), The use of distress prediction subsystems for the design of pavement Structures, Proceedings of the 5th Conference on the Structural Design of Asphalt Pavement. Delft.