Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá sức chịu tải tĩnh mặt đường bê tông xi măng bằng thiết bị đo động FWD

GS. TS. Phạm Cao Thăng TS. Trần Thị Thu Trang Học viện Kỹ thuật Quân sự ThS. Đỗ Văn Viện ThS. Mai Ngọc Tuấn  Bộ Tư lệnh Công binh Người phản biện: TS. Hoàng Quốc Long TS. Nguyễn Thế Minh

Tóm tắt: Cùng với mặt đường bê tông nhựa (BTN), mặt đường bê tông xi măng (BTXM) đã và đang được sử dụng khá rộng rãi trong xây dựng đường ô tô và sân bay ở Việt Nam. Việc đánh giá sức chịu tải của loại mặt đường này vì thế mà rất cần thiết trong kiểm tra nghiệm thu, quản lý khai thác và nâng cấp cải tạo các tuyến đường. Bên cạnh các phương pháp thử nghiệm truyền thống bằng cơ học phá hủy như trước đây, hiện nay có rất nhiều phương pháp dùng thử nghiệm không phá hủy cho phép xác định nhanh và tương đối chính xác sức chịu tải của mặt đường BTXM mà không ảnh hưởng đến nguyên trạng kết cấu mặt đường. Một trong những thiết bị khá phổ biến thuộc loại này ở Việt Nam là thiết bị FWD. Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định sức chịu tải mặt đường cứng sử dụng máy đo động FWD làm cơ sở khai thác và sửa chữa mặt đường BTXM đường ô tô.

Từ khóa: Chịu tải tĩnh, thiết bị đo động FWD, mặt đường bê tông xi măng.

Abstract: Besides the destructive testing methods, today there are many methods of non-destructive testing allows us to identify quickly and accurately the relative bearing capacity of cement concrete pavement without changing the original state of the structure. One of the quite popular devices in Vietnam is FWD. This paper presents the results of experimental studying determining the load capacity of the rigid pavement using FWD equipment to exploit and repair the roads.

Keywords: Static load, dynamic instrumentation fwd, cement concrete pavement.

1. Đặt vấn đề

Mặt đường BTXM là loại mặt đường cứng, có cường độ cao, phân bố đều tải trọng, chịu va đập tốt, thích ứng với các loại xe, kể cả xe bánh xích, xe tải trọng lớn. Cường độ mặt đường không thay đổi theo nhiệt độ. Tuổi thọ của mặt đường cao (khoảng 30 năm, cao gấp 2 lần so với mặt đường BTN), ít tốn kém duy tu, bảo dưỡng. Mặt đường BTXM rất ổn định với nước, chịu được ngập lụt lâu ngày. Bên cạnh đó, vật liệu xây dựng mặt đường là vật liệu trong nước, giảm nhập khẩu nhựa đường; kỹ thuật thi công đa dạng, với thiết bị hiện đại, có thể cơ giới hóa toàn bộ, từ các khâu trộn, vận chuyển, rải đầm; BTXM thi công theo phương pháp trộn nguội, dễ kiểm soát chất lượng và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng BTXM để xây dựng đường giao thông đã và đang được nhiều nước trên thế giới thực hiện, nhất là trên các trục đường giao thông chính, đường cao tốc. Các nước phát triển trong khu vực châu Á như Trung Quốc, Thái Lan, Nhật Bản, loại mặt đường BTXM chiếm từ 30% đến 40% tổng chiều dài các đường cao tốc và đường trục chính.

Cũng theo xu hướng đó, ở nước ta, mặt đường BTXM đã được xây dựng từ những năm 80 của thế kỷ trước và ngày càng được sử dụng nhiều trong các dự án đường giao thông quan trọng như: QL1, đường Hồ Chí Minh, đường Trường Sơn Đông, đường Tuần tra biên giới và trên hầu hết các sân bay quân sự và dân sự… Công tác đánh giá sức chịu tải (SCT) của loại mặt đường này rất cần thiết cả trong nghiệm thu mặt đường mới cũng như khai thác và sửa chữa mặt đường cũ.

Để tiến hành đánh giá SCT của mặt đường cứng BTXM, ở Việt Nam vẫn dùng phương pháp khoan lấy mẫu đưa về phòng thí nghiệm (PTN) đánh giá cường độ. Cách tiến hành như vậy gây ảnh hưởng đáng kể tới tính toán khối của kết cấu (do để lại các lỗ khoan, mặc dù được lấp nhưng vẫn không đạt như trạng thái nguyên trạng ban đầu), đồng thời cản trở hoạt động khai thác của mặt đường (nhất là mặt đường sân bay), tốn thời gian lấy mẫu, thí nghiệm trong phòng… Khắc phục những nhược điểm đó, các phương pháp thí nghiệm không phá hủy, với thiết bị đồng bộ, cho phép đánh giá SCT mặt đường một cách nhanh chóng, chính xác mà lại không ảnh hưởng tới tính toàn khối của kết cấu. Thông qua bài báo, các tác giả giới thiệu kết quả thực nghiệm đánh giá SCT mặt đường BTXM bằng phương pháp không phá hủy sử dụng thiết bị đo động FWD chuyên cho đánh giá mặt đường mềm hiện đang được sử dụng ở Việt Nam.

2. Cơ sở lý thuyết xác định SCT tĩnh của mặt đường btxm bằng thiết bị đo động FWD

2.1. Cơ sở tính toán mô-đun đàn hồi nền từ số liệu đo độ võng hiện trường

Trong hướng dẫn thực hành của Cục Hàng không Liên bang Mỹ (FAA), người ta đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xác định sự tương quan giữa hình dạng độ cong mặt võng tấm (thông qua độ võng một số điểm trên chậu võng) với độ cứng tấm, thông qua tham số đặc trưng khả năng chống biến dạng tấm bê tông (đặc trưng đàn hồi tấm). Phương pháp đánh giá này còn được gọi là phương pháp AREA. Để tiến hành xác định tham số AREA, người ta dùng bốn đầu đo chuyển vị để đo độ võng mặt tấm w₀, w₁, w₂, w₃ tại các vị trí tương ứng: Tâm tải trọng và cách tâm tải trọng lần lượt là 12, 24 và 36 inch (tương đương 30, 60 và 90cm). Tham số AREA được xác định bởi, [2]:   

 

                                                   

 

 

 

 

 

Để phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế, ta phải quy đổi mô-đun đàn hồi động tương đương của móng và nền dưới đáy tấm BTXM mặt đường về mô-đun tĩnh. Sự khác biệt của mô đun đàn hồi động so với mô-đun đàn hồi tĩnh phụ thuộc loại vật liệu lớp móng, loại đất nền, độ cứng của tấm bê tông mặt đường và tốc độ gia tải của tải trọng thử nghiệm. Do đất nền đường là vật liệu lưu biến có đặc tính đàn nhớt, nên giá trị mô-đun đàn hồi động của nền tương đương lớn hơn giá trị mô-đun đàn hồi tĩnh của nó. Kiến nghị sử dụng kết quả nghiên cứu thực nghiệm của GS. TS. Phạm Cao Thăng và các cộng sự, đối với đất sét chịu tác dụng của tải trọng động với vận tốc xe chạy 60 - 80km/h, ta có [1]:

 

 

 

2.2. Cơ sở tính toán sức chịu tải mặt đường BTXM tại thời điểm đánh giá

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều phương pháp tính toán tấm bê tông mặt đường một lớp chia thành ba nhóm: Nhóm phương pháp lý thuyết, nhóm phương pháp thực nghiệm và nhóm phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Bài báo giới thiệu lời giải của M. Gorbunov-Possađov, hiện đang được ứng dụng trong quy trình thiết kế mặt đường cứng của Nga (BCH 197-91). Mô-men uốn tính toán trong tấm do tải trọng bánh xe khai thác P_tt, gây ra được xác định theo công thức thực nghiệm:

 

 

 

 

 

 

Trong đó: Cường độ chịu kéo uốn tại thời điểm thí nghiệm, theo công thức thực nghiệm của Viện Bê tông Hoa Kỳ:            

 

 

 

 

 

Để xác định sức chịu tải của mặt đường, ta cho σ_tt bằng cường độ kéo uốn tính toán tại thời điểm thí nghiệm của bê tông mặt đường, tính theo (8) và (9). Thay vào (7), tính được M_tt cho phép của mặt đường. Biết M_tt, áp dụng (6) ta dễ dàng xác định sức chịu tải  của mặt đường cần kiểm tra.

3. Kết quả thực nghiệm đánh giá sct tĩnh của mặt đường BTXM từ số liệu đo võng fwd

3.1. Giới thiệu thiết bị và sơ đồ thí nghiệm

Sử dụng bộ thiết bị thí nghiệm Pave-FWD-150 kéo theo xe ô tô của hãng Pavetesting, nước Anh. Thiết bị thí nghiệm đồng bộ bao gồm: Bộ phận gia tải có thể tác dụng tải xung lớn nhất lên mặt đường đạt 150kN; 9 đầu đo chuyển vị động, có thể thay đổi khoảng cách đến tâm gia tải, được kết nối trực tiếp với máy tính cho phép trực tiếp ghi và xử lý các số liệu thu thập được ngay tại hiện trường.

Đoạn đường thí nghiệm tại QL18, xây dựng từ năm 2002 có mặt đường 2 làn xe rộng 2 x 3,5m. Kích thước tấm BTXM trên mặt bằng là  3,5 x 5m.

Kết cấu mặt đường cần đánh giá SCT có cấu tạo: Trên cùng là tấm BTXM được thiết kế mác 350 dày 24cm; dưới tấm BTXM là lớp móng cát gia cố xi măng 6% dày 18cm; dưới cùng là nền đất đầm chặt K98. Giữa tấm BTXM mặt đường và lớp móng cát gia cố xi măng bố trí 2 lớp giấy dầu tạo phẳng để giảm ma sát đáy tấm.

Tiến hành thí nghiệm gia tải tại tâm tấm cho cả hai làn xe của đoạn đường thử nghiệm. Mỗi vị trí đo tiến hành gia tải 3 ÷ 5 lần để kiểm tra sai số. Chậu võng mặt đường nhận được thông qua phương pháp lấy trung bình cộng từ các số liệu đo võng thỏa mãn sai số cho phép. Trên cơ sở đó, xác định SCT măt đường như giới thiệu ở mục 2.

Hình 3.1: Thí nghiệm FWD tại hiện trường

3.2. Một số kết quả đo võng hiện trường và xử lý đánh giá SCT tĩnh của mặt đường BTXM

a - Làn phải theo hướng đi                  b - Làn trái theo hướng đi

Hình 3.2: Kết quả thí nghiệm FWD tại mặt cắt số 1

 

a - Làn phải theo hướng đi                  b - Làn trái theo hướng đi

Hình 3.3: Kết quả thí nghiệm FWD tại mặt cắt số 2

a - Làn phải theo hướng đi                 b - Làn trái theo hướng đi

Hình 3.4: Kết quả thí nghiệm FWD tại mặt cắt số 3

Sử dụng các công thức (1), (2) xác định đặc trưng đàn hồi tấm bê tông mặt đường, sử dụng công thức (4), (5) tính toán giá trị mô-đun đàn hồi tĩnh của nền tương đương dưới đáy tấm. Cuối cùng áp dụng công thức (6) ta tính được SCT của mặt đường. Kết quả đánh giá SCT mặt đường từ số liệu đo võng hiện trường bằng thiết bị FWD được tổng hợp trong Bảng 3.1:

Bảng 3.1

TT	Vị trí đánh giá	Tải trọng trục
		cho phép khai thác (T)
1	Mặt cắt 1-1
	Làn phải	9,66
	Làn trái	10,26
2	Mặt cắt 2-2
	Làn phải	8,85
	Làn trái	8,96
3	Mặt cắt 3-3
	Làn phải	8,16
	Làn trái	8,27

Nhận xét kết quả:

Trong bài báo mới tính toán SCT tối đa cho một lần tác dụng của tải trọng. Theo thiết kế ban đầu, mặt đường được thiết kế với xe tiêu chuẩn trục 12T và chịu được tải trọng xe nặng cá biệt 13T. Kết quả này tính tại tâm tải trọng, chưa xét tới ảnh hưởng của chất lượng khe co dãn mặt đường. Kết quả đánh giá trên đoạn thí nghiệm cho thấy cường độ mặt đường đã suy giảm nhiều, không còn đảm bảo yêu cầu khai thác trục xe tiêu chuẩn như thiết kế ban đầu.

Để đánh giá tuổi thọ còn lại khi khai thác trục xe tiêu chuẩn, trong đại lượng cường độ kéo uốn còn lại tại thời điểm đánh giá (R_ku) cần xét thêm hệ số độ bền mỏi xét đến ảnh hưởng trùng phục của tải trọng. Trong bài báo chưa xét tới vấn đề này.

4. Kết luận - kiến nghị

4.1. Kết luận

Có thể sử dụng thiết bị đo động FWD và phương pháp tính toán nêu trên trong đánh giá SCT mặt đường BTXM đường ô tô và sân bay ở Việt Nam hiện nay. Kết quả thí nghiệm phù hợp và có thể tin cậy được.

4.2. Kiến nghị

Kiến nghị sử dụng phương pháp đánh giá SCT tĩnh mặt đường BTXM dùng thiết bị FWD trong kiểm tra nghiệm thu mặt đường BTXM cũng như đánh giá mặt đường cũ phục vụ công tác khai thác và sửa chữa các tuyến đường hiện hữu.

Tài liệu tham khảo

[1]. KS. Trần Thuận Lợi, PGS. TS. Phạm Cao Thăng, ThS. Nguyễn Văn Hiếu (2012), Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô-đun đàn hồi động của nền mặt đường BTXM, Tạp chí Cầu đường, số 3.

[2]. GS. TS. Phạm Cao Thăng (2011), Tính toán thiết kế các kết cấu mặt đường, NXB. Xây dựng.

[3]. Gluskov Γ (1977), Khảo sát thiết kế kết cấu mặt đường cứng ô tô và sân bay, Maxcơva.