Nhiệt độ tính toán lớp mặt đường bê tông nhựa trong kết cấu áo đường mềm khu vực Nam bộ và một số kiến nghị

TS. Nguyễn Thống Nhất Trường Ðại học Tôn Ðức Thắng ThS. Trần Văn Thiện Trường Ðại học Văn Lang Người phản biện: TS. Nguyễn Kế Tường

TÓM TẮT: Bài báo trình bày thực nghiệm hiện trường đo đạc nhiệt độ không khí, nhiệt độ bề mặt mặt đường bê tông nhựa (BTN) và nhiệt độ ở độ sâu 2cm, 5cm, 7cm, 12cm trong BTN, vận tốc gió và độ ẩm môi trường của một số trạm đo khu vực TP. Hồ Chí Minh, Bình Dương và khu vực tỉnh Long An, kết hợp với nhiệt độ từ các trạm của trung tâm khí tượng thủy văn khu vực TP. Hồ Chí Minh và TP. Cần Thơ trong 21 năm. Từ những kết quả thí nghiệm tìm ra phương trình quan hệ của các tham số: Nhiệt độ môi trường, vận tốc gió, độ ẩm và nhiệt độ trong BTN ở khu vực Nam bộ, đồng thời kiến nghị nhiệt độ tính toán cho BTN trong kết cấu áo đường trong giai đoạn thiết kế.

TỪ KHÓA: Kết cấu áo đường mềm, Đông Nam bộ.

Abstract: This paper presents experimental measurements of air temperature at the field, surface temperature of asphalt concrete pavement and temperature at a depth of 2cm, 5cm, 7cm, 12cm in concrete and plastic, wind speed and humidity of the environment at regional stations in Ho Chi Minh city, Binh Duong and Long An province together  with the information from the central station meteorological area of Ho Chi Minh City and Can Tho City in 21 years. From the results of experiments, we have the relationship of the equation parameters: ambient temperature, wind speed, humidity as well as temperature in the asphalt concrete at the Southern region. By the way, the calculating temperature of asphalt concrete pavement structure during the design phase is petitioned.

KEYWORDS: Structural pavement, Southeast.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Những năm gần đây, mặt đường BTN được sử dụng rộng rãi ở khu vực Nam bộ, không những trên đường ô tô cấp cao và đường cao tốc mà cả các cấp đường thấp hơn như đường liên huyện, liên tỉnh trong khu vực. Đặc biệt, ở TP. Hồ Chí Minh trên 95% đường làm lớp mặt là BTN.

Hiện nay, có nhiều loại BTN, mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Loại BTN thông thường sử dụng ở nước ta hiện nay có ưu điểm là giá thành hợp lý, công nghệ sản xuất BTN và thi công không phức tạp và cán bộ kỹ thuật và công nhân có nhiều kinh nghiệm trong thi công mặt đường BTN này. Nhưng loại vật liệu này có một số nhược điểm là khả năng chống biến dạng ở nhiệt độ cao kém nên hiện tượng xô dồn, nứt trượt và lún vệt bánh xe, giảm cường độ chung của toàn bộ kết cấu áo đường do mô-đun biến dạng của bản thân vật liệu BTN bị giảm nhiều ở nhiệt độ cao, tính ma sát và độ nhám cũng giảm khi mặt đường sau một thời gian ngắn đưa vào khai thác như: Đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây, đường trục Đông Tây TP. Hồ Chí Minh (đường Võ Văn Kiệt), đường Bắc Nam (đường Nguyễn Hữu Thọ), QL1 đoạn tỉnh Long An, Tiền Giang và TP. Hồ Chí Minh…

Trên các tuyến đường chính khu vực Nam bộ, đặc biệt là các tuyến phía đông TP. Hồ Chí Minh đi các địa phương Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu và các tuyến của ngõ phía Tây thành phố đi các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, đường vào cảng Cát Lái và cảng Hiệp Phước, TP. Hồ Chí Minh, Đại lộ Đông Tây TP. Hồ Chí Minh (đường Võ Văn Kiệt) đã có sự tăng trưởng lớn về lưu lượng xe tải trọng nặng làm mặt đường nhanh chóng xuống cấp, với các dạng hư hỏng phổ biến như: Xô dồn, nứt trượt và lún vệt bánh xe. Tình trạng nặng hơn ở các vị trí nút giao thông, đường vào nút, trên các làn xe tải trọng nặng thường xuyên lưu thông.

Tại Nam bộ, những hư hỏng thường gặp trên mặt đường BTN như: Biến dạng, xô dồn, trượt, chảy nhựa, nứt vỡ, ổ gà và lún vệt bánh xe. Những năm gần đây, hiện tượng hằn lún vệt bánh xe xuất hiện khá phổ biến trên các đường cấp cao và cao tốc có lưu lượng xe tải trọng nặng lưu thông diễn biến phức tạp, làm suy giảm chất lượng khai thác mặt đường, gây nguy hiểm cho người và phương tiện chạy trên đường và gây bức xúc trong xã hội.

Trong các hư hỏng phổ biến trên thì hư hỏng do lún vệt bánh xe là câu chuyện thời sự trong thời gian gần đây, vì thế đã có nhiều cuộc hợp, hội thảo qui tụ nhiều nhà khoa học và chuyên gia trong lĩnh vực GTVT thảo luận, trao đổi để tìm ra các nguyên nhân và cách khắc phục hiện tượng này. 

2. ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ KHU VỰC NAM BỘ

Khí hậu cơ bản của khu vực Nam bộ là nhiệt đới. Nhiệt độ thấp nhất không dưới 10^oC, nhiệt độ cao nhất vượt 40^oC ở phía Bắc và miền Đông Nam bộ, đạt 35 - 40^oC ở phía Nam. Số giờ nắng trung bình trong ngày 6 giờ đến 8 giờ, lượng bức xạ tương ứng là 368,5 cal/cm². Có hai mùa rõ rệt trong năm, mùa nắng từ tháng 9 đến tháng 4 năm sau. Cường độ mưa khá lớn, ít chịu ảnh hưởng của bão.

Bảng 2.1. Đặc trưng nhiệt độ của khu vực Đông Nam bộ

STT	Chỉ tiêu	Nhiệt độ
1	Nhiệt độ không khí trung bình 7 ngày cao nhất của 21 năm (1995 - 2015)	38,83oC
2	Nhiệt độ không khí trung bình của 21 năm (1995 - 2015)	28,12oC
3	Nhiệt độ không khí 1 ngày của 21 năm (1995 - 2015)	16,4oC

Bảng 2.2. Đặc trưng nhiệt độ của Tây Nam bộ

 

STT	Chỉ tiêu	Nhiệt độ
1	Nhiệt độ không khí trung bình 7 ngày cao nhất của 21 năm (1995-2015)	36,14oC
2	Nhiệt độ không khí trung bình của 21 năm (1995 - 2015)	27,13oC
3	Nhiệt độ không khí 1 ngày của 21 năm (1995 - 2015)	17oC

3. PHƯƠNG TRÌNH QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ MẶT ĐƯỜNG BTN (T), NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ (T_KK ), ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ (W) VÀ TỐC ĐỘ GIÓ (V)

Qua phân tích các đồ thị trên ta có dạng hàm nhiệt độ của BTN ở độ sâu 2cm (T₂) cách bề mặt đường 2cm, nhiệt độ BTN ở độ sâu 5cm (T₅) cách bề mặt đường và dạng hàm nhiệt độ bề mặt mặt đường có dạng:

T = f(T_kk,W) = aT_kk  + bW² +cW + dV + e (1)

Giải phương trình hồi qui dạng:

T = aT_kk + bW² + cW + dV + e

Bằng phương pháp bình phương cực tiểu xác định các hệ số a, b, c, d và e sao cho tổng bình phương của các sai số nói trên là bé nhất.

Phương trình hồi qui có dạng:

T = f(T_kk,W) = aT_kk + bW² + cW + dV + e

Sai số:

v_i = (aT_kk + bW² +cW+dV+e)   T_i   với i= 1, 2, 3..., n.   

Tổng các phương trình:

 

 

 

 

Giải hệ phương trình ta tìm được các hệ số a,b,c và d cho trường hợp nhiệt độ ở độ sâu h = 2cm, h = 5cm và bề mặt mặt đường như sau:

Trường hợp biểu thức nhiệt độ bề mặt mặt đường:

 

 

 

 

Trong đó:

T_mđ - Nhiệt độ cần tính bề mặt mặt đường (^oC);

T_kk - Nhiệt độ không khí (^oC);

W - Độ ẩm không khí (%);

V - Tốc độ gió (m/s);

Miền giới hạn T_kk: 24^oC - 40^oC.

4. NHIỆT ĐỘ TRONG TẦNG MẶT BTN PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ VÀ CHIỀU SÂU

Qua phân tích các đồ thị trên ta có dạng hàm nhiệt độ của BTN ở độ sâu bất kỳ có dạng hàm nhiệt độ bề mặt mặt đường có dạng:

T_h = f(T_kk,H) = aT_kk  + bln(H+0.01) + c      (4)

Giải phương trình hồi qui dạng  T_h =  aT_kk  + bln(H+0.01) + c bằng phương pháp bình phương cực tiểu. Phương pháp này nhằm xác định các hệ số a, b và c sao cho tổng bình phương của các sai số nói trên là bé nhất.

Phương trình hồi qui có dạng T = f(T_kk,H) = aT_kk + bln(H+0.01) + c

Sai số: v_i = (aT_kk + bln(H+0.01)+c) T_i  với i= 1, 2, 3..., n.   

Tổng các phương trình:

 

 

 

 

 

 

Trong đó:

T_h- Nhiệt độ cần tính ở độ sâu H cách mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu (mm);

T_kk- Nhiệt độ không khí (^oC);

Miền giới hạn T_kk: 24^oC - 40^oC.

5. NHIỆT ĐỘ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ

Phương trình quan hệ nhiệt độ bê tông nhựa theo nhiệt độ không khí và theo chiều sâu:

T_h = 2.312T_kk -  0.121ln(H+0.01) - 28.521   

Trong đó:

T_h- Nhiệt độ cần tính ở độ sâu H cách mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu (mm);

Nhiệt độ cao tính toán là nhiệt độ ở độ sâu 20mm khu vực Đông Nam bộ là:

T_20mm = 2,312T^max_TB -  0,121ln(H+0.01) - 28,521   

Trong đó:

T_20mm- Nhiệt độ cần tính ở độ sâu 20mm cách mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu 20 (mm);

T^max_kk= 38,83^oC nhiệt độ không khí cao khu Đông Nam bộ.

T_20mm = 2,312*38,83 -  0,121*ln(20+0,01) - 28,521   

T_20mm = 60,89^oC

Nhiệt độ ở độ sâu 20mm khu vực Đông Nam bộ là:

T_20mm = 2,312T^kk_TB -  0,121ln(H+0,01) - 28,521   

Trong đó:

T_20mm- Nhiệt độ cần tính ở độ sâu 20mm cách mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu 20(mm);

T^kk_TB= 28,12^oC nhiệt độ không khí cao khu Đông Nam bộ.

T_20mm = 2,312*28,12 -  0,121*ln(20+0,01) - 28,521   

T_20mm = 36,13^oC

Nhiệt độ thấp tính toán là nhiệt độ ở mặt đường khu vực Đông Nam bộ là:

T_mđ = 2,312T^kk_min -  0,121ln(H+0,01) - 28,521   

Trong đó:

T_mđ- Nhiệt độ cần tính ở mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu 0(mm);

T^kk_min= 16,4^oC nhiệt độ không khí cao khu Đông Nam bộ.

T_mđ = 2,312*16,4 -  0,121*ln(0+0,01) - 28,521   

T_mđ = 9,953^oC = 10^oC

Đề xuất nhiệt độ tính toán kết cấu áo đường cho khu vực Đông Nam bộ

 

Căn cứ	Chỉ tiêu	Nhiệt độ tính toán
22 TCN 211-06	Tính toán cường độ theo TC độ lún đàn hồi của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	30oC
	Tính toán theo TC chịu kéo uốn của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	10 - 15oC
	Tính toán theo điều kiện cân bằng trượt của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	Lớp dưới lấy 30oC Lớp trên cùng lấy 60oC
Đề xuất	Tính toán cường độ theo TC độ lún đàn hồi của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	36oC
	Tính toán theo TC chịu kéo uốn của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	10oC
	Tính toán theo điều kiện cân bằng trượt của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	Lớp dưới lấy 36oC Lớp trên cùng lấy 61oC

6. NHIỆT ĐỘ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM KHU VỰC TÂY NAM BỘ

Phương trình quan hệ nhiệt độ BTN theo nhiệt độ không khí và theo chiều sâu:

T_h = 2,312T_kk -  0,121ln(H+0,01) - 28,521   

Trong đó:T_h- Nhiệt độ cần tính ở độ sâu H cách mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu (mm);

Nhiệt độ cao tính toán là nhiệt độ ở độ sâu 20mm khu vực Tây Nam bộ là:

T_20mm = 2,312T^max_TB -  0,121ln(H+0,01) - 28,521   

Trong đó: T_20mm- Nhiệt độ cần tính ở độ sâu 20mm cách mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu 20(mm);

T^max_kk= 36,14^oC nhiệt độ không khí cao khu Đông Nam bộ.

T_20mm = 2,312*36,14 -  0,121*ln(20+0,01) - 28,521   

T_20mm = 54,67^oC

Nhiệt độ ở độ sâu 20mm khu vực Tây Nam bộ là:

T_20mm = 2,312T^kk_TB -  0,121ln(H+0,01) - 28,521   

Trong đó:T_20mm- Nhiệt độ cần tính ở độ sâu 20mm cách mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu 20(mm);

T^kk_TB = 27,13^oC nhiệt độ không khí cao khu Tây Nam bộ.

T_20mm = 2,312*27,13 -  0,121*ln(20+0,01) - 28,521   

T_20mm = 33,84^oC

Nhiệt độ thấp tính toán là nhiệt độ ở mặt đường khu vực Tây Nam bộ là:

T_mđ = 2,312T^kk_min -  0,121ln(H+0,01) - 28,521   

Trong đó: T_mđ- Nhiệt độ cần tính ở mặt đường (^oC);

H - Chiều sâu 0(mm);

T^kk_min= 17,0^oC nhiệt độ không khí cao khu Tây Nam bộ.

T_mđ = 2,312*17 -  0,121*ln(0+0,01) - 28,521   

T_mđ = 11.34^oC

Đề xuất nhiệt độ tính toán kết cấu áo đường cho khu vực Tây Nam bộ

Căn cứ	Chỉ tiêu	Nhiệt độ tính toán
22 TCN 211-06	Tính toán cường độ theo TC độ lún đàn hồi của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	30oC
	Tính toán theo TC chịu kéo uốn của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	10-15oC
	Tính toán theo điều kiện cân bằng trượt của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	Lớp dưới lấy 30oC Lớp trên cùng lấy 60oC
Đề xuất	Tính toán cường độ theo TC độ lún đàn hồi của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	34oC
	Tính toán theo TC chịu kéo uốn của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	12oC
	Tính toán theo điều kiện cân bằng trượt của BTN và các hỗn hợp đá nhựa	Lớp dưới lấy 34oC Lớp trên cùng lấy 60oC

Tài liệu tham khảo

[1]. Số liệu nhiệt độ không khí của đài Khí tượng thủy văn Nam bộ từ 1995 đến 2015.

[2]. PGS. TS. Trần Thị Kim Đăng (2010), Độ bền khai thác & tuổi thọ kết cấu mặt đường BTN, NXB. GTVT, Hà Nội.

[3]. Trần Thị Kim Đăng, Vũ Đức Chính (2009), Một số vấn đề trong thực tế thiết kế kết cấu mặt đường mềm sử dụng tiêu chuẩn thiết kế hiện hành và giải pháp, Tạp chí khoa học GTVT, số 28.

[4]. Bộ GTVT (2007), Qui trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06, NXB. GTVT.

[5]. Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054-2005, NXB. GTVT, 2007.