Sử dụng thiết bị gia tải động FWD để đánh giá cường độ nền đất và kiểm tra khả năng chịu tải của mặt đường bê tông xi măng

TS. Ngô Việt Ðức TS. Vũ Ngọc Trụ Trường Ðại học Xây dựng Người phản biện: PGS. TS. Hoàng Tùng PGS. TS. Bùi Phú Doanh

TÓM TẮT: Bài báo giới thiệu thiết bị FWD PRIMAX 1500, các số liệu đầu ra của thiết bị và việc sử dụng chúng để đánh giá cường độ nền đất, cường độ tấm bê tông xi măng (BTXM), từ đó dự báo được khả năng làm việc hiện hữu của mặt đường BTXM. Các kết quả giúp chúng ta có những đánh giá về chất lượng thực tế của các lớp vật liệu và nền đất cũng như dự báo khả năng làm việc còn lại của mặt đường. Đây là công việc rất có ý nghĩa khi khảo sát đánh giá các tuyến đường cũ hoặc phục vụ công tác nghiệm thu nền mặt đường.

TỪ KHÓA: Mặt đường bê tông xi măng, tải trọng động, thiết bị đo động FWD.

Abstract: This paper introduce a FWD PRIMAX 1500 device, and its outputs that are used to evaluate strength of subgrade and cement concrete slabs. As a result, load bearing capacity of rigid pavement can be forecasted. The result of this prediction can evaluate quality of current pavement layer and subgrade and rest capacity of the pavement. This evaluation is essential for assessing existing roads and acceptance inspection of pavement structure.

Keywords: Cement concrete, dymamic load, dynamic instrumentation FWD.

1. Cơ sở lý thuyết sử dụng thiết bị FWD để đánh giá tình trạng mặt đường

1.1. Nguyên tắc hoạt động chung của thiết bị FWD

Phần chính của thiết bị là bộ phận gia tải, các đầu đo độ võng và phần mềm tính toán. Tải trọng va đập tác dụng lên mặt đường do vật nặng có khối lượng nhất định rơi từ độ cao định trước xuống hệ thống đệm cao su và truyền tải trọng xuống mặt đường. Đầu đo tải trọng gắn tại tâm truyền tải, xác định giá trị tải trọng P. Chuyển vị đứng tại tâm truyền tải và tại các điểm cách tâm truyền tải các khoảng cách nhất định được ghi lại bằng các đầu đo chuyển vị (sensor). Áp lực tác dụng lên mặt đường được điều chỉnh theo khối lượng và chiều cao rơi của vật nặng. Độ võng trên bề mặt và giá trị mô-đun đàn hồi động được tính toán từ số liệu đầu ra của các đầu đo.

1.2. Đánh giá khả năng hiện hữu của nền mặt đường dựa vào kết quả đo

Sau mỗi lần đo, thông số tại các đầu đo chuyển vị sẽ cho ra hình ảnh của chậu võng tại vị trí đo ứng với cấp tải trọng khai báo (Hình 1.1b) và trị số mô-đun đàn hồi động của hệ nền mặt đường tại từng vị trí đặt đầu đo. Các giá trị này cho chúng ta biết giá trị mô-đun đàn hồi chung của hệ nền mặt đường, của nền đất phía dưới kết cấu áo đường. Ngoài ra, dựa vào số liệu đo còn có thể đánh giá được chất lượng của các lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường, khảo sát sự tiếp xúc giữa tấm BTXM mặt đường và tầng móng, đánh giá chất lượng và khả năng truyền lực của khe nối… Trong bài báo, chúng tôi tập trung phân tích làm rõ việc khai thác số liệu đo từ thiết bị FWD để khảo sát, đánh giá khả năng chịu lực của nền đất và tấm BTXM mặt đường.

 

Hình 1.1: Thiết bị thí nghiệm FWD PRIMAX 1500

2. Thông số của mặt đường và kết quả thu được từ thiết bị FWD

2.1. Thông số cơ bản của mặt đường và sơ đồ bố trí điểm đo

Đoạn tuyến khảo sát thuộc đoạn thử nghiệm mặt đường BTXM trong đề tài “Nghiên cứu thiết kế, thi công khe nối mặt đường BTXM trong điều kiện Việt Nam”, mã số RD 59-14. Mặt đường BTXM phân tấm mác 250, các tấm có kích thước 3,5×5m, dầy 22cm, đặt trực tiếp trên nền đất đã lu lèn tạo phẳng và giữa các tấm không bố trí thép liên kết. Để khảo sát sức chịu tải của nền mặt đường, các điểm đo được bố trí giữa các tấm. Hướng đặt máy dọc theo tuyến, như mô tả trên Hình 2.1:

Hình 2.1: Hướng máy và sơ đồ các điểm đo trên mặt đường BTXM phân tấm

2.2. Kết quả thu được từ thiết bị FWD

Chậu võng của mặt đường tại từng điểm đo được xây dựng từ kết quả tại các đầu đo chuyển vị bố trí dọc thân máy. Trên thiết bị FWD PRIMAX 1500 có 10 đầu đo với khoảng cách đến tâm đĩa lần lượt là: 0, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180 và 210cm. Trị số độ võng tại các đầu đo mô tả chính xác một nửa hình dáng của chậu võng. Từ các giá trị này, phần mềm tính toán đi kèm tính ra mô-đun đàn hồi động tương ứng tại từng vị trí đo.

Bảng 2.1. Ví dụ kết quả đo độ võng, mô-đun đàn hồi động của thiết bị FWD

3. Sử dụng kết quả đo xác định mô-đun đàn hồi của nền đất và tấm BTXM mặt đường

3.1. Xác định mô-đun đàn hồi của nền đất

3.1.1. Cơ sở xác định mô đun đàn hồi động của đất nền từ số liệu đo của thiết bị FWD

Trên Hình 3.1 là sơ đồ vùng phân bố ứng suất trong các lớp dưới tác dụng của tải trọng. Các lớp vật liệu càng cứng (mô-đun đàn hồi càng lớn) thì góc phân bố xuống lớp dưới càng rộng (bán kính vùng phân bố ứng suất do tải trọng gây ra càng rộng). Do vậy, khi đầu đo chuyển vị của thiết bị nằm ngoài phạm vi phân bố ứng suất tại đáy lớp vật liệu thì trị số đo được chỉ phản ánh khả năng chịu tải của các lớp nằm dưới lớp đó [1]. Như vậy, với số liệu thu được từ các đầu đo chuyển vị, cho phép ta đánh giá khả năng của kết cấu nói chung và mỗi lớp nói riêng, đặc biệt là nền đất.

3.1.2. Kết quả đo từ FWD

 Thông số về độ võng và mô-đun đàn hồi của nền mặt đường được tổng hợp trong Hình 3.2.

 3.1.3. Nhận xét                    

Từ các kết quả đo có thể thấy, càng xa tâm bàn ép mô-đun đàn hồi của hệ nền mặt đường giảm dần và đạt giá trị gần như không đổi, chính là giá trị mô-đun đàn hồi động của nền đất. Có thể giải thích là do các đầu đo từ vị trí này trở ra đã nằm ngoài phạm vi vùng ứng suất, nên các thông số đo được chỉ bị ảnh hưởng bởi độ võng của nền đất. Tùy vị trí đo, giá trị đo được dao động trong khoảng 95 đến 110Mpa, phản ánh sự không đồng đều của nền đất. Theo [2] có thể tính được mô-đun đàn hồi tĩnh của nền đất trong khoảng 45 đến 50Mpa.

3.2. Xác định mô-đun đàn hồi thực tế của tấm BTXM

Giả thiết nền đất đồng nhất, có mô-đun đàn hồi 45Mpa. Giá trị mô-đun đàn hồi của tấm BTXM mặt đường được xác định bằng cách so sánh độ võng thực tế đo bằng thiết bị FWD và giá trị tính toán theo bài toán của Westegaard, phương pháp này xây dựng quan hệ giữa độ võng và tải trọng tác dụng lên kết cấu mặt đường BTXM cho bài toán cơ bản tấm trên nền đàn hồi [1]. Với tải trọng đặt tại giữa tấm, độ võng lớn nhất được tính theo:

 

 

 

 

 

Giá trị mô-đun đàn hồi của tấm BTXM mặt đường được lựa chọn sao cho độ võng tính toán theo công thức (1) gần với giá trị đo từ thiết bị FWD. Kết quả tính được giới thiệu trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Mô-đun đàn hồi tính toán của tấm BTXM trong đoạn thí nghiệm

Độ võng đo từ FWD (μm)	Giá trị nhỏ nhất	Giá trị lớn nhất
	496	562
Eb tính toán (Mpa)	23.540	22.320

Kết quả trên cho thấy, tấm BTXM mặt đường gần đạt mác thiết kế 250 (E_b ≈ 26.000Mpa).

4. DỰ KIẾN KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA MẶT ĐƯỜNG

Khả năng làm việc của mặt đường được thể hiện thông qua việc dự báo số trục xe tiêu chuẩn 100kN tích lũy mà mặt đường có thể chịu được. Theo 3230/QĐ-BGTVT [3], số trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong suốt thời hạn phục vụ (N_e) được tính thông qua hệ số mỏi của tấm BTXM mặt đường khi chịu ứng suất kéo uấn trùng phục k_f:

k_f = N_e^0.057       (3)

Các thông số cần xác định:

- Mô-men uốn tính toán do tải trọng xe gây ra, xác định theo công thức thực nghiệm [4]:

M_tt = k×P_tt×(0,0592 - 0,2137×lnλ)          (4)

Trong đó: k - Hệ số chuyển đổi mô-men từ tâm tấm ra cạnh tấm, lấy bằng 1,5 khi cạnh tấm tự do; λ - Bán kính chuyển đổi vệt bánh xe, λ = a/L.

- Ứng suất kéo uấn tính toán:

 

 

 

- Cường độ chịu kéo uốn của tấm BTXM có mô-đun đàn hồi khoảng 23.000Mpa, theo [3] xác định được R_ku = 3Mpa.

- Hệ số mỏi k_f, thỏa mãn điều kiện sau:

γ_r×k_f×σ_tt ≤ R_ku                       (6)

Với γ_r = 1,05 là hệ số độ tin cậy thiết kế, tùy thuộc vào cấp đường [6]

Kết quả tính được tổng hợp trong bảng sau:

Bảng 4.1. Tổng hợp kết quả dự kiến khả năng làm việc của mặt đường BTXM

Mtt (kN)	σtt (Mpa)	Rku (Mpa)	kf	Ne (trục TC)
11,495	1,425		2,005	199.664

Vậy, mặt đường hiện hữu có thể chịu được khoảng 200.000 lượt tác dụng của trục xe tiêu chuẩn 100kN. Nói cách khác, nếu giả thiết lưu lượng xe hiện tại là 50 trụcTC/ngày đêm và hệ số tăng trưởng xe hàng năm là 5% thì cường độ mặt đường có thể đáp ứng được trong 10 năm.

5. Kết luận

Thiết bị FWD PRIMAX 1500 cho ra kết quả là độ võng và mô-đun đàn hồi chung của hệ nền mặt đường, đây là các thông số quan trọng để đánh giá khả năng làm việc hiện hữu của kết cấu áo đường.

Mô-đun đàn hồi động và tĩnh của nền đất có thể được xác định trực tiếp từ các số liệu đo độ võng. Trong đoạn tuyến khảo sát, mô-đun đàn hồi tĩnh của nền đất trong khoảng 45 đến 50Mpa, tương ứng với CBR khoảng 15%, gần với giá trị thực nghiệm tại hiện trường. Việc kiểm tra chất lượng BTXM làm mặt đường cho thấy cường độ bê tông gần đạt so với giá trị thiết kế.

Dự báo khả năng làm việc của nền mặt đường cho thấy tuyến đường khảo sát có thể chịu được 200.000 lần tác dụng của tải trọng trục tiêu chuẩn.

Tài liệu tham khảo

[1]. GS. TS. Dương Ngọc Hải, GS. TS. Nguyễn Xuân (2014), Thiết kế đường ô tô, tập 2, NXB. Giáo dục.

[2].  KS. Trần Nhuận Lơi, , GS. TS. Phạm Cao Thăng, ThS. Nguyễn Văn Hiếu, Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô-đun đàn hồi động của nền mặt đường BTXM, Tạp chí Cầu đường, số 3/2012.

[3]. 3230/QĐ-BGTVT (2012), Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường BTXM thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông.

[4]. GLUSKOV (1977), Khảo sát thiết kế kết cấu mặt đường cứng ô tô và sân bay, Maxcova.