Thiết kế mặt đường mềm sân bay theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6E và những vấn đề đặt ra khi áp dụng tại Việt Nam

GS. TS. Phạm Huy Khang Trường Ðại học Giao thông vận tải TS. Nguyễn Bách Tùng ThS. Nguyễn Đình Chung Công TNHH MTV Thiết kế và Tư vấn XDCT hàng không ADCC Người phản biện: GS. TS. Nguyễn Xuân Đào TS. Nguyễn Trọng Hiệp

Tóm tắt: Bài báo phân tích mô hình tính toán, quan điểm mới của FAA (Cục Hàng không Liên bang Mỹ) khi tính toán kết cấu mặt đường mềm sân bay và những vấn đề đặt ra khi áp dụng tại Việt Nam.

Từ khóa: Mặt đường mềm sân bay.

Abstract: The Article analyses calculated Models, FAA’s the new point of view designs flexible pavement of Airports and the problems is solved when applied in Vietnam.

Keywords: Soft airport pavement.

1. Đặt vấn đề

Theo quy hoạch hệ thống cảng hàng không (CHK), sân bay toàn quốc được phê duyệt, nước ta có 124 CHK, sân bay (gồm cả dân dụng và quân sự). Trong đó, 52 CHK (dân dụng kết hợp với quân sự), 72 sân bay quân sự nhưng mới chỉ có 22 CHK đang được khai thác, có 8 CHK quốc tế, 14 CHK nội địa [1], nhu cầu xây dựng các CHK, sân bay là rất lớn, việc xây dựng cơ sở hạ tầng của CHK, sân bay phải tuân thủ các quy định của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế (ICAO).

Kết cấu đường cất hạ cánh, đường lăn, sân đỗ máy bay phải đáp ứng được yêu cầu khai thác của các loại máy bay đươc các hãng hàng không trên thế giới sử dụng. ICAO đã khuyến cáo nên áp dụng tiêu chuẩn AC 150/5320-6E của FAA khi thiết kế kết cấu mặt đường sân bay và nhiều nước trên thế giới đã áp dụng Tiêu chuẩn này. Tuy nhiên, ở nước ta vẫn chưa có những nghiên cứu để áp dụng tiêu chuẩn này, khi các dòng máy bay mới có tải trọng và áp suất bánh hơi vượt quá quy định trong Tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 được đưa vào khai thác thì việc nghiên cứu, áp dụng Tiêu chuẩn AC 150/5320-6E là rất cần thiết.

2. Mô hình và cơ sở lý thuyết tính toán

Phương pháp thiết kế theo Tiêu chuẩn AC 150/5320-6E dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi xem kết cấu áo đường mềm là hệ đàn hồi nhiều lớp, dưới tác dụng của tải trọng máy bay:

Hình 2.1: Mô hình tính toán [9]

Trên cơ sở lý thuyết đàn hồi, hàm ứng suất  tính ứng suất và chuyển vị trong hệ tọa độ đối xứng trục thỏa mãn phương trình [8]:

 (1)

 

 

- r và z - Giá trị theo phương bán kính và phương thẳng đứng.

Sau khi xác định được hàm ứng suất , ứng suất và chuyển vị xác định theo công thức sau:

 

 

 

 

 

 

 

Phương trình (1) là phương trình vi phân bậc 4, vì vậy để xác định được ứng suất và chuyển vị phải xác định được 4 hằng số tích phân từ điều kiện biên bán không gian và điều kiện liên tục giữa các lớp.

3. Hệ số phá hủy tích lũy

Trong tiêu chuẩn mới, khái niệm máy bay thiết kế được thay thế bằng khái niệm thiết kế theo phá hoại mỏi thể hiện qua hệ số phá hủy tích lũy CDF (Cumulative Damage Factor) theo quy luật Miner.

CDF là tổng giá trị độ bền mỏi theo tuổi thọ thiết kế của một kết cấu mặt đường đạt đến giới hạn, thể hiện tỉ số giữa tải trọng lặp tác dụng thực tế với tải trọng lặp cho phép khi phá hủy, CDF được tính như sau:

 

 

Bảng 3.1. Xác định tuổi thọ của kết cấu dựa trên giá trị CDF

Giá trị CDF	Tuổi thọ kết cấu
1,0	Kết cấu đạt đến giới hạn mỏi (kết cấu vừa đạt đến giới hạn tuổi thọ khai thác)
< 1,0	Kết cấu chưa khai thác đến giới hạn mỏi, giá trị CDF phản ánh giá trị đã khai thác, sử dụng
> 1,0	Kết cấu khai thác vượt quá giới hạn mỏi, kết cấu sẽ bị phá hủy

Các loại máy bay khai thác đều được tính toán bằng việc sử dụng quy luật Miner thay vì xác định máy bay thiết kế như các tiêu chuẩn hiện nay.

 

 

 

Hình 3.1:Mô hình tính toán hệ số CDF theo quy luật Miner

Mỗi kiểu phá hủy đều được xem xét trong quá trình thiết kế sẽ có một hệ số CDF riêng biệt. Khi thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay, chiều dày sẽ được điều chỉnh để hệ số CDF xác định phá hoại của nền đường bằng 1, sau đó tiếp tục tính toán để tìm hệ số CDF xác định phá hủy rạn nứt lớp bê tông nhựa. Nếu hệ số CDF của lớp bê tông nhựa nhỏ hơn 1, nền đất bị phá hoại trước khi lớp bê tông nhựa bị hư hỏng. Nếu hệ số CDF của lớp bê tông nhựa lớn hơn 1, lớp bê tông nhựa sẽ bị hư hỏng trước khi nền đất bị phá hoại. Do đó, cần điều chỉnh lớp móng trên, móng dưới đảm bảo hệ số CDF của lớp bê tông nhựa nhỏ hơn 1.

4. Tiêu chuẩn thiết kế

Tiêu chuẩn phá hoại nền đất: Xác định số lần tác dụng của tải trọng máy bay đến khi phá hoại do biến dạng thẳng đứng trên đỉnh lớp đất nền:

 

 

 

 

 

 

 

Trong tính toán, hệ số CDF được tính cho một dải rộng 10 ins (trip) dọc theo kết cấu mặt đường với tổng chiều rộng 820 ins. Tỉ lệ máy bay vận hành qua so với bề rộng mặt đường được tính cho mỗi một dải dựa trên tải trọng tác dụng của mỗi loại máy bay vận hành qua với độ lệch chuẩn 30,5 ins (giá trị quy đổi với hoạt động của máy bay trên đường lăn) và sử dụng công thức trên tính theo quy luật phá hoại Miner. Hệ số CDF thiết kế được lấy theo giá trị lớn nhất trên 82 dải.

Hình 4.1: Ảnh hưởng của 2 bánh máy bay (không chồng lấn)

 

 

Hình 4.2: Ảnh hưởng của 2 bánh máy bay (chồng lấn)

5. Thiết kế cấu tạo các lớp kết cấu

Cấu tạo chung mặt đường mềm sân bay gồm 3 lớp: Lớp mặt, lớp móng trên, lớp móng dưới.

- Lớp mặt đường làm bằng bê tông nhựa rải nóng (P-401) giá trị mô-đun đàn hồi tính toán 200.000 psi (1380MPa) tương ứng với nhiệt độ mặt đường xấp xỉ 90⁰F (32⁰C), hệ số poisson 0,35. Mô-đun đàn hồi của lớp bê tông nhựa là hàm của nhiệt độ.                   

 

                                                                       

 

 

- Lớp móng trên là thành phần kết cấu chính của mặt đường mềm sân bay có chức năng phân bố tải trọng máy bay xuống lớp móng dưới và nền đất, chịu được ứng suất gây ra trong bản thân lớp móng, chống lại ứng suất thẳng đứng để không làm thay đổi bề mặt lớp móng, chống lại ứng suất thay đổi thể tích do sự thay đổi độ ẩm trong lớp móng. CBR >= 80.

- Lớp móng dưới là một phần không thể thiếu trong kết cấu mặt đường sân bay, CBR >= 20.

Tiêu chuẩn các loại vật liệu được quy định trong Standards for Specifying construction of Airports AC150/5370-10E.

6. Tính toán chiều dày các lớp kết cấu

Sử dụng phần mềm FAAFIELD để tính toán chiều dày các lớp kết cấu, phần mềm được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 2005, sơ đồ thuật toán của phần mềm như sau:

Hình 6.1:Sơ đồ thuật toán phần mềm FAAFIELD

7. Ví dụ tính toán

Tính toán kết cấu đường cất hạ cánh xây dựng mới tại Cảng Hàng không quốc tế Cát Bi, TP. Hải Phòng [2].

7.1. Số liệu đầu vào

- Các loại máy bay được dự báo sẽ khai thác khi đưa đường CHC mới vào sử dụng.

Bảng 7.1. Số liệu máy bay tính toán

STT	Tên máy bay	Tần suất hoạt động(CHC/ngày đêm)	Tốc độ tăng trưởng (%)
1	A320-200	10	10
2	A321-200	12	10
3	A330-300	6	10
4	B767-300	4	10
5	B777-200	4	10
6	B777-300	2	10
7	B787-900	4	10

- Nền đất sau khi được xử lý bằng cọc đất gia cố xi măng có E đàn hồi 340 kG/cm² (34MPa).

7.2. Kết quả tính toán

Hình 7.1: Chiều dày các lớp kết cấu theo tính toán

Hình 7.2: Hệ số phá hủy tích lũy tính toán

 

8. Những vấn đề đặt ra khi áp dụng tại việt nam

Phương pháp thiết kế theo Tiêu chuẩn AC 150/5320-6E dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi xem kết cấu áo đường mềm là hệ đàn hồi nhiều lớp, dưới tác dụng của tải trọng máy bay hình thành biến dạng kéo theo phương ngang dưới đáy lớp mặt bê tông nhựa e_k và biến dạng thẳng đứng tại đỉnh nền đất ε_v thông qua hệ số phá hoại tích lũy CDF. Ưu điểm của phương pháp này là thiết kế đơn giản, nhanh chóng thông qua việc sử dụng phần mềm thiết kế FAARFIELD. Các vật liệu, cấp phối bê tông nhựa được quy định rõ ràng trong Tiêu chuẩn Standards for Specifying construction of Airports AC150/5370-10E, các phương pháp thí nghiệm tuân thủ theo Tiêu chuẩn ASTM.  Nhược điểm của phương pháp này là phải sử dụng máy tính phù hợp để cài đặt phần mềm thiết kế, cường độ vật liệu lớp bê tông nhựa được mặc định không thể thay đổi. Việc quy đổi các lớp vật liệu thông qua hệ số tương đương mà không có đầy đủ số liệu thí nghiệm phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế và có thể mang tính cảm quan. Phương pháp này có nhiều ưu điểm áp dụng trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay ở Việt Nam, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề khi áp dụng cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và bổ sung như sau:

Phương pháp này được xây dựng dựa theo các điều kiện tự nhiên, vật liệu, công nghệ thi công của nước Mỹ cần có những nghiên cứu, đánh giá, hiệu chỉnh khi áp dụng tại Việt Nam vì những khác biệt về địa lý, điều kiện tự nhiên, vật liệu xây dựng, công nghệ thi công.

Các quy định chi tiết về tiêu chuẩn vật liệu, chỉ dẫn kỹ thuật thi công và nghiệm thu các lớp kết cấu được FAA trình bày chi tiết trong tài liệu Standards for Specifying construction of Airports AC150/5370-10E, khi áp dụng tiêu chuẩn thiết kế này cần phải biên dịch tiêu chuẩn AC150/5370-10E để áp dụng đồng bộ tại Việt Nam, làm căn cứ quy định rõ các tiêu chuẩn vật liệu xây dựng, phương pháp thí nghiệm, xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật thi công và nghiệm thu khi xây dựng kết cấu mặt đường mềm sân bay. Ở Việt Nam hiện nay không có tiêu chuẩn riêng về thí nghiệm vật liệu, thi công và nghiệm thu các lớp kết cấu mặt đường sân bay mà vẫn dùng theo các tiêu chuẩn của đường bộ.

Cần tiến hành khảo sát các nguồn vật liệu, thí nghiệm và xác định hệ số quy đổi tương đương giữa các lớp vật liệu phục vụ công tác thiết kế và xây dựng khi áp dụng tiêu chuẩn này.

Tài liệu tham khảo

[1]. Quy hoạch phát triển GTVT hàng không, giai đoạn đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030.

[2]. Hồ sơ Dự án đầu tư xây dựng khu bay - Cảng Hàng không quốc tế Cát Bi (Hải Phòng).

[3]. GS. TS. Vũ Đình Lai (2000), Lý thuyết đàn hồi, Trường Đại học GTVT.

[4]. Advisory Circular - AC No 150/5320-6E (2009), Airport Pavement Design and Evaluation.

[5]. Advisory Circular - AC 150/5370-10E (2009), Standards for Specifying Construction of Airport.

[6]. CTPOиTEљHЫE HOPMЫ и пPABилA POCCийCKOй фEДEPAции-AЭРОДРОМЫ CHип 2.05.08 - 1985, 1996.

[7]. TCVN 10907:2015, Sânbay dândụng- Mặt đường sân bay -Yêucầu thiết kế.

[8]. Yang H.Huang (2004), Pavement Analysis and Design, NXB. PEARSON.

[9]. David R. Brill, P.E, PhD (2011), FAARFIELD 1.3 Hand on Training.