Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nghiên cứu và mục đích chọn đề tài. Trong ngành xây dựng nói chung và xây dựng cầu đường nói riêng thì yếu tố cường độ là quan trọng nhất. Áo đường được xem là đủ cường độ nếu như dưới tác dụng của tải trọng do xe chạy trong suốt thời gian đã định mà nó vẫn giữ tính toàn khối và độ bằng phẳng của bề mặt. Cường độ mặt đường mềm sẽ bị phá hoại theo các điều kiện sau: - Phát sinh các biến dạng dư khi xãy ra phá hoại sự cân bằng giới hạn về trượt trong đất nền và các lớp vật liệu kém dính kết của kết cấu áo đường.
- Phát sinh ứng suất kéo khi vượt quá giới hạn bền gây ra các vết nứt trong các lớp toàn khối của cả kết cấu áo đường. Các điều kiện về trạng thái giới hạn đó đều có liên quan với độ võng đàn hồi dưới tải trọng. Mô đun đàn hồi được sử dụng để mô tả đặc tính ứng xử phi tuyến của ứng suất và biến dạng của các lớp kết cấu áo đường. Căn cứ vào giá trị mô đun của các lớp, ta có thể đánh giá được tình trạng của các lớp trong toàn bộ kết cấu.
Từ đó, tiến hành thiết kế kết cấu áo đường mới, sửa chữa những khu vực kết cấu các lớp bị phá hoại hay dự đoán tuổi thọ của cả đoạn đường khi chịu tải trọng của bánh xe trong một thời gian dài. Đây là một đại lượng mà qua nhiều nghiên cứu, đặc trưng cho cường độ của kết cấu áo đường mềm. Vì thế qui trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 355- 06 và AASHTO 93 của Hoa Kỳ hiện đang áp dụng phương pháp tính toán áo đường dựa theo ba tiêu chuẩn về trạng thái giới hạn: độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi) của áo đường dưới tải trọng, sức chịu uốn của các lớp toàn khối và sức chống trượt của đất nền và các lớp vật liệu kém dính kết. Tuy nhiên khi đánh giá cường độ thực tế của kết cấu áo đường mềm người ta vẫn dùng chủ yếu là độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi).
1 Hiện nay, đo độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi) là một tiêu chuẩn trạng thái giới hạn chủ yếu của áo đường khi thử nghiệm chúng. Điểm cơ bản của tiêu chuẩn này là việc đo được các trị số đó khá đơn giản trong những điều kiện hiện trường. Để đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu áo đường thường dùng hai phương pháp chính là: Phương pháp phá hoại mẫu và phương pháp không phá hoại mẫu. Phương pháp phá hoại mẫu: theo phương pháp này, người ta tiến hành khoan lấy mẫu trong các lớp kết cấu của các lớp kết cấu mặt đường rồi thông qua các thí nghiệm trong phòng để xác định các thông số tính toán, từ đó dự báo khả năng chịu tải của kết cấu.
Do không thể lấy quá nhiều mẫu trên mặt đường nên các thông số phản ánh tình trạng mặt đường thông qua các thí nghiệm thường mang tính cục bộ nhất định, phương pháp này tốn thời gian và chi phí thí nghiệm. Phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu: đánh giá theo phương pháp không phá hoại mẫu thường được tiến hành bằng cách đo độ võng trên bề mặt đường hay chỉ số CBR để dự đoán giá trị mô đun và tính được khả năng chịu tải của kết cấu mặt đường. Các phương pháp như: thí nghiệm tải động (FWD), thí nghiệm sóng âm (SPA), thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn (DCP). Tuy nhiên, để đưa các giá trị mô đun từ phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu vào sử dụng trong thiết kế, sửa chữa hay dự đoán tuổi thọ mặt đường thì đòi hỏi có sự so sánh, đánh giá sự nhất quán trong giá trị mô đun của hai phương pháp.
Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Nhưng chủ yếu là so sánh thí nghiệm tải động FWD và thí nghiệm trong phòng và chủ yếu tập trung ở lớp đất nền (subgrade) như: K. [9] Một số ít nghiên cứu khác tập trung so sánh và đánh giá các phương pháp không phá hoại mẫu với thí nghệm trong phòng: thí nghiệm SPA, thí nghiệm DCP với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu chỉ có kết luận khá chung về các kết quả thí nghiệm của các phương pháp với nhau, giữa các phương pháp không có mối tương quan hoặc nếu có thì chỉ là tương đối như: 2 Marwan F.
Stokoe and Jose M. Roesset (1993) cho rằng mô đun của thí nghiệm SASW lớn hơn mô đun từ thí nghiệm FWD và khuyến cáo tỷ số của hai thí nghiệm trong nghiên cứu của mình là 0,75; [10] Jian-Neng Wang, Ph.D, John Bilyeu, Dar-Hao Chen, Ph.E (2001) cho rằng mô đun trong phòng thí nghiệm lớn hơn mô đun thí nghiệm DCP và mô đun thí nghiệm FWD, mô đun lớp đá cấp phối (base) và lớp đất nền (subgrade) của thí nghiệm SASW lớn hơn thí nghiệm FWD tương ứng là 1,2 và 2,3 lần; [11] Norman Dennis, Ph., and Sutapa Hazra, Ph.D (2012) đưa ra mối tương quan của các thí nghiệm với nhau và nhận thấy thí nghiệm FWD dự đoán mô đun tốt nhất, tiếp đến là thí nghiệm DCP; không có mối tương quan tương ứng của thí nghiệm SASW với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng thí nghiệm. [12] Ở nước ta, cũng sử dụng hai phương pháp chính trong dự đoán mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường. Nhưng chỉ dừng lại ở việc so sánh, đánh giá thí nghiệm FWD sử dụng công cụ tính toán ngược với thí nghiệm trong phòng đồng thời dự đoán mô đun cho quá trình thiết kế, sửa chữa và xác định tuổi thọ công trình.
Tin tưởng tuyệt đối và chỉ sử dụng phương pháp thí nghiệm FWD là tiền đề dự đoán mô đun không phá hoại mẫu như: TS. Trần Thị Kim Đăng (2007) ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD để tính toán mô đun đàn hồi các lớp áo đường mềm; [4] Đề tài nghiện cứu của Nguyễn Hữu Hưng và Nguyễn Mạnh Hùng (2003) dùng thiết bị FWD để tính toán mô đun vật liệu; [6] TS. Nguyễn Hữu Trí (2003) dùng thiết bị tải động FWD để dự báo tuổi thọ mặt đường; [5] TS. Lê Anh Thắng và ThS.
Bùi Anh Dũng (2013) thiết lập công cụ tính toán ngược (backcalculation) Bisar-GAs từ kết quả thí nghiệm FWD và so sánh Bisar- GAs với các phần mềm tính toán ngược khác. [2][3] Từ những phân tích trên, cho thấy các nhận định và kiến nghị của các nhà nghiên cứu chưa thật sự thống nhất với nhau, sự so sánh của phương pháp phá hoại mẫu và 3 phương pháp không phá hoại mẫu chưa đưa đến nhận định rõ rằng. các nghiên cứu đa phần trên lớp đất nền, một vài trên lớp đá cấp phối nên việc dự đoán không khả quan. Ở Việt Nam, đa phần chưa nhiều nghiên cứu về vấn đề này, nên sự áp dụng công nghệ và so sánh các phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu còn khó khăn, chủ yếu tin tưởng vào nghiên cứu và nhận định của nước ngoài gây nên sự xáo trộn trong nhận định thật về mô đun thực tế của các kết cấu áo đường ở những khu vực, quốc gia khác nhau.
Và đó cũng là lý do tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài.1 Mục tiêu nghiên cứu. Từ những nhận xét trên, mục tiêu của nghiên cứu đề ra là: - Khẳng định mối tương quan của hai phương pháp dự đoán mô đun được xác định trên môi quan hệ của thí nghiệm FWD sử dụng mô hình tính toán ngược Bisar- GAs và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm trên lớp đá cấp phối với một số loại vật liệu khác nhau; - Tạo mối liên hệ của các phương pháp thí nghiệm không phá hủy được các nhà nghiên cứu cho rằng không có một mối tương quan nào thích hợp, nghiên cứu này thể hiện mối liên hệ các thí nghiệm thông qua hệ số qui đổi với độ tin cậy xác suất thống kê từ các thí nghiệm thực tế; - Ứng dụng mô hình chương trình Bisar-GAs, một mô hình tính toán ngược từ thí nghiệm FWD với kết quả tính lặp lớp đất nền của tiêu chuẩn thiết kế áo đường và các thí nghiệm dự đoán mô đun khác; - Giúp cho quá trình thiết kế, sửa chữa và dự đoán tuổi thọ của kết cấu áo đường được trực quan và chính xác khi nhận thức rõ mô đun thiết kế và mô đun thực của kết cấu làm việc ngoài thực tế.2 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đề ra, nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm các việc làm sau: - Chọn lọc và sử dụng các số liệu từ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm; các thí nghiệm không phá hoại mẫu: thí nghiệm tải động FWD, thí nghiệm sóng âm SPA và thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP; - Sử dụng mô hình tính toán ngược Bisar-GAs để dự đoán mô đun các lớp kết cấu từ thí nghiệm FWD. Thực hiện tính toán và so sánh đánh giá trên nhiều khu vực, nhiều vị trí trong mỗi khu vực, và nhiều độ sâu khác nhau trong từng vị trí; - Xác định mô đun lớp đất nền thiết kế từ tiêu chuẩn ngành (tiêu chuẩn 22TCN 355-06 và tiêu chuẩn AASHTO 93); - Xác định mô đun từ thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP; - Tiến hành tổng hợp, so sánh, lập tỷ số giữa các thí nghiệm với nhau theo lớp và theo loại vật liệu của kết cấu áo đường; - Sử dụng lý thuyết xác suất thống kê để xác định hệ số qui đổi, theo độ tin cậy kỳ vọng, giữa các thí nghiệm.1 thể hiện tóm tắt các thí nghiệm, các loại vật liệu, các lớp kết cấu sẽ được tiến hành so sánh và đánh giá trong luận văn.
5 SƠ ĐỒ TRÌNH TỰ THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU LUẬN VĂN THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM – LAB SỬ DỤNG KENLAYER LỚP ĐÁ BÊ TÔNG NHỰA LỚP ĐÁ THÍ NGHIỆM THÍ NGHIỆM FWD THÍ NGHIỆM SÓNG ÂM – SASW (SPA) SỬ DỤNG BISAR-GAs XUYÊN CÔN - DCP LỚP ĐÁ LỚP ĐẤT NỀN LỚP ĐẤT NỀN LỚP ĐẤT NỀN TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 22TCN 355-06 VÀ AASHTO 93 GHI CHÚ: So sánh mô đun các lớp trong kết cấu áo đường (lớp bê tông nhựa, lớp đá cấp phối, lớp đất nền); Vật liệu sử dụng lớp đá cấp phối: đá vôi (limestone), trầm tích (caliche), quặng sắt (Iron-Ore).1: Tóm tắt tiến trình thực hiện của luận văn.3 Khách thể và đối tượng nghiên cứu.