Tổng quan luận án
Theo Đồ án quy hoạch hệ thống cảng hàng không, sân bay toàn quốc, Việt Nam có 124 cảng hàng không, sân bay (bao gồm 52 cảng hàng không dân dụng kết hợp quân sự, 72 sân bay quân sự, 30 cảng hàng không cần đầu tư xây dựng mới và 76 cảng hàng không, sân bay cần nâng cấp, cải tạo). Đến thời điểm nghiên cứu, cả nước có 22 cảng hàng không đang khai thác (8 cảng hàng không quốc tế và 14 cảng hàng không nội địa). Trong đó, kết cấu mặt đường bê tông nhựa chiếm 50%, mặt đường hỗn hợp bê tông nhựa và bê tông xi măng chiếm 14%, mặt đường bê tông xi măng chiếm 36%. Nhu cầu sử dụng kết cấu mặt đường mềm (bê tông nhựa) chiếm trên 50% tổng nhu cầu xây dựng, đặc biệt phù hợp với các cảng hàng không vừa khai thác vừa thi công sửa chữa nhờ ưu điểm thi công nhanh, tận dụng nguồn vật liệu và thuận tiện bảo dưỡng.
Khoảng trống nghiên cứu nảy sinh từ việc tiêu chuẩn thiết kế hiện hành của Việt Nam (TCVN 10907:2015) được biên dịch từ tiêu chuẩn CHИП của Nga chưa gắn với thực tế khai thác tại các sân bay trong nước. Việt Nam là thành viên của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế (ICAO), tiếp nhận các dòng máy bay thương mại hiện đại của Boeing và Airbus (như B777-200/300 có tải trọng 352 tấn, áp suất bánh hơi 1,55 MPa; B787-8/9 và A350-900 có tải trọng 275 tấn, tải trọng một bánh tác dụng lên mặt đường đạt 40 tấn, áp suất bánh hơi 1,69 MPa). Các thông số tải trọng và tần suất này vượt từ 10% đến 50% so với giới hạn tính toán của tiêu chuẩn TCVN 10907:2015. Đồng thời, điều kiện nhiệt độ mặt đường bê tông nhựa vào mùa hè tại Việt Nam vượt quá 60°C làm suy giảm cường độ vật liệu, dẫn đến hiện tượng lún, hằn vệt bánh và xô trượt vật liệu.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu góp phần hoàn thiện phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay ở Việt Nam phù hợp với điều kiện khai thác thực tế các dòng tàu bay thế hệ mới của hãng Boeing và Airbus tại các cảng hàng không trong nước.
- Bổ sung, hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế TCVN 10907:2015 để áp dụng trong giai đoạn trước mắt thông qua việc xây dựng thuật toán và phần mềm tính toán mở rộng khi tải trọng vượt ngoài toán đồ.
- Đề xuất áp dụng tiêu chuẩn AC 150/5320-6F của Cục Hàng không liên bang Mỹ (FAA) và ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn (Abaqus) cho công tác thiết kế, đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường sân bay về lâu dài.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu mặt đường mềm (bê tông nhựa) tại các khu vực đường cất hạ cánh, đường lăn và sân đỗ tàu bay.
- Phạm vi không gian: Hệ thống cảng hàng không, sân bay tại Việt Nam (khảo sát và áp dụng tính toán tại Cát Bi, Nội Bài, Tân Sơn Nhất, Long Thành, Vinh, Phú Quốc, Phú Bài, Pleiku, Buôn Ma Thuột, Liên Khương, Cần Thơ, Đà Nẵng, Cam Ranh).
- Phạm vi thời gian và số liệu: Dữ liệu quan trắc khí hậu, nhiệt độ từ năm 2012 đến tháng 8/2017; quy hoạch phát triển và hiện trạng khai thác đến năm 2018.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng kết và phân tích hệ thống các phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay trên thế giới và trong nước:
- Nhóm phương pháp lý thuyết:
- Phương pháp thiết kế theo độ võng đàn hồi giới hạn cho phép: Tính toán trạng thái làm việc của kết cấu nhiều lớp trong giai đoạn bền vững quy ước.
- Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn CHИП 2.05.08-85 của Liên Xô (Nga): Kiểm tra theo hai trạng thái giới hạn gồm độ võng tương đối giới hạn ($d \le \gamma_c u$) và ứng suất kéo uốn lớn nhất ở đáy lớp bê tông nhựa ($\sigma_r \le \gamma_c R_d$).
- Ưu điểm: Cơ sở lý thuyết rõ ràng, chặt chẽ. Nhược điểm: Dựa trên nhiều giả thiết đơn giản hóa, bỏ qua tác động đồng thời của khí hậu, nhiệt độ cao và khó cập nhật các dòng tàu bay mới.
- Nhóm phương pháp thực nghiệm:
- Phương pháp của Công binh Mỹ (CBR): Thiết lập quan hệ giữa chiều dày kết cấu với chỉ số CBR của đất nền, tải trọng bánh xe đơn tương đương ($P$) và áp suất bánh hơi ($p$).
- Phương pháp của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế (ICAO - Doc 9157-AN/901 Part 3): Bản chất dựa trên phương pháp CBR và mô hình bán không gian đàn hồi, quy đổi các dòng tàu bay về tàu bay thiết kế theo công thức logarit.
- Phương pháp của Pháp (STBA/SBA): Sử dụng hệ số quy đổi tương đương vật liệu $C_E$ để tính đổi chiều dày thực tế $h_i$ về chiều dày tương đương $h_{tđ} = h_i \cdot C_E$, tra cứu toán đồ với tần suất quy ước 10 lượt/ngày trong 10 năm.
- Phương pháp của Cục Môi trường Vương quốc Anh: Thiết kế theo chỉ số CBR, ACN thiết kế và phân cấp tần suất khai thác, quy định lớp móng trên phải gia cố xi măng hoặc bitum do độ ẩm nền cao.
- Phương pháp của các hãng chế tạo tàu bay (Boeing, Airbus): Sử dụng các toán đồ thiết kế theo phương pháp CBR hoặc chỉ số phân cấp tải trọng LCN (Load Classification Number) xây dựng riêng cho từng dòng tàu bay.
- Nhóm phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm:
- Phương pháp theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 của FAA: Mô hình hóa kết cấu nhiều lớp đàn hồi, kiểm soát biến dạng nén thẳng đứng trên đỉnh nền đất ($\epsilon_v$) và biến dạng kéo ngang tại đáy lớp bê tông nhựa ($\epsilon_h$), tích hợp trong phần mềm FAARFIELD với hệ số phá hủy tích lũy CDF theo quy luật Miner.
- Phương pháp của Viện Bê tông Asphalt Mỹ (The Asphalt Institute): Dựa trên lý thuyết đàn hồi nhiều lớp kết hợp phương trình phá hoại mỏi Kingham từ thí nghiệm AASHTO.
- Phương pháp số:
- Ứng dụng các công cụ tính toán cơ học kết cấu nhiều lớp và phần tử hữu hạn như ALIZE3, ALIZE5, BISAR, Abaqus.
Khoảng trống học thuật mà luận án lựa chọn giải quyết: Tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 kế thừa CHИП 2.05.08-85 bị giới hạn khi tải trọng tàu bay thiết kế tối đa chỉ đến 85 tấn (càng 4 bánh) và áp suất bánh 1,5 MPa. Khi tính toán cho các dòng tàu bay mới có tải trọng từ 93 tấn đến trên 380 tấn, tỷ số giữa tổng chiều dày kết cấu với đường kính vệt bánh tương đương ($t_{tot}/D_{ei}$) vượt ra ngoài phạm vi tra cứu của các toán đồ tiêu chuẩn. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách xây dựng công thức hồi quy, toán đồ bổ sung, lập trình phần mềm tự động hóa theo TCVN 10907:2015, đồng thời xây dựng quy trình thiết kế theo mô hình nhớt đàn hồi - tải trọng động bằng Abaqus và lộ trình chuyển giao sang tiêu chuẩn FAA AC 150/5320-6F.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết:
- Lý thuyết cơ học hệ nhiều lớp đàn hồi và nhớt đàn hồi: Biểu diễn tính chất cơ học phụ thuộc thời gian và nhiệt độ của vật liệu bê tông nhựa thông qua các hàm từ biến $D(t)$ và mô đun biến dạng $E(t)$.
- Lý thuyết động lực học công trình: Phương trình cân bằng động lực học giải bằng phương pháp tích phân từng bước trong miền thời gian để xét tác dụng di động của vệt bánh tàu bay.
- Lý thuyết tích lũy hư hỏng mỏi: Định luật cộng dồn hư hỏng tuyến tính Miner để xác định hệ số tích lũy phá hủy $CDF = \sum \frac{n_i}{N_i}$.
- Mô hình phá hoại mỏi Kingham của Viện Bê tông Asphalt Mỹ: $$N_{fq} = a \cdot 10^{d_1(b - c \log \epsilon_h)}$$ Trong đó $N_{fq}$ là số chu kỳ tải trọng đến khi phá hỏng tại nhiệt độ $q$; $a = 1,86351 \times 10^{-17}$; $d_1 = 1,45$; $b = 1,01996$; $c = 4,995$; $\epsilon_h$ là biến dạng kéo uốn ở đáy lớp bê tông nhựa.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp mô phỏng số (Phần tử hữu hạn): Sử dụng phần mềm Abaqus để thiết lập mô hình bài toán đối xứng trục và mô hình không gian 3D, chia lưới phần tử, thiết lập quan hệ Jacobian, tính toán ứng suất tiếp $S_{12}$, ứng suất pháp $S_{11}$, độ võng mặt đường $U$ dưới tác dụng của tải trọng tĩnh, tải trọng động và vật liệu nhớt đàn hồi.
- Phương pháp giải tích và hồi quy thống kê: Xây dựng các hàm toán học mở rộng vùng giá trị của toán đồ tính độ võng tương đối tính toán $d$ và độ võng tương đối giới hạn $u$.
- Phương pháp thực nghiệm và khảo sát hiện trường: Thu thập dữ liệu địa chất công trình, khảo sát trắc đạc lún vệt bánh, đo đạc nhiệt độ mặt đường thực tế tại các sân bay đang khai thác.
Nguồn tư liệu và dữ liệu:
- Dữ liệu quy chuẩn, tiêu chuẩn: TCVN 10907:2015, TCVN 8753:2011, CHИП 2.05.08-85, FAA AC 150/5320-6E/6F, ICAO Annex 14, ICAO Doc 9157-AN/901.
- Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu nhiệt độ không khí 7 ngày nóng nhất trong các năm 2012-2017 tại trạm khí tượng các sân bay.
- Hồ sơ kỹ thuật và mặt bằng khai thác: Cảng HKQT Nội Bài, Cát Bi, Tân Sơn Nhất, Long Thành, Vinh, Phú Quốc, Pleiku, Phú Bài, Buôn Ma Thuột, Liên Khương, Cần Thơ do Tổng công ty Cảng hàng không Việt Nam (ACV), Cục Hàng không Việt Nam và Công ty ADCC cung cấp.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay
Chương 1 hệ thống hóa cấu tạo các tầng kết cấu mặt đường mềm sân bay (lớp mặt bê tông nhựa, móng trên gia cố hoặc không gia cố, móng dưới, nền đất) và các yêu cầu kỹ thuật về độ bằng phẳng (khe hở dưới thước 3m không quá 3mm theo ICAO), độ nhám (thử nghiệm rắc cát đạt chiều sâu vệt nhám $\ge 1\text{ mm}$), khả năng chống thấm và ổn định nhiệt.
Phân cấp sức chịu tải nền đất theo ICAO và TCVN 8753:2011 được xác định qua chỉ số CBR:
| STT | Cấp chịu lực của nền đất | Giá trị CBR (%) | Mã chữ |
|---|---|---|---|
| 1 | Cường độ cao (High) | $> 13$ | A |
| 2 | Cường độ trung bình (Medium) | 8 – 13 | B |
| 3 | Cường độ thấp (Low) | 4 – 8 | C |
| 4 | Cường độ rất thấp (Ultra Low) | $< 4$ | D |
Số liệu khảo sát hiện trạng kết cấu mặt đường tại một số cảng hàng không Việt Nam:
| STT | Sân bay | Kết cấu mặt đường | Tàu bay thiết kế | Tần suất (lượt/ngày) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | CHK Cát Bi (2015) | BTNP C12,5 (7cm) + BTNP C19 (8cm) + BTN C19 (8cm) + BTXM M150/25 (25cm) + CPĐD GCXM (40cm) + CPĐD loại 2 (40cm) | A350-900 (275.000 kg) | 40 |
| 2 | CHK Nội Bài (2014, CHC 1A) | BTNP C12,5 (7cm) + BTN C19 (14cm) + Mặt đường BTXM hiện hữu | B747-400 (414.000 kg) | 640 |
| 3 | CHK Vinh (2005) | BTN C12,5 (7cm) + BTN C19 (16cm) + CPĐD (30cm) + Đất sỏi đồi (30cm) | A320-200 (73.000 kg) | 60 |
| 4 | CHK Phú Bài (2013) | BTNP C12,5 (7cm) + BTN C19 (14cm) + CPĐD GCXM (25cm) + BTN tái chế (20cm) + CPĐD (30cm) | B777-200LR (348.700 kg) | 32 |
| 5 | CHK Pleiku (2015) | BTNP C12,5 (7cm) + BTN C19 (13cm) + BTXM M150/25 (25cm) + CPĐD (18cm) + Đất sỏi đồi (30cm) | A321-200 (93.500 kg) | 8 |
| 6 | CHK Tân Sơn Nhất (2013, 25R) | BTNP C12,5 (7cm) + BTN C19 (14cm) + Mặt đường BTXM hiện hữu | B777-300 (353.442 kg) | 800 |
| 7 | CHK Cần Thơ (2009) | BTNP C12,5 (7cm) + BTN C19 (8cm) + BTN C25 (8cm) + BTXM M150/25 (25cm) + CPĐD GCXM (45cm) | B777-300 (353.442 kg) | 10 |
| 8 | CHK Phú Quốc (2012) | BTNP C12,5 (7cm) + BTN C19 (8cm) + BTN C25 (8cm) + CPĐD GCXM (38cm) + Sỏi sạn GCXM (20cm) | B777-300 (353.442 kg) | 44 |
Khảo sát nhiệt độ không khí cực đại và nhiệt độ mặt đường thực tế:
| STT | Tên Cảng hàng không | Nhiệt độ không khí (°C) | Nhiệt độ mặt đường thực tế (°C) |
|---|---|---|---|
| 1 | Cát Bi | 35,66 | 59,00 |
| 2 | Nội Bài | 38,62 | 62,20 |
| 3 | Vinh | 39,00 | 62,50 |
| 4 | Đà Nẵng | 38,23 | 61,70 |
| 5 | Cam Ranh | 37,13 | 60,10 |
| 6 | Tân Sơn Nhất | 37,00 | 59,80 |
Hệ số quy đổi tương đương $C_E$ theo phương pháp STBA của Pháp:
| STT | Loại vật liệu làm các lớp mặt đường | Hệ số tương đương ($C_E$) |
|---|---|---|
| 1 | Bê tông asphalt trộn nóng, rải nóng; Đá dăm trộn nhựa, rải nóng | 2,00 |
| 2 | Cấp phối sỏi đá gia cố bitum | 1,50 |
| 3 | Cấp phối sỏi đá gia cố nhũ tương | 1,20 |
| 4 | Cấp phối sỏi đá gia cố chất liên kết vô cơ (xi măng, vôi, tro bay) | 1,50 |
| 5 | Cấp phối sỏi đá không gia cố | 1,00 |
| 6 | Cát gia cố vôi hoặc xi măng | 1,00 |
| 7 | Sỏi tròn cạnh khai thác ở sông suối | 0,75 |
| 8 | Cát | 0,50 |
Phân tích so sánh thông số tàu bay thực tế với giới hạn tính toán của TCVN 10907:2015:
| STT | Tàu bay | Trọng lượng cất cánh (kg) | Áp suất bánh hơi (MPa) | Vượt chuẩn áp suất (%) | Tải trọng 1 bánh tính toán (kg) | Vượt chuẩn tải trọng bánh (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | A321-200 | 93.000 | 1,55 | 3,33 | 22.088 | 3,94 |
| 2 | A330-200 | 226.400 | 1,42 | — | 27.106 | 27,56 |
| 3 | A340-600 | 381.200 | 1,61 | 7,33 | 31.449 | 48,00 |
| 4 | A350-900 | 275.000 | 1,69 | 12,67 | 32.175 | 51,41 |
| 5 | A380-800 | 571.000 | 1,50 | — | 27.123 | 27,64 |
| 6 | B747-400 | 414.100 | 1,57 | 4,67 | 24.639 | 15,95 |
| 7 | B777-200LR | 348.700 | 1,55 | 3,33 | 27.257 | 28,27 |
| 8 | B787-8/9 | 252.651 | 1,575 | 5,00 | 29.623 | 39,40 |
Tải trọng tính toán trên các khu vực sân bay xác định theo công thức: $$P_{tt} = P_{cc\ max} \cdot k_{tt}$$ Trong đó $P_{cc\ max}$ là tải trọng cất cánh lớn nhất; $k_{tt}$ là hệ số vượt tải (theo CHИП: khu A, B lấy 1,0; khu C, D lấy 0,85; theo ICAO Doc 9157: đầu đường CHC và đường lăn lấy 1,1; sân đỗ lấy 1,0; đường CHC giữa lấy 0,7–0,8; dải hãm phanh lấy 0,5).
Chương 2: Ứng suất, biến dạng trong kết cấu mặt đường mềm sân bay
Chương 2 tập trung xây dựng mô hình giải tích và mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm Abaqus để phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong kết cấu mặt đường nhiều lớp:
- Thiết lập mô hình vật lý và toán học:
- Khảo sát mô hình đàn hồi tuyến tính và mô hình nhớt đàn hồi đối với lớp bê tông nhựa.
- Thiết lập hàm tải trọng di động biến thiên theo thời gian $P(t)$ mô phỏng tàu bay di chuyển với vận tốc $v = 5\text{ m/s}$.
- Sử dụng ma trận độ cứng Jacobian $K_{MN}$ trong Abaqus, áp dụng hệ đơn vị nhất quán chuẩn SI (N, m, Pa, kg) hoặc hệ thực hành kết cấu (N, mm, MPa, tonne, s).
- Kiểm chứng mô hình số trên Abaqus:
- Tính toán kiểm chứng hệ 1 lớp bán không gian, hệ 2 lớp và hệ nhiều lớp chịu tải trọng tĩnh. So sánh kết quả độ võng và ứng suất tiếp $S_{12}$ thu được từ Abaqus với lời giải giải tích cổ điển (lý thuyết Boussinesq và Burmister), cho thấy mức độ tương đồng cao.
- Phân tích ứng suất kéo uốn $S_{11}$ tại đáy lớp bê tông nhựa và lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng (ĐGCXM), phân bố ứng suất cắt $S_{12}$ trong các lớp móng.
- Khảo sát chu kỳ biến thiên độ võng $U$ và chu kỳ ứng suất cắt $S_{12}$ theo thời gian khi lớp bê tông nhựa mang đặc tính nhớt đàn hồi chịu tải trọng động lặp.
- Khảo sát các thông số ảnh hưởng:
- Ảnh hưởng của áp suất bánh hơi: Khi áp suất bơm tăng từ 1,0 MPa đến 1,7 MPa, độ võng mặt đường và ứng suất cắt trong tầng mặt tăng rõ rệt, thúc đẩy sự hình thành vệt hằn lún bánh xe.
- Ảnh hưởng của cấu hình càng bánh: Phân tích so sánh hệ càng 1 bánh, 2 bánh, 4 bánh và 6 bánh; xác định vùng chồng lặp ứng suất giữa các bánh trong cùng một cụm càng.
- Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi nền đất ($E_{nền}$ hoặc CBR): Khi $E_{nền}$ tăng, độ võng bề mặt kết cấu giảm mạnh và ứng suất kéo uốn tại đáy lớp bê tông nhựa giảm theo quy luật phi tuyến.
- Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp bê tông nhựa ($E_{btn}$): Khi nhiệt độ tăng làm $E_{btn}$ giảm, độ võng kết cấu và biến dạng trượt cắt tăng nhanh, giải thích hiện tượng biến dạng dẻo vào mùa hè.
Chương 3: Kiến nghị phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay ở Việt Nam
Chương 3 đề xuất hệ thống giải pháp hoàn thiện công tác thiết kế mặt đường mềm sân bay theo hai giai đoạn:
- Hoàn thiện phương pháp theo TCVN 10907:2015 (Giai đoạn trước mắt):
- Thiết lập thuật toán xác định chiều sâu vùng chịu nén chủ cực của nền đất dưới tác dụng của các cụm bánh máy bay Boeing và Airbus thế hệ mới.
- Xây dựng các hàm hồi quy mở rộng để tính toán độ võng tương đối $d$ và độ võng tương đối giới hạn $u$ khi tải trọng, áp suất bánh và tỷ số hình học $t_{tot}/D_{ei}$ vượt ra ngoài toán đồ của tiêu chuẩn: $$d = 0,9 \frac{p_a}{E_{ed}}$$ $$E_{ed} = k_0 E_{mt}$$ Trong đó $E_{mt} = \frac{\sum E_i t_i}{t_{tot}}$ là mô đun đàn hồi trung bình của kết cấu trong vùng chiều dày chịu nén; $k_0$ là hệ số phụ thuộc vào tỷ số $E_{mt}/E_0$ và $t_{tot}/D_e$.
- Tải trọng bánh đơn tương đương $F_e$ được mở rộng tính toán cho các cấu hình càng phức tạp: $$F_e = \text{anti}\log \left[ \lg F_d + \frac{2 t_{tot} - a_r}{4 a_d - a_r} \lg n_k \right]$$
- Viết chương trình phần mềm tự động hóa thiết kế theo TCVN 10907:2015 đã bổ sung, giao diện trực quan hỗ trợ nhập tải trọng thực tế của các dòng tàu bay A350, B787, B777.
- Áp dụng tiêu chuẩn FAA AC 150/5320-6F và phần mềm FAARFIELD (Định hướng lâu dài):
- Phân tích cơ sở lý thuyết đàn hồi nhiều lớp (LEAF) trong FAARFIELD, tích hợp tỷ lệ số lần lăn bánh sinh ra một lần phá hủy toàn diện $P/C$ (Pass-to-Coverage Ratio).
- Xác định tuổi thọ kết cấu thông qua hệ số phá hủy tích lũy: $$CDF = \sum_{j} \frac{n_j}{N_j}$$ Trong đó $n_j$ là số lần lặp thực tế của loại tàu bay thứ $j$; $N_j$ là số lần tác dụng cho phép đến khi xuất hiện phá hoại mỏi đáy lớp mặt hoặc biến dạng lún nền đất. Kết cấu đạt yêu cầu khi tổng $CDF \le 1,0$ trong thời hạn thiết kế 20 năm.
- Chuẩn hóa hệ thống vật liệu FAA vào điều kiện Việt Nam: Lớp mặt bê tông nhựa P-401/P-403, lớp móng cấp phối đá gia cố xi măng P-304, bê tông nghèo P-306, cấp phối đá dăm nghiền P-209/P-208, đất sỏi sạn P-154, đất gia cố xi măng P-301.
- Quy trình thiết kế bằng Abaqus:
- Xây dựng quy trình mô phỏng 3D chi tiết kiểm tra trạng thái ứng suất - biến dạng cục bộ tại các vị trí tập trung tải trọng và khu vực tiếp giáp vệt bánh.
Chương 4: Áp dụng thiết kế và đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường một số Cảng hàng không
Chương 4 áp dụng các phương pháp nghiên cứu vào các dự án cảng hàng không thực tế tại Việt Nam:
- Đề xuất sửa chữa đường cất hạ cánh 1A – Cảng HKQT Nội Bài:
- Phân tích nguyên nhân lún vệt bánh trên đường lăn S7 và đường CHC 1A dưới tác động của các máy bay thân rộng B747-400 và B777.
- Ứng dụng mô hình tính toán lựa chọn lớp phủ bê tông nhựa Polymer (BTNP C12,5 dày 7cm kết hợp BTN C19) trên nền mặt đường bê tông xi măng cũ, thi công thử nghiệm trên đường lăn S7.
- Thiết kế kết cấu đường cất hạ cánh mới – Cảng HKQT Cát Bi:
- Phân tích số liệu dự báo khai thác tiếp nhận máy bay A350-900 (tải trọng 275 tấn, 40 lượt/ngày).
- Tính toán chiều dày kết cấu theo phần mềm FAARFIELD và kiểm chứng bằng Abaqus: Lớp mặt BTNP C12,5 (7cm) + BTNP C19 (8cm) + BTN C19 (8cm), móng trên BTXM M150/25 (25cm), móng dưới CPĐD GCXM (40cm) và CPĐD loại 2 (40cm). Hệ số $CDF \le 1,0$ đáp ứng thời hạn khai thác.
- Áp dụng thiết kế khu bay Giai đoạn 1 – Cảng HKQT Long Thành:
- Khai thác dự báo các loại tàu bay thân rộng đại diện (B777-300ER, A350-900, B787-9, B747-400).
- Tổng hợp địa chất công trình nền đất yếu, xác định mô đun đàn hồi quy đổi; tính toán chiều dày các lớp bê tông nhựa chịu trượt cắt cao và lớp móng gia cố xi măng bằng FAARFIELD và Abaqus.
- Đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường tại các cảng hàng không đang khai thác:
- Cảng hàng không Vinh: Đánh giá khả năng tiếp nhận dòng máy bay A320/A321 tăng tần suất (60 lượt/ngày), xác định thời điểm kết cấu suy giảm cường độ cần sửa chữa tăng cường.
- Cảng HKQT Phú Quốc: Tính toán tuổi thọ tích lũy mỏi đường cất hạ cánh theo biểu đồ tần suất khai thác các loại tàu bay hỗn hợp (A320, A321, B777-300), đưa ra dự báo thời hạn cần đại tu kết cấu dựa trên chỉ số $CDF$.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới của luận án:
- Xây dựng mô hình phân tích ứng suất, biến dạng hệ nhiều lớp kết cấu mặt đường mềm sân bay trong môi trường đàn hồi tuyến tính và môi trường nhớt đàn hồi cho lớp bê tông nhựa dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng động bằng phần mềm Abaqus.
- Xây dựng mô hình số khảo sát định lượng ảnh hưởng của các yếu tố cơ bản (áp suất bánh hơi, cấu tạo cụm bánh trong càng, mô đun đàn hồi lớp bê tông nhựa và cường độ nền đất) đến ứng suất tiếp, ứng suất kéo đáy lớp mặt và độ võng mặt đường sân bay.
- Thiết lập các công thức hồi quy giải tích và toán đồ mở rộng xác định chiều sâu tác dụng của tải trọng tàu bay nặng, tính toán độ võng tương đối và độ võng giới hạn vượt ngoài phạm vi toán đồ của tiêu chuẩn TCVN 10907:2015.
- Xây dựng thuật toán và lập trình thành công phần mềm tính toán tự động bổ sung, hoàn thiện tiêu chuẩn TCVN 10907:2015, giải quyết các bất cập khi tính toán với các dòng tàu bay thế hệ mới của Boeing và Airbus.
- Xây dựng cơ sở khoa học và định hướng áp dụng tiêu chuẩn nửa lý thuyết - nửa thực nghiệm FAA AC 150/5320-6F cùng phần mềm FAARFIELD trong công tác thiết kế mới và đánh giá tuổi thọ còn lại của mặt đường mềm sân bay tại Việt Nam.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất:
- Trước mắt, cho phép áp dụng phần mềm và các công thức hồi quy bổ sung cho TCVN 10907:2015 để tính toán kết cấu áo đường sân bay khi tiếp nhận tàu bay tải trọng lớn.
- Về lâu dài, kiến nghị Bộ Giao thông Vận tải và Cục Hàng không Việt Nam ban hành lộ trình áp dụng tiêu chuẩn thiết kế theo FAA AC 150/5320-6F nhằm đồng bộ hóa với khuyến cáo của ICAO và các tiêu chuẩn hàng không quốc tế.
- Trong thi công và bảo trì, sử dụng bê tông nhựa Polymer tại các tầng mặt trên cùng ở các khu vực chịu tải nặng và nhiệt độ cao (đoạn đầu đường cất hạ cánh, nút giao đường lăn) để chống hằn lún vệt bánh xe.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế:
- Luận án tập trung nghiên cứu trên kết cấu mặt đường mềm (bê tông nhựa), chưa mở rộng phân tích sâu cho kết cấu mặt đường cứng liên tục hoặc mặt đường hỗn hợp phức tạp.
- Các khảo sát thực nghiệm về nhiệt độ và biến dạng lún chủ yếu thực hiện tại các sân bay trọng điểm, chưa bao phủ toàn bộ các vùng vi khí hậu và địa chất đặc thù trên cả nước.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường về các thông số động lực học, hàm từ biến của các loại bê tông nhựa sử dụng bitum cải tiến polyme và bitum đặc biệt trong điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam để chuẩn hóa cơ sở dữ liệu vật liệu đưa vào phần mềm FAARFIELD và Abaqus.
- Mở rộng nghiên cứu mô hình hóa hiện tượng nứt phản xạ từ lớp móng gia cố xi măng truyền lên lớp mặt bê tông nhựa khi chịu tải trọng tàu bay trùng phục.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu kỹ thuật chuyên sâu có giá trị tham khảo cho:
- Cơ quan quản lý nhà nước (Cục Hàng không Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải): Tham khảo cơ sở lý luận và số liệu thực tế để xem xét điều chỉnh, cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế sân bay quốc gia, xây dựng lộ trình áp dụng tiêu chuẩn ICAO/FAA.
- Đơn vị tư vấn, thiết kế và thi công (Công ty ADCC, Tổng công ty ACV, các viện nghiên cứu chuyên ngành giao thông): Sử dụng các công thức hồi quy, phần mềm lập trình và quy trình phân tích Abaqus/FAARFIELD để tính toán chiều dày kết cấu, lựa chọn vật liệu và đánh giá tuổi thọ kết cấu đường CHC, đường lăn, sân đỗ.
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên sau đại học ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (chuyên ngành Đường ô tô và Sân bay): Làm tài liệu giảng dạy, học tập chuyên đề về cơ học mặt đường sân bay, mô hình hóa nhớt đàn hồi và động lực học tải trọng bánh tàu bay.
Câu hỏi thường gặp
-
Vì sao tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 bộc lộ nhiều hạn chế khi áp dụng thiết kế cho các sân bay hiện nay tại Việt Nam? Tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 được biên dịch từ tiêu chuẩn CHИП 2.05.08-85 của Liên Xô, quy định tải trọng tính toán tối đa là 85 tấn với cụm càng 4 bánh, áp suất bánh hơi 1,5 MPa. Trong khi đó, các sân bay Việt Nam đang khai thác các dòng tàu bay hiện đại (A350-900, B787, B777, B747) có tải trọng từ 250 tấn đến trên 380 tấn, tải trọng một bánh lên tới 40 tấn và áp suất bánh hơi đạt 1,69 MPa (vượt chuẩn từ 10% đến 50%). Khi thiết kế, tỷ số hình học $t_{tot}/D_{ei}$ vượt quá giới hạn biểu diễn của các toán đồ trong tiêu chuẩn.
-
Tải trọng tàu bay tác động lên các khu vực sân bay khác nhau như thế nào theo các quy chuẩn? Tải trọng tính toán được xác định qua công thức $P_{tt} = P_{cc\ max} \cdot k_{tt}$. Hệ số vượt tải $k_{tt}$ thay đổi theo từng khu vực: theo tiêu chuẩn CHИП/TCVN, khu A và B lấy $k_{tt} = 1,0$, khu C và D lấy $0,85$; theo ICAO Doc 9157, đoạn 150m đầu đường CHC và đường lăn lấy $k_{tt} = 1,1$, sân đỗ lấy $1,0$, giữa đường CHC lấy $0,7 - 0,8$, dải hãm phanh lấy $0,5$. Các khu vực đầu đường CHC và đường lăn chịu ảnh hưởng nặng nề nhất do tần suất lặp lại vệt bánh tập trung cao (95% - 100%) khi máy bay mang tải trọng cất cánh tối đa.
-
Nhiệt độ mùa hè tại mặt đường các sân bay Việt Nam ghi nhận được là bao nhiêu và ảnh hưởng thế nào đến kết cấu? Số liệu thống kê 7 ngày nóng nhất (2012–2017) cho thấy khi nhiệt độ không khí từ 35,66°C đến 39,00°C, nhiệt độ thực tế đo trên mặt đường bê tông nhựa tại Cát Bi đạt 59,00°C, Nội Bài đạt 62,20°C, Vinh đạt 62,50°C, Đà Nẵng đạt 61,70°C, Cam Ranh đạt 60,10°C, Tân Sơn Nhất đạt 59,80°C. Nhiệt độ vượt 60°C làm suy giảm mô đun đàn hồi của lớp bê tông nhựa, kết hợp tải trọng nặng trùng phục gây nên biến dạng dẻo trượt cắt và hằn lún vệt bánh xe.
-
Phần mềm FAARFIELD và tiêu chuẩn FAA AC 150/5320-6F sử dụng nguyên lý nào để thiết kế chiều dày kết cấu mặt đường mềm? FAARFIELD dựa trên lý thuyết đàn hồi nhiều lớp LEAF, kiểm soát đồng thời biến dạng kéo uốn đáy lớp bê tông nhựa và biến dạng nén đỉnh nền đất. Chương trình tính toán tuổi thọ mỏi thông qua hệ số phá hủy tích lũy $CDF = \sum \frac{n_j}{N_j}$ theo định luật cộng dồn hư hỏng tuyến tính Miner, có xét đến tỷ lệ đi qua sinh ra phá hủy $P/C$ của từng dòng tàu bay riêng biệt trong đội tàu bay hỗn hợp.
Kết luận
Luận án của tác giả Nguyễn Đình Chung đã phân tích toàn diện cơ sở lý luận và thực tiễn của các phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay áp dụng tại Việt Nam. Tác giả đã giải quyết thành công bài toán mở rộng phạm vi ứng dụng của tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 thông qua việc xây dựng các công thức hồi quy, lập trình phần mềm tính toán tự động khi tải trọng tàu bay vượt ngoài toán đồ. Đồng thời, công trình đã ứng dụng hiệu quả phần mềm Abaqus trong mô phỏng cơ học nhớt đàn hồi - tải trọng động và đề xuất cơ sở khoa học áp dụng tiêu chuẩn FAA AC 150/5320-6F (FAARFIELD) cho công tác thiết kế, đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường tại các cảng hàng không trong nước.