Đặt vấn đề Ở Việt Nam, kết cấu mặt đường bê tông nhựa (BTN) được sử dụng phổ biến. Do các yêu cầu về chịu lực nên kết cấu áo đường thường được bố trí nhiều tầng lớp với các nhiệm vụ khác nhau và thường được thi công thành từng lớp. Do đó, khi dính bám giữa các lớp không được đảm bảo sẽ xuất hiện hiện tượng cắt trượt tại vị trí tiếp xúc ảnh hưởng đến khả năng khai thác mặt đường. Hư hỏng mặt đường bê tông nhựa do nguyên nhân trượt có thể làm giảm từ 40% đến thậm chí trên 80% tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt đường [53].
Hiện nay, trong các tiêu chuẩn thiết kế và thi công mặt đường bê tông nhựa (BTN) ở Việt Nam chưa quan tâm nhiều đến cường độ cắt trượt giữa các lớp BTN, Một số giả thiết thiết kế kết cấu áo đường mềm vẫn coi các lớp dính chặt hoàn toàn là không phù hợp với thực tế [2]. Quá trình thi công các lớp chưa có phương pháp thí nghiệm và cường độ chống trượt giới hạn giữa các lớp BTN. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác, lớp mặt thường xuất hiện các hư hỏng cục bộ do cắt trượt giữa các lớp làm giảm tuổi thọ mặt đường. Cắt trượt ở giữa hai lớp BTN thường dẫn đến những hư hỏng như xô dồn, lượn sóng, hằn lún vệt bánh xe, nứt trượt.
Đặc biệt, ở các khu vực có lưu lượng giao thông cao, thường xuyên chịu tải trọng ngang lớn và những vùng khí hậu nắng nóng [48]. Thực tế, khi xe chạy, lực tác dụng lên áo đường được phân tích thành hai thành phần gồm lực thẳng đứng do tải trọng xe gây ra và lực nằm ngang do lực kéo, lực hãm phanh gây ra. Lực thẳng đứng truyền xuống khá sâu còn lực ngang (lực cắt trượt) chủ yếu tác dụng trên phần mặt của áo đường [14]. Để xác định cường độ chịu cắt giữa hai lớp BTN có thể sử dụng thí nghiệm cắt có duy nhất thành phần lực cắt và thí nghiệm cắt có cả hai thành phần lực (gây ra áp lực cắt và áp lực pháp tuyến).
Ở Việt Nam, đã có một số nhóm nghiên cứu cường độ chịu cắt trượt giữa các lớp BTN sử dụng thí nghiệm cắt thuần túy không có áp lực pháp tuyến như Leutner (Nguyễn Quang Phúc [19]), Leutner cải tiến (Đào Văn Đông và Nguyễn Ngọc Lân [13]), hay mô hình cắt xiên (Hoàng Tùng [23]). Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào thực hiện trên thiết bị cắt có bộ phận cung cấp áp lực pháp tuyến riêng biệt có thể điều chỉnh được nhằm nghiên cứu chi tiết các ảnh hưởng của áp lực pháp tuyến đến khả năng dính bám, chèn móc giữa các hạt cốt liệu hay cường độ chịu cắt trượt giữa các lớp BTN. luan an 2 Do đó, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực pháp tuyến đến khả năng chịu cắt trượt giữa hai lớp bê tông nhựa” trong điều kiện thực tế ở Việt Nam là cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Mục đích nghiên cứu Luận án nghiên cứu xác định cường độ chịu cắt trượt giữa các lớp BTN sử dụng thiết bị cắt có xét đến ảnh hưởng của áp lực pháp tuyến chế tạo được.
Từ đó đề xuất giá trị cường độ chịu cắt trượt tối thiểu yêu cầu giữa các lớp BTN và một số giải pháp giúp tăng khả năng chịu cắt trượt giữa các lớp BTN trong kết cấu mặt đường BTN tại Việt Nam. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là cường độ chịu cắt trượt giữa các lớp BTN Phạm vi nghiên cứu của luận án: Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực pháp tuyến và một số yếu tố khác (nhiệt độ, tỉ lệ tưới dính bám, kết cấu (thông qua ảnh hưởng của Dmax)) đến khả năng chịu cắt trượt giữa hai lớp BTN của các mẫu chế bị trong phòng thí nghiệm và đánh giá trên các mẫu khoan từ hiện trường một số dự án đang khai thác ở Việt Nam sử dụng thiết bị cắt có xét đến áp lực pháp tuyến. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đã phân tích, làm rõ cơ sở khoa học việc xác định và đánh giá cường độ chịu cắt trượt giữa các lớp BTN. Với thiết bị cắt có áp lực pháp tuyến đã chế bị thành công và hoạt động đơn giản, hiệu quả sẽ góp phần làm phong phú hơn trong việc lựa chọn các thiết bị xác định cường độ chịu cắt trượt hay cường độ dính bám giữa các lớp BTN đang được nghiên cứu ở Việt Nam.
Kết quả của luận án sẽ góp phần đề xuất cường độ chịu cắt trượt giới hạn giữa các lớp BTN và giải pháp để cải thiện chất lượng dính bám giữa các lớp BTN cho kết cấu mặt đường BTN ở Việt Nam hiện nay. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm tài liệu tham khảo vào việc xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và thi công kết cấu áo đường mềm có xét đến cường độ chịu cắt trượt tối thiểu giữa các lớp. luan an 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT TRƢỢT GIỮA HAI LỚP BÊ TÔNG NHỰA 1.
Tổng quan về mặt đƣờng mềm 1. Kết cấu mặt đường mềm Do các yêu cầu về chịu lực nên kết cấu áo đường thường được bố trí nhiều tầng, lớp với các nhiệm vụ khác nhau, phù hợp với trạng thái ứng suất. Sự phân bố ứng suất giảm dần theo chiều sâu nên cường độ các lớp giảm dần, lớp vật liệu tốt có cường độ cao, có sức chịu bào mòn tốt ở trên, lớp vật liệu rời rạc có cường độ thấp ở dưới. Trong kết cấu mặt đường bê tông nhựa, các lớp áo đường thường được thiết kế thành nhiều lớp.
Khi thi công, để tăng khả năng dính bám giữa hai lớp BTN và đảm bảo tính liên tục của kết cấu, lớp nhựa dính bám (Tack coat) thường được sử dụng. Trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt đường mềm ở Việt Nam coi các lớp bê tông nhựa là đồng nhất và liền khối [2]. Tuy nhiên, việc thi công thành từng lớp và những điều kiện thực tế trong công tác thi công ngoài hiện trường, làm cho chất lượng lớp dính bám không tốt. Khi đó, tính liền khối giữa các lớp bê tông nhựa không được đảm bảo và thường dẫn đến những hư hỏng sớm cho kết cấu mặt đường đặc biệt ở những vùng khí hậu nóng, lưu lượng và tải trọng xe lớn, hay ở những vị trí mà kết cấu mặt đường chịu tác dụng bất lợi của lực đẩy ngang.
Các hư hỏng trong quá trình khai thác do các nguyên nhân cắt trượt giữa các lớp BTN như xô dồn, nứt trượt, hằn vệt bánh xe hay các biến dạng ngang không hồi phục khác. Hư hỏng mặt đường bê tông nhựa do nguyên nhân trượt giữa các lớp BTN có thể làm giảm đến 40% tuổi thọ khai thác của kết cấu mặt đường [53]. Cấu tạo các lớp trong kết cấu mặt đƣờng mềm luan an 4 1. Phân bố ứng suất trong kết cấu áo đường mềm Khi xe chạy, lực tác dụng lên kết cấu áo đường gồm hai thành phần: Lực thẳng đứng do tải trọng xe chạy, gây ra trạng thái ứng suất σz trong kết cấu áo đường.
Trên bề mặt σz = pv (pv là áp lực thẳng đứng do tải trọng bánh xe nặng nhất truyền xuống qua diện tích vệt tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường; pv = (0.6) MPa tùy thuộc loại xe [14]. Lực thẳng đứng truyền xuống khá sâu cho đến nền đất (trong phạm vi tác dụng của tải trọng) khiến nền đất phải tham gia chịu tải. Lực nằm ngang do sức kéo, lực hãm, lực ngang (khi xe thay đổi tốc độ) gây ra trạng thái ứng suất σx trong kết cấu áo đường, với σx = (0.3)pv khi xe chạy đều và σx = (0.8)pv khi hãm xe [14]. Lực ngang chủ yếu tác dụng trên gần mặt áo đường mà không truyền sâu xuống các lớp dưới nên chỉ gây trạng thái ứng suất ở các lớp trên của lớp kết cấu làm cho vật liệu tại đó bị xô trượt, bào mòn dẫn đến phá hoại.
Sơ đồ phân bố ứng suất theo chiều sâu [14] 1. Ứng suất cắt trượt trong kết cấu áo đường mềm khi xét đến điều kiện dính bám Nhóm tác giả Bùi Xuân Cậy, Nguyễn Quang Phúc [9] phân tích quy luật phân bố ứng suất cắt trượt có xét đến điều kiện dính bám bằng phần mềm BISAR 3. Với các điều kiện: Tải trọng trục đơn 100kN, áp lực bánh xe pv=0.7 Mpa, sử dụng mô hình hai vòng tròn tương đương, bán kính vệt bánh xe tương đương r=10. Áp lực ngang (ph) thay đổi trong các trường hợp: ph=0, 0.
Điều kiện luan an 5 dính bám cho lớp BTNC9.5/BTNC19: Dính bám 20% và dính bám 100%. Kết quả cho thấy: điểm xuất hiện ứng suất cắt trượt lớn nhất nằm ngay trên lớp mặt ở mép hình tròn gia tải (mép bánh xe theo chiều lực ngang, cách tim bánh 0,99r). Giá trị lực ngang càng lớn, điều kiện dính bám giữa các lớp càng kém thì ứng suất cắt càng lớn. Giá trị ứng suất cắt lớn nhất trên bề mặt phụ thuộc điều kiện dính bám như sau: Khi áp lực ngang ph=0: τmax=(0.03-0,09)pv Khi áp lực ngang ph=0.
Hƣ hỏng mặt đƣờng liên quan do nguyên nhân cắt trƣợt 1. Cường độ chịu cắt trượt giữa hai lớp BTN Theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb, vật liệu phá hoại khi ứng suất cắt trên mặt phẳng phá hoại lúc phá hoại đạt phần nào hàm duy nhất của ứng suất pháp trên mặt phẳng đó [22], hay: τf = τ(σf) = σf tanυ+c (1.1) Trong đó τ là ứng suất tiếp, σ là ứng suất pháp trên mặt phẳng phá hoại tại thời điểm phá hoại (f: failure plane), υ là góc ma sát trong, c là lực dính của vật liệu. τf là ứng suất cắt lớn nhất trên mặt phá hoại còn được gọi là cường độ chịu cắt của vật liệu. Vì sự phá hoại này xảy ra trên một mặt phẳng xác định, nên cường độ chịu cắt là cho một mặt phẳng định trước (ứng với một trạng thái ứng suất nhất định).
Trong trường hợp này tại lớp tiếp xúc giữa hai lớp BTN, tức là tại một mặt phẳng định trước, để đánh giá khả năng chịu cắt trượt tại lớp tiếp xúc này có thể thông qua việc xác định cường độ chịu cắt trượt giữa hai lớp BTN. Đồng thời, thành phần lực dính và thành phần ma sát được coi là đặc trưng cho khả năng chịu cắt trượt tại lớp tiếp xúc giữa hai lớp BTN. Mô hình phá hoại cắt trượt giữa hai lớp BTN Các mô hình cơ học được nghiên cứu thường dựa trên mô hình đàn hồi lớp và sự thay đổi các thông số trượt giữa các lớp.