chương 1 tác giả đã tổng hợp đoạn đê sông Hồng xảy ra sự cố lún nứt mặt đê, đã nêu các nguyên nhân của từng vị trí đê xảy ra sự cố. Đây là cơ sở đê tác giả phân tích đánh giá sâu hơn và có giải pháp áp dụng trong các chương tiếp theo. 9 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG GÂY LÚN, NỨT CÁC ĐOẠN ĐÊ 2. Ảnh hưởng của rung động đến khối đắp 2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng tải trọng động ngắn hạn đến mặt đường mềm Nhiều nghiên cứu về ứng xử của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng sử dụng phương pháp đàn hồi đa lớp, theo phương pháp này trọng bánh xe được giả thiết ở trạng thái tĩnh tải trong khi thực tế thì mặt đường chịu tác dụng động của bánh xe, tải trọng động có thể gây thiệt hại lớn hơn so với tải trọng tĩnh.
Tuy nhiên phát triển mô hình phân tích mà có thể mô phỏng một cách chính xác tải trọng chuyển động của xe trên mặt đường rất khó, vì khó có thể bao quát được tất cả các biến số khi bánh xe và mặt đường tương tác với nhau. Vì vậy các nghiên cứu có xu hướng xem xét một số yếu tố tác động chính. Uddin et al cho rằng mô hình đàn dẻo tuyến tính với tải trọng tĩnh khi áp dụng sang tải trọng tĩnh trên mặt đường còn tồn tại nhiều vấn đề. Nghiên cứu này đã chứng tỏ sự hữu ích khi sử dụng mô hình 3 chiều để phân tích mặt đường dưới tác dụng của tải trọng động.
Theo Monismith et al thì không cần thiết phải phân tích toàn bộ, đầy đủ tất cả các yếu tố động cho nền đường mềm, như ảnh hưởng của quán tính khối lượng có thể bỏ qua, và tác động có thể xác định bằng phương pháp tĩnh sử dụng đặc tính tương thích với tỉ lệ tải trọng. Cebon cho rằng các thành phần tải trọng động của bánh xe có thể làm giảm tuổi thọ của mặt đường, như phá hoại do mỏi; phá hoại lún vệt lốp do tải trọng động của lốp xe giảm tuổi thọ mặt đường ít nhất 40%. Thậm chí với đường bằng phẳng tải trọng động cũng làm tăng tác động lên bề mặt 10%-15%. Wu và Shen quan sát thấy rằng chuyển vị động lớn lơn 18% so với chuyển vị tĩnh.
Để đánh giá ứng suất động dưới tải trọng động, Zafir et al sử dụng phương pháp lớp hữu hạn nền liên tục. Tác giả kết luận, các ứng suất tính toán được cho thấy rằng ảnh hưởng của tải trọng động là rất quan trọng, không nên bỏ qua. Theo các chuyên gia về tải trọng xe, tải trọng bánh xe thường được quy như tải trọng 10 tĩnh, chuẩn tĩnh hoặc động. Tải trọng tĩnh quy về khối lượng lưới; tải trọng chuẩn tĩnh sẽ gồm cả độ cứng, khối lượng không bao gồm lực giảm chấn trong phương trình cân bằng; tải trọng động gồm quán tính, giảm chấn, độ cứng và khối lượng trong phương trình chuyển động.
Theo các chuyên gia về mặt đường, tải trọng bánh xe được miêu tả như tải trọng tĩnh, chuyển động hoặc tải trọng động. Khi phân tích ứng sử mặt đường chỉ được sử dụng duy nhất một kiểu. Do đó, hầu hết các nghiên cứu đều tập trung đo ứng suất động do bánh xe tác dụng lên mặt đường hơn là sự phân phối ngẫu nhiên tải trọng động bánh xe tương ứng với đặc trưng hệ thống giảm xóc của xe. Tải trọng tĩnh sẽ là lực tĩnh, tải trọng chuyển động nghĩa là tải trọng chuyển động nhưng không đổi, tải trọng động là vừa chuyển động vừa thay đổi.
Tải trọng động bánh xe: Tải trọng bánh xe lên mặt đường khi xe đang chuyển động không giống như khi xe đang nghỉ. Tải trọng di chuyển của bánh xe được chia thành các tải trọng tĩnh và tải trọng động thay đổi liên tục phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: sự không đồng đều của mặt đường, tốc độ xe, khối lượng, hệ thống giảm xóc. Dao động theo phương đứng của xe là nguyên nhân gây ra lực động của bánh xe dẫn đến biến đổi cường độ bình quân lực khi mà xe lưu thông Cebon, papagiannakis và Taha đã đề xuất một hàm lực động đơn giản khi xe lưu thông, phương pháp này sử dụng để mô tả ảnh hưởng của tốc độ và tần xuất của xe lên mặt đường, phương trình như sau: P(t) = 10 + 5sin(2ft) (2.2) Trong đó: P(t) : lực động lý tưởng f : tần số lực (Hz) 11 t : thời gian (s) A : hệ số khuếch đại lực động không đổi D : khoảng thời gian tải tác dụng (s) Tác động, ảnh hưởng Phản ứng dạng tuyến tính, đẳng hướng của mặt đường khi chịu tác dụng lên xuống của bánh xe chuyển động tại một vận tốc cố định được mô hình theo phương pháp chập hoàn chỉnh như sau: (2.3) Trong đó: y(t) : phản ứng của nền tại thời điểm t h(t-) : phản ứng của nền khi chịu lực xung đơn vị : thành phần thời gian f() : lực đầu vào tại thời điểm Papagiannakis và Taha đã tính toán phản ứng R(t) tại thời điểm t như sau: (2.4) Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 3 chiều để tính toán cho đường Virginia Smart, kích thước trên mặt bằng được chọn là 2100x2100mm, các kích thước được chọn để giảm ảnh hưởng của cạnh biên trong tính toán đồng thời cũng giữ kích thước phần tử trong giới hạn cho phép. Tính đối xứng cũng không được xét đến khi tính toán tải trọng lốp đôi này.
Phản ứng chuẩn của mặt đường Hiện tại không có phương pháp phân tích động chuẩn nào để mô hình ảnh hưởng tải trọng động lên mặt nền, vì vậy khi dùng các mô hình tải trọng động đơn giản cần phải kiểm tra lại kết quả tính toán so với phản ứng đo được thực tế của mặt nền khi có xe cộ 12 lưu thông, công tác đo hiện trường được thực hiện trên đoạn đường Virginia Smart dưới tải trọng xe giảm chấn bằng bóng khí. Để có tương quan so sánh, kết quả thực nghiệm được quy đổi về nhiệt độ tham chiếu 25oC. Kết quả lún dọc đo tại hiện trường và tính toán trên mô hình a) Đáy lớp phủ bề mặt b) Đáy lớp asphalt Ta thấy rằng khi tải trọng xe di chuyển đến điểm đo ứng suất là ứng suất nén và ứng suất chuyển sang kéo khi xe rời đi. Tải trọng có tính chu kỳ dẫn đến có đoạn biến dạng dư tại đoạn cuối của biểu đồ Phản ứng động của mặt đường Tải trọng động ngắn hạn được dùng để thể hiện áp lực tiếp xúc biến đổi của vết lốp bánh xe được giả thiết là kết quả của chuyển động của ứng suất pháp không đều trên mặt đường phẳng.
Tính toán phản ứng động mặt đường tại đáy lớp asphalt ở 3200C 13 a) Biến dạng dọc b) Biến dạng ngang Trên là kết quả tính toán phản ứng động mặt đường tại đáy lớp asphalt dưới tác động của lốp đôi 5 gân. Tính toán phản ứng mặt đường tại đáy lớp asphalt ở 500C ứng với tải trọng động và chuẩn tĩnh a) Biến dạng ngang b) Biến dạng dọc c) Biến dạng trượt d) Ứng suất nén tại đỉnh nền đất e) Biến dạng lớn nhất tại đáy lớp asphalt f) Ứng suất lớn nhất tại đỉnh nền đất Để xác định sự khác nhau giữa phản ứng động và chuẩn tĩnh của mặt đường thì ta lựa chọn giá trị lớn nhất tại giữa lốp đôi (gân 3 – rib 3) 14 Tại nhiệt độ 50C thì kích thích động là cao nhất đặc biệt là với biến dạng ngang và biến dạng cắt (biến dạng trượt) bởi vì tần số tự nhiên của mặt đường ở nhiệt độ thấp là gần nhất với tần số của tải trọng động, nói cách khác tần số ở nhiệt độ này gần với trạng thái cộng hưởng và kích thích động là lớn nhất. Tính toán phản ứng mặt đường tại đáy lớp asphalt ở 2500C ứng với tải trọng động và chuẩn tĩnh a) Biến dạng ngang b) Biến dạng dọc c) Biến dạng trượt d) Ứng suất nén tại đỉnh nền đất 15 e) Biến dạng lớn nhất tại đáy lớp asphalt f) Ứng suất lớn nhất tại đỉnh nền đất Hình 2. Tính toán phản ứng mặt đường tại đáy lớp asphalt ở 3200C ứng với tải trọng động và chuẩn tĩnh a) Biến dạng ngang b) Biến dạng dọc c) Biến dạng trượt d) Ứng suất nén tại đỉnh nền đất e) Biến dạng lớn nhất tại đáy lớp asphalt f) Ứng suất lớn nhất tại đỉnh nền đất Từ các biểu đồ có thể thấy sự khác nhau rõ rệt giữa tính toán động và chuẩn tĩnh.
Thứ nhất, khi nhiệt độ tăng từ 500C, 2500C, 3200C phản ứng nền cũng tăng theo bởi vì độ 16 cứng của lớp asphalt mặt đường ở nhiệt độ thấp lớn hơn ở nhiệt độ cao. Thứ hai, phản ứng của mặt đường gây ra bởi sự khuếch đại động khi có lực động tức thời tác dụng là lớn hơn so với tải trọng chuẩn tĩnh. Thêm vào đó sự kích thích ở nhiệt độ thấp lớn hơn và giảm dần khi nhiệt độ tăng lên. Thứ ba, khi so sánh ứng suất ở đỉnh nền đất thấy rằng có sự khác biệt ở cả 2 trường hợp; ứng suất ban đầu với tải trọng chuẩn tĩnh cao hơn tải trọng động; ứng suất dư khi phân tích động lớn hơn khi chuẩn tĩnh ở tất cả các nhiệt độ.
Điều này có thể do tính toán chuẩn tĩnh dựa trên trạng thái cân bằng tự phát tại tất cả các bước phân tích trong khi phân tích động dựa trên phương trình chuyển động có xem xét đến lực quán tính khối lượng. Cuối cùng, từ việc so sánh ứng suất và chuyển vị lớn nhất tại các lớp khác nhau thấy rằng phản ứng động của mặt đường lớn hơn chuẩn tĩnh ở tất cả các trường hợp. Chênh lệch lớn nhất trong cả hai trường hợp là 39% với biến dạng kéo ở đáy lớp asphalt, 25% với ứng suất nén ở đỉnh nền đất và 10% với biến dạng dọc. Nghiên cứu áp lực bánh xe ô tô trên mặt đường của của Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải Từ các kết quả nghiên cứu của nước ngoài về ảnh hưởng của phương tiện giao thông đến mặt đường.
a) Các nghiên cứu của nước ngoài về ảnh hưởng của phương tiện giao thông Kết quả nghiên cứu theo phương pháp cơ học thực nghiệm về ảnh hưởng của áp lực bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa đã chỉ ra quan hệ giữa tải trọng trục xe và chỉ số nứt mỏi mặt đường và lún vệt bánh xe như dưới đây: 17 Hình 2.