phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo. Nội dung luận văn trình bày trong 3 chƣơng chính sau: Chƣơng 1. Tổng quan các phƣơng pháp thiết kế áo đƣờng, cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm. Hiện trạng mặt đƣờng giao thông tỉnh Đồng Nai, phân tích ƣu nhƣợc điểm, các nguồn nguyên vật liệu và điều kiện đất nền.
Đề xuất kết cấu áo đƣờng hợp lý cho tỉnh Đồng Nai. TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ ÁO ĐƢỜNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ KINH NGHIỆM 1. Cơ sở lý thuyết xây dựng kết cấu áo đƣờng Để xây dựng kết cấu áo đƣờng hiện nay nói chung cần đƣợc hình thành trên cơ sở giải quyết ba vấn đề nhƣ sau: - Xác định trạng thái giới hạn và tiêu chuẩn trạng thái giới hạn. Việc xác định này bao gồm việc nghiên cứu để chọn đƣợc thông số trạng thái giới hạn thích hợp với mô hình thiết kế và định lƣợng về giới hạn phát sinh hƣ hỏng.
- Cơ sở lý thuyết cho tính toán và phƣơng pháp tính toán - đánh giá mặt đƣờng. - Xác định các thông số thiết kế tùy thuộc cơ sở lý thuyết và phƣơng pháp tính toán, đề xuất phƣơng pháp xác định các thông số này, thích hợp với mô hình thiết kế và cơ sở lý thuyết của tính toán thiết kế. Các phƣơng pháp chính đƣợc sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đƣờng mềm bao gồm: - Phƣơng pháp lý thuyết sử dụng lý thuyết đàn hồi với các phƣơng trình tính ứng suất- biến dạng phát sinh trong kết cấu mặt đƣờng là hệ nhiều lớp đàn hồi. Đây là phƣơng pháp hiện đang đƣợc Việt Nam sử dụng để thiết lập Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt đƣờng mềm 22TCN211-06 [7].
Thuộc nhóm này còn có các phƣơng pháp thiết kế mặt đƣờng mềm của Pháp, Trung Quốc, Nga. Phƣơng pháp thiết kế mặt đƣờng mềm theo tiêu chuẩn 22TCN211- 06 hiện hành ở Việt Nam là phƣơng pháp lý thuyết-thực nghiệm dựa trên kết quả bài toán với mô hình bán không gian vô hạn đàn hồi nhiều lớp theo mô hình Burmister. Phƣơng pháp thiết kế theo 22TCN211-06 hiện cũng đang đƣợc nghiên cứu, chuyển đổi thành TCVN. Những hạn chế của phƣơng pháp này là: Vẫn phải sử dụng các toán đồ đƣợc xây dựng từ bài toán hệ đàn hồi 2 lớp, trong khi các phần mềm hiện đại, miễn phí đã tính toán cho hệ nhiều lớp đàn hồi và đàn nhớt dƣới tác dụng của tải trọng tính và động.
Phƣơng pháp cũng chƣa xét đến một số hiện tƣợng hƣ hỏng kết cấu khá phổ biến trong thực tế trong các trạng thái giới hạn kiểm toán kết cấu mặt đƣờng nhƣ biến dạng không hồi phục lún vệt bánh xe ở lớp bê tông nhựa do ứng suất cắt trƣợt lớn, đẩy trồi bê tông nhựa, nứt do xô trƣợt lớp mặt, nứt phản ánh. Phá hoại mỏi cũng chỉ đƣa vào các hệ số khi tính toán. Khi áp dụng 22TCN 211-06 sẽ khó khăn khi xác định các thông số đầu vào, yêu cầu thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý làm thông số tính toán của vật liệu trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành khó đƣợc thực hiện do 4 điều kiện về cơ sở thí nghiệm và kinh phí, thí nghiệm mô hình tĩnh xác định mô đun đàn hồi trong khi các tiêu chuẩn trên thế giới đều mô hình động. Cách phân loại vật liệu bê tông nhựa hiện nay chƣa có sự thống nhất, tham chiếu lẫn nhau giữa tiêu chuẩn thi công nghiệm thu và tiêu chuẩn thiết kế, nhiều loại vật liệu mới hiện đã đƣợc sử dụng nhƣng chƣa có các thông số tính toán tham chiếu trong tiêu chuẩn.
Hệ số độ tin cậy cũng là một khó khăn khi lựa chọn và mâu thuẫn với các thông số đầu vào đã đƣợc lấy ở điều kiện bất lợi nhất. - Phƣơng pháp kinh nghiệm với phƣơng trình thiết kế là các mối quan hệ thực nghiệm thu thập từ các thử nghiệm đƣờng và từ kinh nghiệm trong quá trình thiết kế, khai thác đƣờng. Hƣớng dẫn thiết kế mặt đƣờng AASHTO là một tiêu chuẩn điển hình cho các phƣơng pháp thiết kế này. Hƣớng dẫn thiết kế mặt đƣờng AASHTO đã đƣợc sử dụng tƣơng đối phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt trong các dự án đƣờng sử dụng nguồn vốn nƣớc ngoài.
Bộ Giao thông vận tải đã ban hành một tiêu chuẩn ngành, 22TCN274-01 [6], tiêu chuẩn đƣợc soạn thảo dựa trên phƣơng pháp thiết kế mặt đƣờng mềm của AASHTO. Hiện nay, Tổng cục Đƣờng bộ Việt Nam đang chuyển đổi thành tiêu chuẩn Việt Nam (6/2014 đã nghiệm thu cấp cơ sở). Phƣơng pháp thiết kế kết cấu áo đƣờng mềm theo hƣớng dẫn của AASHTO-93 vẫn đƣợc nhiều bang ở Mỹ và Canada sử dụng. Theo khảo sát của Cục đƣờng bộ liên bang Mỹ năm 2007 còn đến 63% các bang sử dụng AASHTO-93, 12% sử dụng AASHTO-72, 13% sử dụng phƣơng pháp do bang phát triển, 8% kết hợp AASHTO và phƣơng pháp của bang và 4% sử dụng phƣơng pháp khác.
Thống kê phương pháp thiết kế áo đường mềm của FHWA [11] Phƣơng pháp thiết kế kết cấu áo đƣờng mềm theo hƣớng dẫn của AASHTO-93 đƣợc phát triển dựa trên thử nghiệm AASHO từ 10/1958 đến 11/1960 gần Ottawa, Illinois với 5 những hạn chế bởi điều kiện khí hậu tại nơi thử nghiệm, kết cấu thử nghiệm, loại tải trọng thử nghiệm và thời gian thử nghiệm. Tuy nhiên đây cũng là phƣơng pháp đƣợc nhiều nƣớc sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đƣờng của mình nhƣ Canada, Nhật, Đài Loan, Singapore, Malaysia,… Ở Việt Nam trong khi chƣa có những nghiên cứu địa phƣơng hóa thì có thể sử dụng nguyên xi phƣơng pháp này để dần từng bƣớc tích lũy kinh nghiệm mới có thể biên soạn tiêu chuẩn quốc gia chính thức. Cùng với việc sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm AASHTO, các bang của Mỹ và Canada cũng đang nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp cơ học thực nghiệm MEPDG trong thiết kế mặt đƣờng mềm. - Phƣơng pháp cơ học - thực nghiệm, là phƣơng pháp phối hợp các phƣơng trình theo lý thuyết, bao gồm lý thuyết đàn hồi, lý thuyết nhiệt và các phƣơng trình từ các mối quan hệ thực nghiệm và kinh nghiệm thu thập đƣợc.
Phƣơng pháp này đƣợc tập trung nghiên cứu trong chƣơng trình nghiên cứu Chiến lƣợc đƣờng bộ SHRP. Phần mềm dùng để tính toán thiết kế là MEPDG, đây là hƣớng nghiên cứu chính để phân tích xác định tuổi thọ của kết cấu áo đƣờng. Trình tự thiết kế KCAĐ mềm theo cơ học – thực nghiệm [18] Phƣơng pháp cơ học thực nghiệm (MEPDG) đã và đang đƣợc sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đƣờng ở Mỹ và một số nƣớc khác. MEPDG khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của phƣơng pháp thiết kế kết cấu mặt đƣờng thuần thực nghiệm AASHTO phát triển trên cơ sở các thử nghiệm AASHO.
Là một trong những phƣơng pháp tiên tiến nhất, M-E PDG đƣợc nhiều nƣớc nghiên cứu sử dụng trong phân tích kết cấu mặt đƣờng. 6 Tóm lại để xây dựng kết cấu áo đƣờng hiện nay ở hầu hết các nƣớc đều đi theo khuynh hƣớng: - Dựa vào kinh nghiệm xử lý, lý thuyết cấu tạo mặt đƣờng và các đặc điểm về lƣu lƣợng xe, địa chất, vật liệu xây dựng, trình độ công nghệ, khả năng khai thác, duy tu bảo dƣỡng. để xây dựng kết cấu mặt đƣờng. - Dùng các phƣơng pháp tính toán để định chiều dày của các lớp.
- Phân tích các kết cấu về kỹ thuật, công nghệ và kinh tế. - Đƣa ra một bảng kết cấu mẫu (Catalo các kết cấu định hình). - Sử dụng và theo dõi kết cấu mẫu trong thực tế để tổng kết nhằm hoàn thiện và phát triển. Dƣới đây luận văn sẽ đi sâu vào trình bày chi tiết vấn đề quan trọng nhất cần phải thảo luận khi tiến hành xây dựng kết cấu mặt đƣờng cho giao thông đó là các phƣơng pháp tính toán, chiều dày các lớp vật liệu trong kết cấu áo đƣờng.
Nhóm các phƣơng pháp lý thuyết - thực nghiệm Phƣơng pháp lý thuyết - thực nghiệm: Lập các mô hình và phƣơng trình tính toán rồi qua thực nghiệm để kiểm tra nhằm xác định điều kiện bền. Cách tính toán thông thƣờng là xác định ứng suất do xe chạy gây ra trong các lớp mặt đƣờng bằng lý thuyết và so sánh các ứng suất này với cƣờng độ cho phép của vật liệu làm áo đƣờng thƣờng lấy theo kinh nghiệm. Thuộc vào loại này có các phƣơng pháp hay dùng dƣới đây. Phương pháp tính toán KCAĐ mềm 22TCN 211-06 a) Nội dung phƣơng pháp Sau khi thiết kế cấu tạo áo đƣờng dựa trên lý thuyết phân bố tải trọng xe theo chiều sâu, nhiệm vụ của việc tính toán là kiểm tra cấu tạo áo đƣờng đã đề xuất cùng với điều kiện nền đƣờng đã biết có đủ cƣờng độ để chịu đƣợc tải trọng xe thiết kế không, đồng thời tính toán xác định lại bề dày cần thiết của mỗi lớp vật liệu cấu tạo.
Điều kiện cần đạt đƣợc khi tính toán theo phƣơng pháp này là: Kết cấu áo đƣờng mềm đƣợc xem là đủ cƣờng độ nếu nhƣ trong suốt thời kỳ khai thác, dƣới tác dụng của xe nặng nhất và của toàn bộ dòng xe, trong bất kỳ tầng lớp nào (kể cả nền đất) cũng không phát sinh 7 biến dạng dẻo, tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá hoại và độ lún của kết cấu áo đƣờng không vƣợt quá trị số giới hạn cho phép. Do vậy, việc tính toán kết cấu áo đƣờng mềm chính là việc tính toán kiểm tra ba tiêu chuẩn cƣờng độ khi biết trƣớc tải trọng và lƣu lƣợng xe thiết kế: - Kiểm toán ứng suất cắt ở trong nền đất và trong các lớp vật liệu chịu cắt trƣợt kém so với trị số giới hạn cho phép để đảm bảo không xảy ra biến dạng dẻo (hoặc hạn chế sự phát sinh biến dạng dẻo). - Kiểm toán ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu liền khối nhằm hạn chế sự phát sinh nứt dẫn đến phá hoại các lớp đó. - Kiểm toán độ võng đàn hồi thông qua khả năng chống biến dạng biểu thị bằng trị số mô đun đàn hồi (Ech) của cả kết cấu áo đƣờng so với trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc.
Nếu điều kiện này đảm bảo thì sẽ hạn chế đƣợc hiện tƣợng mỏi trong vật liệu các lớp kết cấu dƣới tác dụng trùng phục của tải trọng dòng xe do đó mới đảm bảo duy trì đƣợc chất lƣợng của kết cấu đến hết thời hạn thiết kế.