Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ, XÂY DỰNG VÀ KHAI THÁC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM Chương này tập trung nghiên cứu tổng quan về phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm, ảnh hưởng của loại xe, tải trọng xe, áp lực bánh xe đến thiết kế và khai thác kết cấu áo đường mềm, công nghệ xây dựng và bảo dưỡng sửa chữa mặt đường mềm. Phân tích các nghiên cứu trên thế giới và trong nước, phân tích những hạn chế, tồn tại để đề xuất khi thiết kế và khai thác kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam. Các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm Mỗi phương pháp thiết kế kết cấu áo đường nói chung cần được hình thành trên cơ sở giải quyết ba vấn đề như 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 được thông số trạng thái giới hạn thích hợp với mô hình thiết kế và định lượng về giới hạn phát sinh hư hỏng; Cơ sở lý thuyết cho tính toán và phương pháp tính toán - đánh giá mặt đường; Xác định các thông số thiết kế tùy thuộc cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán, đề xuất phương pháp xác định các thông số này, thích hợp với mô hình thiết kế và cơ sở lý thuyết của tính toán thiết kế.
Phân tích đánh giá về các phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm hiện hành đã được PGS.TS Trần Thị Kim Đăng [12] công bố nhiều bài báo từ kết quả của đề tài cấp Bộ GD&ĐT, mã số: B2007-04-41. Các phương pháp chính được sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm bao gồm: -7- Phương pháp lý thuyết sử dụng lý thuyết đàn hồi với các phương trình tính ứng suất - biến dạng phát sinh trong kết cấu mặt đường là hệ nhiều lớp đàn hồi. Đây là phương pháp hiện đang được Việt Nam sử dụng để thiết lập Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt đường mềm 22TCN-211-06 [2]. Thuộc nhóm này còn có các phương pháp thiết kế mặt đường mềm của Pháp, Trung Quốc, Nga,… Phương pháp thiết kế mặt đường mềm theo tiêu chuẩn 22TCN-211-06 hiện hành ở Việt Nam là phương 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.
Phương pháp thiết kế theo 22TCN-211-06 hiện cũng đang được nghiên cứu, chuyển đổi thành TCVN. Những hạn chế của phương pháp này là: Vẫn phải sử dụng các toán đồ được 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 dưới tác dụng của tải trọng tính và động [15, 16]. Phương pháp cũng chưa xét đến một số hiện tượng hư hỏng kết cấu khá phổ biến trong thực tế trong các trạng thái giới hạn kiểm toán kết cấu mặt đường như biến dạng không hồi phục lún vệt bánh xe ở lớp bê tông nhựa do ứng suất cắt trượt lớn, đẩy trồi bê tông nhựa, nứt do xô trượt lớp mặt, nứt phản ánh. Phá hoại mỏi cũng chỉ đưa 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 được thực hiện do 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 chưa 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 được sử dụng nhưng -8- chưa 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 được lấy ở điều kiện bất lợi nhất. Phương pháp kinh nghiệm với phương trình thiết kế là các mối quan hệ thực nghiệm thu thập từ các thử nghiệm đường và từ kinh nghiệm trong quá trình thiết kế - khai thác đường.
Hướng dẫn thiết kế mặt đường AASHTO là một tiêu chuẩn điển hình cho các phương pháp thiết kế này. Hướng dẫn thiết kế mặt đường AASHTO đã được sử dụng tương đối phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt trong các dự án đường sử dụng nguồn vốn nước ngoài. Bộ Giao thông vận tải đã ban hành một tiêu chuẩn ngành, 22TCN-274-01 [1], tiêu chuẩn được soạn thảo dựa trên phương pháp thiết kế mặt đường mềm của AASHTO. Hiện nay, Tổng cục Đường bộ Việt Nam đang chuyển đổi thành tiêu chuẩn Việt Nam (6/2014 đã nghiệm thu cấp cơ sở),.
Phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm theo hướng dẫn của AASHTO-93 vẫn được nhiều bang ở Mỹ và Canada sử dụng. Theo khảo sát của Cục đường bộ liên bang Mỹ năm 2007 [20] còn đến 63% các bang sử dụng AASHTO-93, 12% sử dụng AASHTO-72, 13% sử dụng phương pháp do bang phát triển, 8% kết hợp AASHTO và phương pháp của bang và 4% sử dụng phương pháp khác.1: Thống kê phương pháp thiết kế áo đường mềm của FHWA Hình 1.2: Đoạn thử nghiệm AASHO 1958-1960 - 10 - Phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm theo hướng dẫn của AASHTO-93 được phát triển dựa trên thử nghiệm AASHO từ 10/1958 đến 11/1960 gần Ottawa, Illinois với 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 phương pháp được nhiều nước sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đường của mình như Canada, Nhật, Đài Loan, Singapore, Malaysia,… Ở Việt Nam trong khi chưa có những nghiên cứu địa phương hóa thì có thể sử dụng nguyên xi phương pháp này để dần từng bước tích lũy kinh nghiệm mới có thể biên soạn tiêu chuẩn quốc gia chính thức. Cùng với việc sử dụng phương pháp thực nghiệm AASHTO, các bang của Mỹ và Canada cũng đang nghiên cứu áp dụng phương pháp cơ học thực nghiệm MEPDG trong thiết kế mặt đường mềm [42, 40, 32].
Phương pháp cơ học - thực nghiệm, là phương pháp phối hợp các phương trình theo lý thuyết, bao gồm lý thuyết đàn hồi, lý thuyết nhiệt và các phương trình từ các mối quan hệ thực nghiệm và kinh nghiệm thu thập được. Phương pháp này được tập trung nghiên cứu trong chương trình nghiên cứu Chiến lược đường bộ SHRP. Phần mềm dùng để tính toán thiết kế là MEPDG, đây là hướng nghiên cứu chính để phân tích xác định tuổi thọ của kết cấu áo đường mềm.3: Trình tự thiết kế kết cấu áo đường mềm theo cơ học – thực nghiệm Phương pháp cơ học thực nghiệm (MEPDG) đã và đang được sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đường ở Mỹ và một số nước khác. MEPDG khắc phục được các nhược điểm của phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường thuần thực nghiệm AASHTO phát triển trên cơ sở các thử nghiệm AASHO.
Là một trong những phương pháp tiên tiến nhất, M-E PDG được nhiều nước nghiên cứu sử dụng trong phân tích kết cấu mặt đường [24, 29, 30, 31, 32, 40, 41, 42]. Phiên bản thương mại của phương pháp cơ học thực nghiệm là DARWin-ME 2.1 với mức phí 5000USD/năm cho 1 máy (http://me- design. Tuy nhiên phiên bản MEPDG 1.1 miễn phí với đầy đủ tính năng được sử dụng nhiều trong nghiên cứu.4: Định hướng sử dụng phương pháp cơ học – thực nghiệm [42] Hình 1.5: Sử dụng phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường ở Mỹ [42] Theo nghiên cứu [42] có đến 80% các bang Mỹ định hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp cơ học thực nghiệm (Hình 1.4), các bang cũng có kế hoạch và lộ trình thời gian sử dụng phương pháp cơ học – thực nghiệm (Hình 1.6: Định hướng lộ trình sử dụng cơ học-thực nghiệm ở Mỹ [42] Phương pháp cơ học-thực nghiệm là phương pháp tiên tiến nhất hiện nay để phân tích tính toán kết cấu áo đường [20]. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi số liệu đầu vào lớn, thiết bị thí nghiệm đắt tiền, trình tự thí nghiệm xác định phức tạp, thông số khí hậu theo từng địa phương nên cần có thời gian tiếp cận, nghiên cứu, thử nghiệm và tích lũy kinh nghiệm ở Việt Nam.
Ngoài phương pháp cơ học-thực nghiệm MEPDG, dựa trên phương pháp cơ học thực nghiệm của Viện Asphalt – Mỹ (AI Method) một số nước cũng biên soạn tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường của mình, điển hình là Ấn Độ [37]. Các phần mềm sử dụng phân tích, dự báo sự phá hoại kết cấu áo đường mềm 1. Chương trình BISAR BISAR (BItuminous Structural Analysis in Roads) là phần mềm nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng trong kết cấu áo đường mềm theo mô hình và các giả thiết Burmister do hãng Shell phát triển.0 được sử dụng - 14 - rộng rãi trên thế giới khi nghiên cứu, đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu áo đường mềm.0 có thể thực hiện cùng lúc đến 10 bài toán với tốc độ rất nhanh. Mỗi bài toán cho phép tính toán với tải trọng phân bố trên 1 đến 10 vòng tròn gia tải, số lớp tính toán tối đa là 10 và có thể tính được ứng suất, biến dạng hoặc chuyển vị tại bất kỳ một vị trí nào trong hệ kết cấu mặt đường.
Thế mạnh của phần mềm này so với một số phần mềm tính toán kết cấu mặt đường mềm khác là ngoài tải trọng phân bố theo phương đứng, còn xét đến tải trọng theo phương ngang và có thể xét đến các trường hợp khác nhau về mức độ dính bám giữa các lớp. Chương trình BISAR sử dụng mô hình Goodman phân tích điều kiện liên kết giữa các lớp vật liệu. Để mô phỏng điều kiện làm việc giữa các lớp (điều kiện liên kết), chương trình đưa ra thông số AK- tỷ số giữa chuyển vị tương đối theo phương ngang với ứng suất cắt tại bề mặt chung giữa hai lớp- được thể hiện theo biểu thức: (m3/N) Thông số hệ số ma sát a giữa các lớp được tính theo: Với a - bán kính vòng tròn tương đương của vệt bánh xe; E - mô đun đàn hồi của lớp vật liệu đang xét; υ - hệ số Poisson của lớp vật liệu đang xét; a - hệ số ma sát 0 £ a £ 1: a=0: dính hoàn toàn; a=1: trượt hoàn toàn. Ngoài ra, người ta còn đưa thêm thông số ALK, được tính bằng công thức: - 15 -.
Khi nhập vào chương trình, người ta có thể chọn thông số là AK hoặc là ALK, mối quan hệ giữa AK và ALK được thể hiện bằng công thức: .