Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện việt nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng xử cơ học vật liệu, kết cấu áo đường mềm chịu tải trọng động tại Việt Nam. Giải pháp cho đường bền vững, an toàn hơn.

• Tác giả: Bùi Văn Phú
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quang Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu Ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG
• 0.1.1. Ứng xử của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa dưới tác dụng tải trọng động
• 0.1.1.1. Nhựa đường và ma tít
• 0.1.1.2. Bê tông nhựa
• 0.1.1.3. Thí nghiệm mô đun phức động của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa
• 0.1.1.4. Thí nghiệm từ biến
• 0.1.1.5. Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số
• 0.1.1.6. Mô hình dự đoán tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và bê tông nhựa
• 0.1.2. Ứng xử của cấp phối đá dăm và đất nền dưới tác dụng tải trọng động
• 0.1.2.1. Mô đun động MR của lớp móng cấp phối và đất đắp nền đường
• 0.1.2.2. Một số mô hình dự đoán MR
• 0.1.3. Ứng xử của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng tải trọng động và các phương pháp thiết kế
• 0.1.3.1. Giới thiệu chung về kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng động
• 0.1.3.2. Các dạng hư hỏng thường gặp của kết cấu áo đường mềm
• 0.1.3.3. Một số phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm
• 0.1.4. Tình hình nghiên cứu ứng xử của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động tại Việt nam
• 0.1.5. Vấn đề nghiên cứu của luận án
• 0.1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 0.1.7. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA NHỰA ĐƯỜNG VÀ MA TÍT DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG
• 2.1. Thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và ma tít
• 2.1.1. Vật liệu thí nghiệm
• 2.1.2. Thiết bị thí nghiệm
• 2.1.3. Kết quả thí nghiệm và nhận xét
• 2.1.4. Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ kết quả thí nghiệm đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường
• 2.1.5. Mô phỏng ứng xử đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường
• 2.1.6. Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ tính chất đàn nhớt của nhựa đường
• 2.1.7. Mối liên hệ giữa tính chất đàn nhớt tuyến tính và nhiệt độ hóa mềm của nhựa đường
• 2.1.7.1. Vật liệu thí nghiệm
• 2.1.7.2. Nhiệt độ hóa mềm tương đương TV theo phương pháp của Alisov
• 2.1.7.3. Nhiệt độ hóa mềm tương đương TK
• 2.1.8. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG NHỰA DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG
• 3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
• 3.2. Thiết bị thí nghiệm
• 3.3. Thí nghiệm mô đun phức động 3D
• 3.3.1. Phương pháp thí nghiệm
• 3.3.2. Kết quả thí nghiệm và nhận xét
• 3.4. Thí nghiệm từ biến 3D
• 3.4.1. Phương pháp thí nghiệm
• 3.4.2. Kết quả thí nghiệm và nhận xét
• 3.5. Mô phỏng thí nghiệm từ biến 3D từ thí nghiệm mô đun phức động 3D
• 3.5.1. Mô hình Kelvin - Voigt 3D
• 3.5.2. Dự đoán biến dạng từ biến từ thí nghiệm mô đun phức động
• 3.5.3. Dự đoán mô đun động của bê tông nhựa từ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường
• 3.6. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG
• 4.1. Giới thiệu phần mềm Viscoroute
• 4.2. Thiết lập mô hình kết cấu và thông số tính chất vật liệu
• 4.3. Thiết lập thông số tải trọng, vận tốc tính toán và dữ liệu đầu ra
• 4.4. Phân tích kết cấu và xuất kết quả
• 4.5. Lựa chọn kết cấu, tải trọng tính toán và các trường hợp tính toán
• 4.5.1. Lựa chọn kết cấu và tải trọng
• 4.5.2. Các trường hợp tính toán
• 4.6. Các thông số tính chất vật liệu trong trường hợp tính toán đàn nhớt
• 4.6.1. Mô phỏng tính chất đàn nhớt tuyến tính của lớp mặt bê tông nhựa
• 4.6.2. Mô đun đàn hồi động của lớp đất nền
• 4.6.3. Mô đun động của lớp móng cấp phối đá dăm
• 4.7. Các thông số tính vật liệu trong trường hợp tính toán đàn hồi
• 4.7.1. Mô đun tĩnh của vật liệu bê tông nhựa
• 4.7.2. Mô đun tĩnh của lớp đất nền đường và lớp móng cấp phối
• 4.8. So sánh ứng xử của kết cấu của hai trường hợp tính toán: đàn hồi và đàn nhớt
• 4.8.1. So sánh ứng suất kéo uốn tại nhiệt độ 15°C
• 4.8.2. So sánh độ võng ở nhiệt độ 30°C
• 4.8.3. So sánh ứng suất cắt trượt ở nhiệt độ 60°C
• 4.9. Phân tích ảnh hưởng của tốc độ xe chạy và nhiệt độ đến ứng xử của của kết cấu khi tính toán đàn nhớt tuyến tính
• 4.9.1. Ảnh hưởng của tốc độ xe chạy
• 4.9.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 4.10. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên Cứu Áo Đường Mềm Dưới Tải Trọng Động Tổng Quan Quan Trọng

Kết cấu áo đường mềm sử dụng bê tông nhựa (BTN) rất phổ biến ở Việt Nam. BTN có nhiều ưu điểm như chi phí thấp, êm thuận, kín nước, cường độ cao, dễ bảo dưỡng và thi công nhanh. Tuy nhiên, BTN nhạy cảm với nhiệt độ, dễ biến dạng, nứt vỡ. Các hư hỏng như nứt mỏi, hằn lún vệt bánh xe gây thiệt hại lớn. Nguyên nhân có thể từ thiết kế, thi công, vận hành, bảo dưỡng. Thiết kế là giai đoạn quan trọng, đòi hỏi kỹ thuật và kinh tế. Việt Nam hiện dùng TCCS 37 và TCCS 38, trong đó TCCS 38 phổ biến hơn. Để thiết kế tốt, cần mô tả chính xác ứng xử cơ học vật liệu dưới tải trọng động và nhiệt độ, vì đây là thông số đầu vào quan trọng. Luận án này tập trung nghiên cứu sâu về vấn đề này, cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và khai thác áo đường hiệu quả hơn.

1.1. Ưu điểm và nhược điểm của kết cấu áo đường mềm BTN

Kết cấu áo đường mềm BTN có chi phí sản xuất ban đầu thấp hơn so với áo đường bê tông xi măng. Mặt đường êm thuận, ít gây tiếng ồn, và có tính kín, không thấm nước xuống nền móng phía dưới. BTN có cường độ tương đối cao và dễ dàng hơn trong công tác duy tu bảo dưỡng, thi công nhanh. Tuy nhiên, lớp mặt BTN nhạy cảm với nhiệt độ, thường bị biến dạng ở nhiệt độ cao và nứt ở nhiệt độ thấp. Trong quá trình sử dụng, kết cấu áo đường này thường xuyên đối mặt với các hư hỏng như nứt mỏi và hằn lún vệt bánh xe.

1.2. Tầm quan trọng của việc mô tả đúng ứng xử cơ học vật liệu

Để công tác thiết kế kết cấu áo đường được đảm bảo về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế, việc mô tả đúng đắn ứng xử cơ học của các lớp vật liệu làm đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường đóng vai trò then chốt. Các tính chất cơ học của vật liệu đóng vai trò là thông số đầu vào rất quan trọng của tất cả các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường hiện nay.

II. Thách Thức Thiết Kế Áo Đường Bỏ Qua Tải Trọng Động

Tải trọng xe chạy có tính động, tức là thay đổi về độ lớn và phương theo thời gian. Các lớp vật liệu trong áo đường mềm có cường độ và biến dạng khác nhau dưới tải trọng xe chạy. Lớp móng cấp phối và đất nền có ứng xử phi tuyến, mô đun độ cứng phụ thuộc vào trạng thái ứng suất. BTN có tính đàn hồi nhớt, nhạy cảm nhiệt, ứng xử phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác dụng lực. Khi tính toán, việc bỏ qua tính chất đàn nhớt tuyến tính và sử dụng các giá trị mô đun tĩnh (xác định trong điều kiện tải trọng tĩnh) không phản ánh chính xác ứng xử thực tế của vật liệu, dẫn đến kết quả thiết kế không phù hợp. Cần thay thế ứng xử đàn hồi tuyến tính bằng đàn nhớt tuyến tính dưới tác dụng của tải trọng động để mô phỏng sát hơn trạng thái làm việc thực tế. Luận án tiến sĩ này đi sâu vào nghiên cứu các yếu tố trên.

2.1. Tính động của tải trọng xe chạy và ảnh hưởng đến vật liệu

Tải trọng xe chạy là tải trọng có tính động tức là tải trọng tác dụng lên một điểm có sự thay đổi về độ lớn và phương tác dụng theo thời gian xe chạy qua. Các lớp vật liệu khác nhau trong kết cấu áo đường mềm có đặc tính cường độ và biến dạng khác nhau khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy.

2.2. Hạn chế của việc sử dụng mô đun tĩnh trong thiết kế áo đường

Trong phương pháp tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm quy định trong TCCS 38 : 2022/TCĐBVN của Việt Nam hiện hành, các giá trị mô đun của vật liệu là các giá trị mô đun tĩnh, được xác định trong điều kiện tải trọng tĩnh, không phản ánh chính xác ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường. Điều đó dẫn đến kết quả tính toán thiết kế kết cấu áo đường sẽ không có sự phù hợp với ứng xử thực tế của kết cấu.

III. Cách Nghiên Cứu Ứng Xử Vật Liệu Áo Đường Mềm Động Nhớt

Tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN được đặc trưng bởi mô đun phức động E* và góc trễ pha φ. Tính chất của lớp móng cấp phối đá và đất đắp nền đường được đặc trưng bởi mô đun động MR. Các thông số này được xác định bằng thí nghiệm sử dụng tải trọng động. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra sự phù hợp hơn khi coi ứng xử của BTN là đàn nhớt tuyến tính với các giá trị biến dạng đo trong thực tế. Để đo các thông số này cần thiết bị hiện đại, đắt tiền. Luận án đi sâu vào nghiên cứu, thí nghiệm và đánh giá ứng xử cơ học vật liệu dưới tải trọng động.

3.1. Đặc trưng tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN

Tính chất đàn nhớt tuyến tính của vật liệu nhựa đường và BTN được đặc trưng bởi mô đun phức động E* (Complex Modulus) (hoặc mô đun cắt động G* - Shear Complex Modulus) và góc trễ pha φ giữa ứng suất tác dụng và biến dạng sinh ra.

3.2. Đo lường thông số vật liệu bằng thí nghiệm tải trọng động

Các thông số này của vật liệu được xác định bằng thí nghiệm sử dụng tải trọng động (tải trọng biến thiên theo dạng hình sin hoặc haversine). Để đo các thông số này của các loại vật liệu cần những thiết bị máy móc có độ chính xác cao, hiện đại và đắt tiền.

IV. Phương Pháp Nghiên Cứu Tính Chất Nhựa Đường Ma Tít Động

Luận án tập trung vào nghiên cứu tính chất cơ học của nhựa đường và ma tít dưới tải trọng động. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính. Mô đun cắt động của ma tít được dự đoán từ kết quả thí nghiệm của nhựa đường. Mối liên hệ giữa tính chất đàn nhớt và nhiệt độ hóa mềm của nhựa đường cũng được nghiên cứu. Kết quả của chương này cung cấp thông tin quan trọng cho việc mô hình hóa và dự đoán ứng xử cơ học của vật liệu áo đường.

4.1. Thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và ma tít

Luận án thực hiện các thí nghiệm để xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và ma tít. Nghiên cứu này bao gồm việc lựa chọn vật liệu thí nghiệm, sử dụng thiết bị thí nghiệm phù hợp, thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả.

4.2. Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ tính chất của nhựa đường

Luận án dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ kết quả thí nghiệm đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường. Điều này giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm tốn kém và thời gian, đồng thời cung cấp thông tin hữu ích cho việc thiết kế hỗn hợp BTN.

V. Nghiên Cứu Bê Tông Nhựa Dưới Tải Trọng Động Mô Hình 3D

Nghiên cứu tính chất cơ học của bê tông nhựa (BTN) dưới tải trọng động là trọng tâm của chương này. Mẫu thí nghiệm được chuẩn bị kỹ lưỡng và thí nghiệm mô đun phức động 3D được thực hiện. Thí nghiệm từ biến 3D cũng được tiến hành và mô phỏng từ thí nghiệm mô đun phức động. Mô hình Kelvin-Voigt 3D được sử dụng để dự đoán biến dạng từ biến. Luận án cũng dự đoán mô đun động của BTN từ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường. Kết quả nghiên cứu giúp hiểu rõ hơn về ứng xử cơ học của BTN dưới tải trọng động.

5.1. Thí nghiệm mô đun phức động 3D và từ biến 3D trên bê tông nhựa

Luận án tiến hành thí nghiệm mô đun phức động 3D và từ biến 3D trên bê tông nhựa để đánh giá đầy đủ tính chất cơ học của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động. Phương pháp thí nghiệm và kết quả thí nghiệm được trình bày chi tiết.

5.2. Mô phỏng và dự đoán biến dạng từ biến của BTN

Luận án sử dụng mô hình Kelvin-Voigt 3D để mô phỏng thí nghiệm từ biến 3D và dự đoán biến dạng từ biến của BTN từ thí nghiệm mô đun phức động. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm.

VI. Tính Toán Kết Cấu Áo Đường Mềm Tải Trọng Động Viscoroute

Luận án sử dụng phần mềm Viscoroute để tính toán kết cấu áo đường mềm dưới tải trọng động. Mô hình kết cấu và thông số vật liệu được thiết lập, bao gồm thông số tải trọng, vận tốc và dữ liệu đầu ra. So sánh ứng xử của kết cấu trong trường hợp tính toán đàn hồi và đàn nhớt. Ảnh hưởng của tốc độ xe và nhiệt độ đến ứng xử của kết cấu khi tính toán đàn nhớt tuyến tính cũng được phân tích. Nghiên cứu này cung cấp công cụ và phương pháp để thiết kế áo đường mềm phù hợp với điều kiện thực tế, đặc biệt là dưới tác động của tải trọng động.

6.1. Thiết lập mô hình kết cấu và thông số vật liệu trong Viscoroute

Luận án giới thiệu cách thiết lập mô hình kết cấu và lựa chọn thông số vật liệu trong phần mềm Viscoroute. Quá trình này bao gồm việc xác định các lớp vật liệu, độ dày lớp, tính chất cơ học và các thông số cần thiết khác.

6.2. So sánh ứng xử của kết cấu khi tính toán đàn hồi và đàn nhớt

Luận án so sánh ứng xử của kết cấu khi sử dụng phương pháp tính toán đàn hồi và đàn nhớt. Điều này giúp đánh giá sự khác biệt và tầm quan trọng của việc sử dụng mô hình đàn nhớt trong thiết kế áo đường.