Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Phan Ngọc Tường Vy
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Trần Trọng Lễ
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố
• Đề tài: Nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.3. BỐ CỤC LUẬN VĂN
• 1.4. GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 1.5. GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
• 1.5.1. Giới thiệu chung
• 1.5.2. Các loại mặt đường bê tông xi măng
• 1.5.3. Các dạng hư hỏng thường gặp trong mặt đường bê tông xi măng
• 1.6. KHE NỐI TRONG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
• 1.6.1. Khe co ngang
• 1.6.2. Khe thi công
• 1.7. ĐẶC ĐIỂM THANH TRUYỀN LỰC
• 1.7.1. Cấu tạo thanh truyền lực
• 1.7.2. Đặc điểm làm việc
• 1.7.3. Phương pháp tính toán thanh truyền lực
• 1.8. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
• 1.8.1. Tính toán theo AASHTO
• 1.8.2. Tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam
• 1.8.3. Mô đun đàn hồi chung của nền đường
• 1.9. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TÍNH TOÁN
• 1.9.1. Sơ lược các bước giải bài toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
• 1.9.2. Phần mềm EverFE
• 1.9.3. Phần mềm Abaqus
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG CÓ KHE NỐI SỬ DỤNG THANH TRUYỀN LỰC
• 3.1. BÀI TOÁN KIỂM TRA
• 3.1.1. Thông số đầu vào
• 3.1.2. Phần tử sử dụng
• 3.1.3. Kết quả mô hình
• 3.1.4. Nhận xét kết quả
• 3.2. PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH
• 3.2.1. Thông số tính toán
• 3.2.2. Ứng suất uốn vồng trong tấm bê tông xi măng
• 3.2.3. Tấm BTXM chịu tác dụng tải trọng trục xe
• 3.2.4. Mặt đường BTXM thông thường có khe nối sử dụng thanh truyền lực
• 3.3. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• 3.3.1. Tấm BTXM chênh lệch nhiệt độ
• 3.3.2. Tấm BTXM chịu tác dụng tải trọng trục xe
• 3.3.3. Mặt đường BTXM thông thường có khe nối sử dụng thanh truyền lực
• 3.4. KHẢO SÁT YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG CÓ KHE NỐI
• 3.4.1. HIỆU QUẢ TRUYỀN TẢI TRỌNG CỦA THANH TRUYỀN LỰC
• 3.4.2. KHOẢNG CÁCH GIỮA CÁC THANH TRUYỀN LỰC
• 3.4.3. KÍCH THƯỚC TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG
• 3.4.3.1. Tấm bê tông xi măng chịu tác dụng tải trọng chênh lệch nhiệt độ
• 3.4.3.2. Tấm bê tông xi măng chịu tác dụng tải trọng xe
• 3.4.3.3. Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến ứng suất trong tấm
• 3.4.3.4. Ảnh hưởng của cấu tạo nền móng bên dưới đến ứng suất trong tấm
• 3.5. ẢNH HƯỞNG SỰ LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI GIỮA CÁC TẤM TRONG BÀI TOÁN ỨNG SUẤT NHIỆT
• 3.5.1. Khi xét tấm đơn
• 3.5.2. Khi xét tấm có thanh truyền lực
• KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mặt đường bê tông xi măng và phương pháp tính toán

Mặt đường bê tông xi măng là một trong những loại kết cấu đường phổ biến hiện nay. Việc tính toán mặt đường này có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ bền và an toàn cho giao thông. Ứng xử thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải và độ ổn định của kết cấu. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để mô phỏng và phân tích ứng xử của mặt đường dưới tác động của tải trọng và nhiệt độ. Các yếu tố như kích thước tấm, cấu trúc nền móng và điều kiện môi trường đều có thể ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải trọng. Kết quả từ các mô hình FEM cho thấy rằng việc sử dụng thanh truyền lực có thể cải thiện đáng kể hiệu quả truyền tải trọng giữa các tấm bê tông, từ đó nâng cao độ êm thuận của mặt đường.

1.1. Các loại mặt đường bê tông xi măng

Mặt đường bê tông xi măng có nhiều loại khác nhau, bao gồm mặt đường có khe nối và mặt đường không có khe nối. Mỗi loại có những đặc điểm riêng và phù hợp với các điều kiện sử dụng khác nhau. Mặt đường có khe nối thường được sử dụng trong các khu vực có tải trọng lớn và điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Việc thiết kế khe nối và bố trí thanh truyền lực là rất quan trọng để đảm bảo sự làm việc hiệu quả của mặt đường. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc bố trí thanh truyền lực đúng cách có thể giảm thiểu sự hư hỏng và kéo dài tuổi thọ của mặt đường.

II. Phân tích ứng xử của thanh truyền lực

Phân tích ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng là một phần quan trọng trong thiết kế kết cấu. Các thanh này giúp truyền tải trọng từ tấm này sang tấm khác, giảm thiểu ứng suất và biến dạng trong tấm bê tông. Việc sử dụng phần mềm Abaqus và EverFE cho phép mô phỏng chính xác ứng xử của thanh truyền lực dưới tác động của tải trọng và nhiệt độ. Kết quả phân tích cho thấy rằng kích thước và khoảng cách giữa các thanh truyền lực có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả truyền tải trọng. Việc tối ưu hóa thiết kế thanh truyền lực không chỉ giúp cải thiện độ bền của mặt đường mà còn giảm thiểu chi phí xây dựng.

2.1. Tính toán ứng suất trong tấm bê tông

Tính toán ứng suất trong tấm bê tông là một phần quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu tải của mặt đường. Các yếu tố như tải trọng trục xe, chênh lệch nhiệt độ và kích thước tấm đều ảnh hưởng đến ứng suất trong tấm. Nghiên cứu cho thấy rằng ứng suất uốn vồng trong tấm bê tông có thể gây ra nứt và hư hỏng nếu không được kiểm soát. Việc sử dụng thanh truyền lực có thể giúp phân phối tải trọng đều hơn, từ đó giảm thiểu ứng suất và kéo dài tuổi thọ của mặt đường.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về ứng xử thanh truyền lực trong mặt đường bê tông xi măng bằng phương pháp phần tử hữu hạn đã chỉ ra rằng việc thiết kế và bố trí thanh truyền lực là rất cần thiết để đảm bảo hiệu quả truyền tải trọng và độ bền của mặt đường. Các kết quả phân tích cho thấy rằng việc tối ưu hóa kích thước và khoảng cách giữa các thanh truyền lực có thể cải thiện đáng kể độ êm thuận và tuổi thọ của mặt đường. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là cần thực hiện thêm các thí nghiệm thực tế để xác minh các kết quả mô phỏng và phát triển các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp cho mặt đường bê tông xi măng.

3.1. Đề xuất cho nghiên cứu tiếp theo

Cần thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến ứng xử của mặt đường bê tông xi măng. Việc khảo sát các loại vật liệu mới và công nghệ thi công hiện đại cũng là một hướng đi tiềm năng để nâng cao chất lượng và hiệu quả của mặt đường. Ngoài ra, việc phát triển các phần mềm mô phỏng tiên tiến hơn sẽ giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán ứng xử của mặt đường dưới các điều kiện khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng giao thông nhờ độ bền cao, khả năng chịu tải trọng lớn và ít cần bảo dưỡng. Tính đến năm 2013, mặt đường BTXM chiếm khoảng 9% tổng chiều dài đường đô thị tại Mỹ và 25% mạng lưới đường cao tốc tại Đức. Ở Việt Nam, mặc dù chiếm tỷ lệ khiêm tốn khoảng 3% tổng chiều dài hệ thống đường bộ, mặt đường BTXM vẫn được sử dụng phổ biến tại các tuyến đường chịu tải trọng nặng và sân bay quốc tế. Tuy nhiên, các hư hỏng thường xảy ra tại vị trí khe nối giữa các tấm bê tông, đặc biệt là các khe nối ngang, gây ảnh hưởng đến độ bền và độ êm thuận của mặt đường.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử của thanh truyền lực trong mặt đường BTXM có khe nối bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), sử dụng phần mềm Abaqus và so sánh với phần mềm EverFE. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tải trọng trục xe, chênh lệch nhiệt độ, kích thước tấm bê tông và khoảng cách bố trí thanh truyền lực đến hiệu quả truyền tải trọng và ứng suất trong mặt đường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mặt đường BTXM thông thường có khe nối ngang, trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến 2016 tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu thiết kế khe nối và bố trí thanh truyền lực, giúp nâng cao độ bền, giảm thiểu hư hỏng, đồng thời cải thiện độ êm thuận và giảm chi phí thi công, bảo dưỡng mặt đường bê tông xi măng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết tấm trên nền đàn hồi: Mặt đường BTXM được mô hình hóa như tấm bê tông đặt trên nền đàn hồi, chịu tác động của tải trọng và chênh lệch nhiệt độ. Các ứng suất uốn vồng và ứng suất do giãn nở nhiệt được tính toán dựa trên mô hình này.

• Mô hình phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng ứng xử 3D của mặt đường BTXM có khe nối và thanh truyền lực, cho phép phân tích chi tiết ứng suất, chuyển vị và lực cắt trong thanh truyền lực.

• Khái niệm chính:

  • Thanh truyền lực (dowel bar): Thanh thép tròn trơn đặt tại khe nối ngang, có tác dụng truyền tải trọng giữa các tấm bê tông mà không hạn chế chuyển vị do giãn nở nhiệt.
  • Khe nối ngang: Vị trí phân chia các tấm bê tông, có thể là khe co ngang, khe thi công hoặc khe giãn, ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của mặt đường.
  • Ứng suất ép mặt: Ứng suất giữa thanh truyền lực và bê tông, cần kiểm soát không vượt quá giới hạn cho phép để tránh hư hỏng.
  • Hiệu quả truyền tải trọng (Load Transfer Efficiency - LTE): Tỷ lệ tải trọng được truyền qua khe nối nhờ thanh truyền lực, ảnh hưởng đến độ bền và độ êm thuận của mặt đường.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Số liệu thực nghiệm về nhiệt độ phân bố theo chiều dày tấm bê tông, tải trọng trục xe, thông số vật liệu bê tông và thép, tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam và quốc tế.

• Phương pháp phân tích:

  • Mô phỏng ứng xử mặt đường BTXM có khe nối sử dụng phần mềm Abaqus V6.10, mô hình 3D với các phần tử bê tông và thanh truyền lực.
  • So sánh kết quả với phần mềm chuyên ngành EverFE để kiểm chứng độ chính xác.
  • Tính toán ứng suất, chuyển vị, lực cắt trong thanh truyền lực dưới tác dụng tải trọng trục xe và chênh lệch nhiệt độ.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: chiều dày tấm (20-30 cm), kích thước tấm, khoảng cách giữa các thanh truyền lực (300 mm), mô đun đàn hồi nền đất (theo hệ số nền Winkler).

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2015, hoàn thành và bảo vệ luận văn vào tháng 01 năm 2016.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình số học được xây dựng dựa trên các thông số tiêu chuẩn và số liệu thực tế tại Việt Nam, không áp dụng khảo sát thực nghiệm trực tiếp nhưng so sánh với các nghiên cứu quốc tế và phần mềm chuyên ngành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của thanh truyền lực đến hiệu quả truyền tải trọng
   Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng thanh truyền lực làm tăng hiệu quả truyền tải trọng qua khe nối lên đến khoảng 85-90%, giảm đáng kể độ võng tại khe nối so với mặt đường không sử dụng thanh truyền lực. Lực cắt lớn nhất trong thanh truyền lực đạt khoảng 0.5W (W là tải trọng tác dụng), phù hợp với lý thuyết thiết kế an toàn.

2. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các thanh truyền lực
   Khi khoảng cách giữa các thanh truyền lực tăng từ 200 mm lên 300 mm, lực cắt lớn nhất trong mỗi thanh giảm khoảng 20%, tuy nhiên hiệu quả truyền tải trọng cũng giảm nhẹ. Khoảng cách 300 mm được xác định là hợp lý để cân bằng giữa chi phí và hiệu quả truyền tải.

3. Ảnh hưởng của chiều dày tấm bê tông
   Chiều dày tấm tăng từ 20 cm lên 30 cm làm giảm ứng suất uốn vồng do chênh lệch nhiệt độ khoảng 25%, đồng thời giảm ứng suất kéo uốn do tải trọng trục xe khoảng 30%. Tuy nhiên, chiều dày lớn hơn làm tăng chi phí thi công và thời gian bảo dưỡng.

4. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ
   Ứng suất uốn vồng do chênh lệch nhiệt độ mặt trên và mặt dưới tấm BTXM có thể lên đến 5.5 MPa vào ban ngày, giảm còn khoảng 2.7 MPa vào ban đêm. Sự phân bố nhiệt độ theo chiều dày tấm được mô phỏng tuyến tính, phù hợp với số liệu thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng bằng Abaqus cho thấy sự phù hợp cao với phần mềm EverFE và các nghiên cứu quốc tế, khẳng định tính chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích mặt đường BTXM có khe nối. Việc bố trí thanh truyền lực không chỉ nâng cao hiệu quả truyền tải trọng mà còn giảm thiểu các hiện tượng hư hỏng như cập kênh, phồng mặt đường và nứt gãy tại khe nối.

So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào ứng xử tổng thể của tấm bê tông, luận văn đã đi sâu vào phân tích chi tiết sự làm việc của thanh truyền lực, cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế khe nối và bố trí thanh truyền lực hợp lý. Việc lựa chọn kích thước tấm và khoảng cách thanh truyền lực cần cân nhắc giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí xây dựng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực cắt lớn nhất trên từng thanh truyền lực, biểu đồ ứng suất uốn vồng theo chiều dày tấm và bảng so sánh hiệu quả truyền tải trọng với các khoảng cách thanh truyền lực khác nhau, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu khoảng cách bố trí thanh truyền lực
   Khuyến nghị bố trí thanh truyền lực cách nhau khoảng 300 mm để đảm bảo hiệu quả truyền tải trọng trên 85% và giảm lực cắt tối đa trong thanh, giúp kéo dài tuổi thọ mặt đường. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án thiết kế và thi công mặt đường BTXM.

2. Lựa chọn chiều dày tấm phù hợp
   Đề xuất sử dụng chiều dày tấm từ 25 đến 30 cm cho các tuyến đường chịu tải trọng lớn và có chênh lệch nhiệt độ cao, nhằm giảm ứng suất uốn vồng và kéo dài tuổi thọ mặt đường. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế và thi công công trình giao thông.

3. Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn trong thiết kế
   Khuyến khích áp dụng phần mềm Abaqus hoặc EverFE để mô phỏng và phân tích ứng xử mặt đường BTXM, đặc biệt là tại vị trí khe nối, nhằm nâng cao độ chính xác trong thiết kế và dự báo hư hỏng. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật.

4. Kiểm soát chất lượng vật liệu và thi công khe nối
   Đề xuất sử dụng thép chống gỉ hoặc bọc epoxy cho thanh truyền lực, đồng thời áp dụng quy trình thi công khe nối nghiêm ngặt, sử dụng chất bịt kín cao cấp để ngăn ngừa xâm nhập nước và vật liệu gây hư hỏng. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và quản lý dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu giao thông
   Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng hiện đại để thiết kế khe nối và bố trí thanh truyền lực tối ưu, giúp nâng cao chất lượng mặt đường bê tông xi măng.

2. Nhà thầu thi công và quản lý dự án
   Tham khảo để hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải trọng và các yêu cầu kỹ thuật trong thi công khe nối, từ đó đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng đường ô tô
   Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu mặt đường bê tông xi măng, đồng thời cập nhật các tiêu chuẩn và phương pháp tính toán hiện đại.

4. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng
   Cung cấp dữ liệu và phân tích khoa học để hoàn thiện các quy định về thiết kế khe nối, thanh truyền lực và tiêu chuẩn kỹ thuật mặt đường bê tông xi măng phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Thanh truyền lực có vai trò gì trong mặt đường bê tông xi măng?
   Thanh truyền lực giúp truyền tải trọng từ tấm bê tông chịu tải sang tấm liền kề qua khe nối, giảm ứng suất và chuyển vị tại khe, từ đó hạn chế hư hỏng như nứt gãy và cập kênh. Ví dụ, hiệu quả truyền tải trọng có thể tăng lên đến 90% khi sử dụng thanh truyền lực.

2. Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng chi tiết ứng suất, chuyển vị và lực cắt trong mặt đường BTXM có khe nối, cho phép phân tích ảnh hưởng của tải trọng, nhiệt độ và cấu tạo khe nối. Phần mềm Abaqus được sử dụng để xây dựng mô hình 3D và so sánh với phần mềm EverFE.

3. Ảnh hưởng của chiều dày tấm bê tông đến ứng suất trong mặt đường ra sao?
   Chiều dày tấm tăng làm giảm ứng suất uốn vồng và ứng suất kéo uốn do tải trọng, giúp tăng độ bền mặt đường. Tuy nhiên, chiều dày lớn cũng làm tăng chi phí thi công. Nghiên cứu cho thấy tăng chiều dày từ 20 cm lên 30 cm giảm ứng suất khoảng 25-30%.

4. Khoảng cách tối ưu giữa các thanh truyền lực là bao nhiêu?
   Khoảng cách 300 mm được xác định là hợp lý, cân bằng giữa hiệu quả truyền tải trọng và chi phí vật liệu. Khoảng cách nhỏ hơn làm tăng lực cắt trong thanh, trong khi khoảng cách lớn hơn giảm hiệu quả truyền tải.

5. Làm thế nào để kiểm soát ứng suất ép mặt giữa thanh truyền lực và bê tông?
   Ứng suất ép mặt được tính toán dựa trên tải trọng tác dụng và đặc tính vật liệu, không được vượt quá giới hạn cho phép (khoảng 3 MPa). Việc sử dụng thép chống gỉ và phủ lớp chống dính giúp giảm ma sát và ngăn ngừa hư hỏng tại vị trí tiếp xúc.

Kết luận

• Thanh truyền lực đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả truyền tải trọng và giảm hư hỏng khe nối trong mặt đường BTXM.
• Phương pháp phần tử hữu hạn, đặc biệt là phần mềm Abaqus, là công cụ mạnh mẽ để phân tích ứng xử kết cấu mặt đường bê tông xi măng có khe nối.
• Khoảng cách thanh truyền lực 300 mm và chiều dày tấm từ 25-30 cm được đề xuất là tối ưu cho các điều kiện tải trọng và nhiệt độ tại Việt Nam.
• Việc kiểm soát ứng suất ép mặt và sử dụng vật liệu chống ăn mòn cho thanh truyền lực là cần thiết để đảm bảo tuổi thọ mặt đường.
• Các bước tiếp theo bao gồm áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực chuyên môn.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế mặt đường BTXM, đồng thời tuân thủ các khuyến nghị về bố trí thanh truyền lực và chiều dày tấm để nâng cao chất lượng công trình giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Giới thiệu về mặt đường bê tông xi măng và phương pháp tính toán. Tính toán mặt đường bê tông xi măng có khe nối sử dụng thanh truyền lực. Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc mặt đường bê tông xi măng có khe nối.

Kết luận, kiến nghị. Tổng quát nội dung thực hiện trong luận văn như trên sơ đồ thể hiện ở Hình 1-1. Nội dung thực hiện trong luận văn ─ Trang 9 ─ CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 2.

GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG 2. Giới thiệu chung Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) được định nghĩa là mặt đường ô tô có tầng mặt bằng BTXM có thể có cốt thép, lưới thép hoặc không. Trong phạm vi luận văn do thời gian có hạn tác giả chỉ trình bày về mặt đường BTXM thông thường có khe nối. Mặt đường BTXM thông thường có khe nối là loại mặt đường có tầng mặt bằng các tấm BTXM kích thước hữu hạn, liên kết với nhau bằng các khe nối (khe dọc và khe ngang).

Ngoại trừ vị trí khe nối và các khu vực cục bộ khác, trong tầng mặt BTXM loại này đều không bố trí cốt thép (mặt đường BTXM phân tấm không cốt thép) [2]. Sơ lƣợc về sự phát triển mặt đƣờng bê tông xi măng A. Trên thế giới Mặt đường bê tông xi măng đầu tiên được xây dựng vào năm 1893 (Fitch, 1996) tại Bellefontaine, Ohio. Tính đến năm 2001, đã có khoảng 59.000 km) áo đường cứng được xây dựng ở Hoa Kỳ [10].

Trong những năm qua, mặt đường BTXM đã được tiếp tục được xây dựng và phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới, tập trung nhiều nhất ở các nước có nền kinh tế phát triển như: Canada, Hoa Kỳ, CHLB Đức, Anh, Bỉ, Hà Lan, Australia, Trung Quốc… Theo Báo cáo Long - Life Concrete Pavements in Europe and Canada” của Cục Đường bộ Liên bang Mỹ - FHWA), đến năm 2013, khối lượng mặt đường BTXM đã xây dựng ở một số nước như sau: Tại Mỹ, mặt BTXM chiếm khoảng 9% của 490.179km đường đô thị và 4% của 1.491km đường ngoài đô thị. Tỉnh Québec, Canada có 1.239km (đường 2 làn xe) trong tổng số 29.000km đường (khoảng 4%) là mặt đường BTXM nhưng lại ─ Trang 10 ─ phục vụ tới 75% lượng giao thông ở Québec. Đức, mặt đường BTXM không cốt thép, phân tấm chiếm khoảng 25% mạng lưới đường cao tốc với lưu lượng giao thông cao. Áo, đường cao tốc chiếm khoảng 25% mạng lưới đường bộ quốc gia (14.000km), trong đó mặt đường BTXM chiếm 2/3 khối lượng đường cao tốc.

Bỉ, mạng lưới đường khoảng 134.000km, gồm đường cao tốc, đường tỉnh, đường địa phương và đường nông thôn. Trong đó, đường cao tốc có khoảng 1.700km, tức là chỉ hơn 1%. Mặt đường BTXM chiếm 40% của những đường cao tốc và 60% đường nông thôn. Tổng cộng, mặt đường BTXM chiếm khoảng 17%.

Ngoài ra, Hà Lan còn có 20.000km đường xe đạp, trong đó 10% là mặt đường BTXM. Vương quốc Anh, mạng lưới đường có khoảng 285.500km là mặt đường BTXM, chiếm khoảng 67% đường cao tốc ở Úc và chiếm 60% đường cao tốc ở Trung Quốc. Tại Trung Quốc, Thái Lan và một số nước trong khu vực đã xây dựng hàng trăm ngàn kilômét đường giao thông bằng BTXM. Tại Việt Nam Mặt đường BTXM đã được áp dụng ở nước ta từ trước năm 1945, một số công trình như đoạn QL3 (Thái Nguyên - Bắc Kạn, 1980), Quán Thánh - Cửa Lò (1979), QL18 (Tiên Yên - Móng Cái), đường Hùng Vương và Quảng trường Ba Đình… đã được xây dựng và đang ở trong tình trạng khá tốt.

Mặt đường BTXM cũng được sử dụng thay thế mặt đường bê tông nhựa như một phương án thiết kế chống lún trồi cho mặt đường chịu tác dụng tải trọng nặng quá tải lưu thông như trong dự án Đại lộ Đông Tây Sài Gòn [11]. (a) Đại lộ Đông Tây – Tp. HCM (b) Sân bay quốc tế Đà Nẵng [12] (Nguồn: dantri. Mặt đường BTXM được sử dụng trong đường ô tô và sân bay ─ Trang 11 ─ Ngoài việc sử dụng trong xây dựng đường ô tô, mặt đường BTXM được xem là phương án phù hợp sử dụng trong sân bay như sân bay quốc tế Tân Sơn Nhất, sân bay quốc tế Đà Nẵng [12]… để chịu được tải trọng nặng và lực xung kích lớn.

Hiện nay, công nghệ xây dựng đường BTXM được phát triển đa dạng như: thi công thủ công, bán cơ giới thi công tại chỗ với các thiết bị chuyên dụng, thi công bê tông đầm lăn, hay có thể thi công theo phương pháp lắp ghép, các tấm mặt đường được chế tạo trong nhà máy, vận chuyển và lắp ghép trên mặt nền đã chuẩn bị xong. Tùy theo điều kiện thực tế, phương pháp thi công có thể được lựa chọn sao cho đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế. Do đó sự phát triển của mặt đường BTXM ngày càng thuận lợi hơn. Theo ý kiến của Cục Giám định Nhà nước về chất lượng công trình xây dựng: Sự khác nhau lớn nhất giữa đường BTXM và đường bê tông nhựa là đường BTXM có cấu trúc cứng và đường bê tông nhựa có kết cấu mềm.

Cấu trúc mặt đường cứng giúp phân bố đều tải trọng, chịu va đập tốt, thích ứng với mọi loại xe, kể cả xe bánh xích. Cường độ mặt đường không thay đổi theo nhiệt độ. Mặt đường BTXM rất ổn định trong môi trường nước, chịu ngập lụt lâu ngày. Kỹ thuật thi công đa dạng, với thiết bị hiện đại, cơ giới hóa toàn bộ, từ khâu vận chuyển, rải đầm… Mặc dù đường BTXM mang lại hiệu quả kinh tế cao nhưng việc phát triển loại đường này ở nước ta vẫn rất khiêm tốn, chỉ chiếm gần 3% tổng chiều dài của cả hệ thống đường bộ.

Phạm vi sử dụng Theo Thông tư số 12/2013/TT-BGTVT Quy định về sử dụng kết cấu mặt đường bê tông xi măng trong đầu tư xây dựng công trình giao thông [13], kết cấu mặt đuờng BTXM được sử dụng trong dự án xây dựng công trình giao thông khi phù hợp với điều kiện địa hình, địa chất, khí hậu, thủy văn, cung ứng vật liệu, điều kiện thi công sửa chữa, bảo trì và khả năng nâng cấp, mở rộng sau này. Kết cấu mặt đường BTXM phải là giải pháp kỹ thuật chủ yếu trong các trường hợp sau:  Mặt đường tại các khu vực trạm thu phí; bến xe; bãi đỗ xe; đường ôtô chuyên dụng, đường vào cảng; mặt đường hầm; mặt đường đập tràn; ─ Trang 12 ─  Tuyến đường bộ tại vùng chịu ảnh hưởng của ngập lụt nhưng nền đường không nằm trên vùng đất yếu; tuyến đường bộ chịu ảnh hưởng của khí hậu sương mù, ẩm ướt thường xuyên;  Tuyến đường bộ tại khu vực miền núi có độ dốc lớn từ 7% trở lên, khó khăn đối với công tác duy tu, bảo dưỡng nếu sử dụng các dạng kết cấu mặt đường khác;  Tuyến đường bộ đào qua nền đất, đá chịu ảnh hưởng của nước ngầm;  Tuyến đường giao thông nông thôn;  Các công trình giao thông khác khi sử dụng kết cấu mặt đường bê tông xi măng bảo đảm hiệu quả kinh tế - kỹ thuật và tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng, sửa chữa, bảo dưỡng hơn các loại kết cấu mặt đường khác. Nhìn chung, phạm vi áp dụng của mặt đường bê tông xi măng ở Việt Nam trong giai đoạn hiện nay là sử dụng mặt đường BTXM phân tấm, không cốt thép cho tất cả các cấp đường ô tô và sân bay; mặt đường BTXM lưới thép cho đường cấp cao, sân bay và những khu vực thời tiết khắc nghiệt; mặt đường BTXM cốt thép liên tục cho đường cấp cao, đường cao tốc và sân bay; mặt đường BTXM lu lèn cho các loại đường cấp cao thứ yếu và đường nông thôn, đường miền núi… Cấu tạo mặt đƣờng bê tông xi măng  Theo 22 TCN 223-95 [1]  Áo đường cứng là kết cấu áo đường có lớp mặt hoặc lớp móng làm bằng bê tông xi măng – loại vật liệu có độ cứng cao, đặc tính biến dạng và cường độ của nó thực tế không phụ thuộc vào sự biến đổi của nhiệt độ.  Áo đường cứng được thiết kế theo lý thuyết “tấm trên nền đàn hồi” đồng thời có xét tới sự thay đổi của nhiệt độ và của các nhân tố khác gây ra đối với tấm bê tông.

 Theo Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông [2]  Mặt đường BTXM là mặt đường ô tô có tầng mặt bằng bê tông xi măng, có thể có cốt thép, lưới thép hoặc không. ─ Trang 13 ─  Mặt đường BTXM thông thường có khe nối là loại mặt đường có tầng mặt bằng các tấm BTXM kích thước hữu hạn, liên kết với nhau bằng các khe nối (khe dọc và khe ngang).  Kết cấu áo đường BTXM thông thường: từ trên xuống dưới bao gồm:  Tầng mặt bằng bê tông xi măng thông thường  Tầng móng có thể gồm lớp móng trên và lớp móng dưới  Lớp đáy móng  Nền đất trên cùng hay lớp nền thượng Thanh truyền lực Tấm BTXM Thanh liên kết Khe dọc Khe ngang Tạo nhám Lớp móng dưới Lớp móng trên Lớp phân cách Hình 2-2. Sơ đồ cấu tạo mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối  Theo AASHTO 1993 [14] cũng trình bày chi tiết về 3 loại kết cấu mặt đường BTXM:  Mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối (JPCP)  Mặt đường bê tông cốt thép có khe nối (JRCP)  Mặt đường bê tông cốt thép liên tục (CRCP) 2.

Các loại mặt đƣờng bê tông xi măng A. Mặt đƣờng bê tông thông thƣờng có khe nối Mặt đường bê tông thông thường có khe nối (JPCP) là loại mặt đường không bố trí cốt thép bên trong tấm mà chỉ sử dụng tại vị trí các khe nối và trong trường hợp cần gia cường cốt thép tại mép hay góc tấm. Tùy theo từng trường hợp cụ thể sẽ bố ─ Trang 14 ─ trí các khe nối xiên hay vuông góc với cạnh tấm cách nhau khoảng từ (4.5)m và có sử dụng thanh truyền lực hay không. Tại vị trí khe thi công sẽ bố trí các thanh liên kết nhằm giữ các tấm không bị dịch chuyển xa nhau trong quá trình làm việc.

Thiết kế khe nối phải giải quyết được các vấn đề sau:  Hiệu quả truyền tải trọng tại khe nối: được thực hiện thông qua các thanh truyền lực hoặc sự chèn móc giữa các hạt cốt liệu. Các thanh truyền lực truyền tải trọng tốt hơn tuy nhiên việc sử dụng chúng gây phức tạp cho các thao tác trong quá trình thi công mặt đường BTXM.