ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Theo số liệu của Cục đường bộ, hiện nay hệ thống đường bộ Việt Nam có tổng chiều dài là 287. Và hằng năm có hàng trăm Km đường được xây mới sửa chữa lại để đáp ứng nhu cầu đi lại ngày càng tăng của nhân dân. Việc đánh giá chất lượng đường sau khi đã thi công xong, đảm bảo kết quả chính xác và nhanh chóng là rất cần thiết.
Mặt khác, trong điều kiện kinh tế còn hạn hẹp chi phí cho duy tu bảo dưỡng đường bộ hằng năm chỉ đáp ứng 40% nhu cầu. Sắp xếp bố trí ưu tiên cho duy tu bảo dưỡng các tuyến đường kịp thời, đảm bảo giao thông thông suốt, an toàn là rất quan trọng. Trước những đòi hỏi của thực tế phát triển giao thông đường bộ Việt Nam hiện nay. Việc đánh giá chất lượng đường để đưa vào sử dụng hay đánh giá trong việt duy tu bảo dưỡng là vấn đề cấp thiết.
Kết quả cần cho nhanh và chính xác để không làm ảnh hưởng đến việc đưa tuyến đường vào sử dụng. Đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu áo đường hiện hữu, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp phá hoại mẫu, phương pháp đo bằng tấm ép cứng, phương pháp đo trực tiếp dưới bánh xe bằng cần Benkemen, ….Trong đó là thí nghiệm không phá hủy mặt đường FWD (Falling Weight Deflectometer), đang được nước ngoài sử dụng rộng rãi. Sử dụng thí nghiệm FWD, không chỉ xác định được môđun chung của kết cấu áo đường, mà còn có thể tính toán môđun từng lớp kết cấu. Việt Nam đang bước đầu sử dụng thí nghiệm FWD để đánh giá cường độ nền đường và kết cấu mặt đường.
Tuy nhiên lại thiếu các phần mềm tính toán môđun đàn hồi được điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Để tạo cơ sở cho các nghiên cứu nâng cao sau này, nghiên cứu tập trung xây dựng và kiểm chứng công cụ tính toán, xử lý số liệu sau khi đã có kết quả từ thí nghiệm FWD. Kết quả của nghiên cứu được dùng để phục vụ cho công tác quản lý đường, cảnh báo cho hệ thống đường đã xuống cấp và tạo cơ sở để thiết kế mới nâng cấp 1 mặt đường.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013 Luan van -2- Sử dụng thuật giải di truyền (Genetic Algorithms - GAs) để giải quyết bài toán tối ưu tìm môđun của từng lớp vật liệu áo đường mềm để sai số độ võng mặt đường tình toán và đo đạc là bé nhất. Các thông số đầu vào bao gồm chiều dày kết cấu (theo mặt cắt ngang đường thí nghiệm hoặc từ vị trí khoan mẫu thí nghiệm), các khoảng môđun của vật liệu (tra theo tiêu chuẩn thiết kết áo đường mềm 22TCN 211-06) và các thông số từ thí nghiệm FWD.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔDUN SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM HIỆN NAY.
Hiện nay để đánh giá sức chịu tải của kết cấu áo đường, hai phương pháp thường dùng là thí nghiệm phá hoại và không phá hoại mẫu.1 Phương pháp phá hoại mẫu Theo phương pháp này, người ta tiến hành khoan lấy mẫu trong các lớp kết cấu áo đường, thông qua các thí nghiệm trong phòng để xác định các thông số, từ đó dự báo khả năng chịu tải của kết cấu. Do không thể lấy quá nhiều mẫu trên mặt đường nên các thông số phản ảnh tình trạng mặt đường thông qua các mẫu thử thường mang tính cục bộ. Mặc khác, mẫu thí nghiệm không phản ảnh hết được sự làm việc thực của các lớp kết cấu áo đường.2 Phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu Đánh giá theo phương pháp không phá hoại mẫu thường được tiến hành bằng cách đo độ võng trên bề mặt đường để dự tính khả năng chịu tải của kết cấu mặt đường. Phương pháp đo độ võng thường dùng là: đo bằng tấm ép cứng, cần Benkenmen và bằng thiết bị FWD.1 Phương pháp đo độ võng bằng tấm ép cứng Trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm, khả năng chịu lực của vật liệu làm đường thường được biểu thị bằng chỉ tiêu môđun đàn hồi.
Đó là chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng chống lại biếndạng đàn hồi do lực tác dụng. Đối với đất nền và 2 kết cấu áo đường làm bằng các vật liệu rời, việc xác định độ lún (biến dạng) đàn hồi phải thực hiện bằng thí nghiệm nén tĩnh qua tấm ép cứng [1].Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013 Luan van -3- Tác dụng một lực lên tấm ép cứng và đo biến dạng đàn hồi do lực đó gây ra. Lực tác dụng lên tấm ép đủ lớn để tạo một áp suất tác dụng lên bề mặt tương đương với áp suất của tải trọng xe tính toán gây ra, lực truyền được qua các lớp áo đường. Diện tích tấm ép tương đương với diện tích truyền áp lực lên bề mặt của lớp đang xét.
Như vậy, tùy thuộc vào lớp nền đường hay lớp móng đường mà sử dụng tấm ép có đườngkính khác nhau, áp suất khác nhau. Vị trí của lớp càng xa lớp mặt thì đường kính tấm ép càng lớn và áp lực càng nhỏ.2 Phương pháp đo độ võng bằng cần Benkenman Độ võng đàn hồi của mặt đường là hàm của các biến phụ thuộc vào: loại mặt đường, kết cấu áo đường và trạng thái đất nền đường, lưu lượng xe chạy, thời gian sử dụng mặt đường, nhiệt độ của mặt đường,…Vì có quá nhiều biến phụ thuộc nên giữa các trị số độ võng đo được luôn có những sai lệch cho dù có rút ngắn khoảng cách giữa các điểm đo. Bởi vậy, để đánh giá đúng khả năng chịu tải của đường, người ta phải phân tuyến thành từng đoạn đặc trưng, tiến hành xử lý thống kê các kết quả đo võng để đánh giá. Sau khi xác định được độ võng đặc trưng của cả kết cấu áo đường bằng cần đo độ võng Benkenman [2], tiến hành xác định môđun đàn hồi chung của cả kết cấu áo đường theo công thức: pD (1 − μ 2 ) Edh = α (1.1) Ldh Trong đó: p: áp lực tiêu chuẩn, p = 6 daN/cm2 D: đường kính tương đương vệt bánh xe tiêu chuẩn, D=33cm μ: hệ số poat-xong, μ = 0.3; Ldh: Độ võng đàn hồi đặc trưng 3 α = 0.693, đây là hệ số xét đến ảnh hưởng do bánh xe kép gây ra Phương pháp này có năng suất cao nhưng có nhược điểm là độ tin cậy của kết quả đo là không cao.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013 Luan van -4- 1.3 Phương pháp đo cường độ mặt đường bằng thiết bị đo độ võng động FWD Thí nghiệm tải trọng rơi (The Falling Weight Deflectometer – FWD) được thí nghiệm lần đầu cách đây 30 năm ở Pháp trên kết cấu áo đường mềm (Ullidtz,1987).
Trong hệ thống này, một khối tải trọng Q rơi từ độ cao quy định H xuống một tấm ép đường kính D, thông qua bộ phận giảm chấn gây ra một xung lực xác định tác dụng lên mặt đường. Biến dạng (độ võng) của mặt đường ở tâm tấm ép và ở các vị trí cách tấm ép một khoảng quy định sẽ được các đầu cảm biến đo võng ghi lại. Các số liệu đo được như: xung lực tác đụng lên mặt đường thông qua tấm ép, áp lực tác dụng lên mặt đường (bằng giá trị xung lực chia cho diện tích tấm ép), độ võng mặt đường ở các vị trí quy định (do các đầu cảm biến đo võng ghi lại) là cơ sở để xác định cường độ (mô đun) kết cấu mặt đường. Trong thí nghiệm FWD, thông thường sử dụng từ 7-9 cảm biến trong khoảng cách nhỏ hơn 2m với cảm biến đầu tiên được đặt bên dưới tâm của tấm tải.1: Khoảng cách các sensor và bán kính tải tác dụng Áp lực tác dụng xuống mặt đường có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh chiều 4 cao của tải trọng rơi.
Khối tải trọng được đưa lên độ cao quy định, sau đó rơi tự do thẳng đứng theo một thanh dẫn, đập vào một tấm ép thông qua bộ phận giảm chấn lò xo cao su), tạo nên một xung lực tác dụng lên mặt đường tại vị trí đặt tấm ép.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013 Luan van -5- Thời gian tác dụng của xung lực lên mặt đường phù hợp với điều kiện tác động thực tế của tải trọng lên mặt đường. Thông thường, bộ phận giảm chấn được thiết kế có độ cứng phù hợp để đảm bảo thời gian tác dụng của xung lực vào khoảng từ 0,02 giây đến 0,06 giây. Ngoài ra, thí nghiệm tải trọng nặng FWD (Heavy Falling Weight Deflectormeter – HFWD) được mô phỏng giống như một bánh xe Boeing 747, tải trọng tác dụng tức thời có thể lên đến 250kN. Thí nghiệm HFWD được áp dụng đối với áo đường cứng như: đường bêtông xi măng hay đường băng sân bay … Hình 1.2: Độ võng và thời gian biến dạng của nền đường Ứng xử của các lớp áo đường thể hiện thông qua hình dạng chậu võng dưới áp lực của tải tác dụng, và được đo bằng các cảm biến đặt xung quanh tải trọng rơi.
Độ võng phụ thuộc vào độ dày các lớp, hệ số Poisson, môđun đàn hồi, và độ sâu lớp đá cứng phía bên dưới (Bendana, 1994). Độ võng đo được từ các cảm biến đặt gần vị trí tải phản ánh độ cứng tổng hợp của toàn bộ lớp áo đường, Độ võng đo được từ 5 các cảm biến đặt xa trung tâm tải tác dụng sẽ phản ánh độ cứng của các lớp sâu hơn.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013 Luan van -6- Hình 1.3: Thiết bị đo động FWD Thiết bị FWD được lắp đặt trên mặt chiếc móc và được mặt xe ô tô tải nhẹ kéo đi trong quá trình di chuyển và đo đạc. Việc điều khiển quá trình đo và thu thập số liệu được tự động thông qua phần mềm chuyên dụng. Tại vị trí cần kiểm tra, tấm ép và các đầu đo võng được hạ xuống tiếp xúc với mặt đường.
Hệ thống điều khiển nâng khối tải trọng lên độ cao quy định và rơi tự do xuống tấm ép gây ra một xung lực xác định tác dụng lên mặt đường. Các đầu cảm biến đo võng sẽ ghi lại độ võng của mặt đường ở các khoảng cách quy định. Các dữ liệu như độ lớn tải trọng (xung lực) tác dụng, áp lực tác dụng lên mặt đường, trị số độ võng của mặt đường được phần mềm chuyên dụng ghi vào trong máy tính.