LỜI CẢM ƠN Bằng tấm lòng chân thành nhất, tôi xin cảm ơn TS. Nguyễn Quang Phúc và ThS. Trần Thị Cẩm Hà, ñã tận tâm dạy bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm ñề tài. Cảm ơn Trường ðại học Giao thông vận tải Hà Nội, phòng ðào tạo Sau ðại học, khoa Công trình, Bộ môn ðường bộ ñã tạo mọi ñiều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập. Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ, mặc dù ñã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và trình ñộ còn có hạn, ñề tài không khỏi có thiếu sót, kính mong các Thầy, Cô và các bạn ñồng nghiệp góp ý. Hà Nội, tháng 01 năm 2013 Tác giả luận văn Vũ Thế Lượng 1 MỤC LỤC Danh mục các bảng 3 Danh mục các ảnh, hình vẽ, ñồ thị 4 Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt 7 Phần mở ñầu 8 1. Tính cấp thiết của ñề tài 8 2. Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài 10 3. ðối tượng nghiên cứu 10 4. Phạm vi nghiên cứu 11 5. Phương pháp nghiên cứu 11 6. Kết cấu của luận văn 11 Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng của ñiều kiện dính bám giữa các lớp ñến thiết kế và khai thác kết cấu áo ñường mềm 12 1.1 Tổng quan về kết cấu mặt ñường mềm 12 1.1.1 Khái niệm và ưu nhược ñiểm của mặt ñường mềm 12 1.1.2 Cấu tạo kết cấu mặt ñường mềm cấp cao 13 1.1.2.1 Tầng mặt 14 1.1.2.2 Tầng móng 14 1.1.2.3 Lớp ñáy áo ñường 15 1.1.2.4 Móng nền ñất 15 1.2 Nghiên cứu ứng suất, biến dạng trong kết cấu mặt ñường mềm 15 1.2.1 Phân bố ứng suất dưới tác dụng của tải trọng bánh xe 15 1.2.2 Các trạng thái ứng suất 18 1.2.2.1 Nguyên lí tính toán ứng suất biến dạngcủa hệ ñàn hồi nhiều lớp 18 1.2.2.2 Trạng thái ứng suất kéo –uốn 21 1.2.2.3 Trạng thái ứng suất cắt trượt 23 1.2.3 Biến dạng 24 1.2.3.1 ðộ võng ñàn hồi 24 1.2.3.2 Vệt bánh (biến dạng không hồi phục) 26 1.3 Các hiện tượng phá hoại kết cấu cáo ñường mềm do nguyên nhân cắt, trượt 26 1.4 Tiêu chuẩn thiết kế, thi công mặt ñường mềm và cơ chế hình thành dính bám giữa hai lớp 32 1.5 Kết luận 36 Chương 2: Nghiên cứu các phương pháp xác ñịnh cường ñộ dính bám giữa các lớp 37 2.1 Tổng quan 37 2 2.2 Nhóm các phương pháp thí nghiệm trong phòng 37 2.2.1 Thí nghiệm cắt Leutner 38 2.2.2 Thí nghiệm cắt Superpave 40 2.2.3 Thí nghiệm cắt NCAT 42 2.3 Nhóm các phương pháp thí nghiệm hiện trường 43 2.3.1 Phương pháp FWD 43 2.3.2 Phương pháp thí nghiệm xoắn 44 2.3.3 Phương pháp thí nghiệm nhổ bật 46 2.4 Nhận xét và kết luận 47 2.5 Giới thiệu bộ thiết bị thí nghiệm Leutner sử dụng trong khuôn khổ của luận văn 48 Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ñề xuất phương pháp xác ñịnh cường ñộ dính bám 50 3.1 Mô hình xác ñịnh ñiều kiện dính bám thí nghiệm FWD 51 3.2 Xây dựng trình tự tính toán thí nghiệm FWD 52 3.3 Giới thiệu về dự án nghiên cứu 54 3.3.1 Giới thiệu chung 54 3.3.2 Kết cấu móng, mặt ñường 56 3.3.3 Thành phần hỗn hợp bê tông asphalt 56 3.4 Thực nghiệm xác ñịnh cường ñộ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt 57 3.4.1 Thực nghiệm ngoài hiện trường 57 3.4.1.1 Thiết bị thí nghiệm 57 3.4.1.2 Thực nghiệm hiện trường 58 3.4.2 Thực nghiệm trong phòng 59 3.4.2.1 Thu thập và xử lý mẫu thí nghiệm 59 3.4.2.2 Thực nghiệm trong phòng - thí nghiệm Leutner 60 3.5 Kết quả nghiên cứu và phân tích 62 3.5.1 Kết quả từ phần mềm Elmod4.0 ñồng bộ với FWD 62 3.5.2 Kết quả mô ñun lớp và hệ số dính bám K s giữa hai lớp bê tông asphalt bằng phần mềm Bisar3.0 66 3.5.3 Kết quả trong phòng với thí nghiệm cắt Leutner 70 3.6 Kết luận 72 Kết luận và kiến nghị 74 Tài liệu tham khảo 76 Phụ lục 79 3 DANH MỤC CÁC BẢNG Chương 3 Bảng 3.1: Kết quả ño ñộ võng bằng thiết bị FWD 62 Bảng 3.2: Kết quả tính toán môñun ñàn hồi 64 Bảng 3.3: Kết quả tính toán ñiểm ño số 11 67 Bảng 3.4: Kết quả tính toán E và K s 69 Bảng 3.5: Kết quả xác ñịnh cường ñộ dính bám giữa hai lớp BTN bằng thí nghiệm Leutner 71 Bảng 3.6: Kết quả xác ñịnh cường ñộ chịu cắt của lớp BTN hạt thô bằng thí nghiệm Leutner 72 4 DANH MỤC CÁC ẢNH, HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Chương 1 Hình 1.1: Cấu tạo các lớp trong kết cấu mặt ñường [1] 13 Hình 1.2: Phân bố áp lực trong các lớp kết cấu [2] 16 Hình 1.3: Phân bố ứng suất trong mặt ñường dưới tác dụng của tải trọng 17 Hình 1.4: Kết cấu mặt ñường mềm ở trạng thái giới hạn phát sinh hư hỏng dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (tĩnh) 17 Hình 1.5: Sơ ñồ cơ học tính ứng suất 19 Hình 1.6: Cơ chế gây nứt phản ánh trên mặt ñường gia cố nhựa 23 Hình 1.7: ðẩy trượt lớp mặt kết cấu áo ñường 24 Hình 1.8: Hư hỏng mặt ñường mềm trên cầu do nguyên nhân mất dính bám giữa 2 lớp bê tông asphalt 28 Hình 1.9: Hư hỏng mặt cầu do nguyên nhân mất dính bám giữa 2 lớp bê tông asphalt dẫn ñến trượt ngang và hằn vệt bánh xe 28 Hình 1.10: Hư hỏng mặt ñường mềm do nguyên nhân mất dính bám dẫn ñến trượt ngang, hằn vệt bánh xe và dồn ñống 29 Hình 1.11: Hư hỏng mặt ñường mềm do nguyên nhân mất dính bám dẫn ñến nứt và trượt ngang 29 Hình 1.12: Hư hỏng mặt ñường mềm do nguyên nhân mất dính bám dẫn ñến bong tróc 31 Hình 1.13: Hư hỏng mặt ñường mềm do nguyên nhân mất dính bám dẫn ñến nứt và trượt dọc 31 Hình 1.14: Trượt trên ñường băng sân bay 32 Hình 1.15: Lớp dính bám không ñều hoặc hàm lượng quá ít 34 Hình 1.16: Lớp dính bám bị bẩn và bong tróc do các phương tiện thi công 34 5 Hình 1.17: Tổ chức thi công phù hợp ñể tránh ảnh hưởng chất lượng của lớp dính bám [10] 35 Hình 1.18: Tổ chức thi công 2 lớp ñồng thời ñể nâng cao chất lượng liên kết giữa 2 lớp bê tông asphalt 35 Chương 2 Hình 2.1: Các mô hình thí nghiệm xác ñịnh cường ñộ dính bám [18] 36 Hình 2.2: Sơ ñồ và thiết bị Leutner [11] 37 Hình 2.3: Sơ ñồ và nguyên lý của thiết bị LPDS [17] 39 Hình 2.4: Khuôn mẫu và bộ hộp mẫu thử SST [19] 41 Hình 2.5: Thiết bị SST [19] 41 Hình 2.6: Sơ ñồ và nguyên lý của thiết bị cắt NCAT [9] 42 Hình 2.7: Khuôn ñế và lắp mẫu lõi khoan, tấm thép lên bề mặt mẫu thử [19] 45 Hình 2.8: Thí nghiệm xoắn hiện trường và trong phòng [19] 45 Hình 2.9: Thiết bị thí nghiệm nhổ bật [19] 46 Hình 2.10: Gia tải và tiến hành thí nghiệm nhổ bật [19] 47 Hình 2.11: Khuôn cắt Leutner 49 Hình 2.12: Bộ thiết bị thí nghiệm cắt sử dụng trong nghiên cứu 49 Chương 3 Hình 3.1: Mô hình xác ñịnh mức ñộ liên kết 51 Hình 3.2: Sơ ñồ quá trình tính toán 53 Hình 3.3: Bộ phận tạo xung lực: Khối tải trọng, thanh dẫn, bộ giảm chấn 57 Hình 3.4: Tấm ép truyền tác dụng của tải trọng xuống mặt ñường 58 Hình 3.5: Các ñầu cảm biến ño ñộ võng 58 Hình 3.6: Khuôn và mẫu trước khi thí nghiệm 61 Hình 3.7: Lượng nhựa dính bám giữa 2 lớp có sự khác nhau ñáng kể giữa các mẫu 61 6 Hình 3.8: Kết quả theo 22 TCN 335-06 65 Hình 3.9: Biểu ñồ ñộ võng tính toán ñiểm 11 69 Hình 3.10: Biểu ñồ mô ñun ñàn hồi của các ñiểm ño 69 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AASHTO Hiệp hội những người làm ñường và vận tải toàn nước Mỹ BTAP Bê tông asphalt BTN Bê tông nhựa CBR California Bearing Ratio (Chỉ số CBR) FWD Thiết bị ño ñộng Falling Weight Deflectometer GTVT Giao thông vận tải LPDS Thiết bị cắt trực tiếp lớp song song LEUTNER Thí nghiệm cắt Leutner NCAT Thí nghiệm cắt NCAT – Trung tâm công nghệ Asphalt quốc gia Mỹ SST Thí nghiệm cắt Superpave SSCH Thí nghiệm cắt Superpave ñơn giản với chiều cao không ñổi SHRP Stretagic Highway Research Program – Chương trình nghiên cứu Chiến lược ñường bộ RSCH Thí nghiệm cắt Superpave tải trọng lặp với chiều cao không ñổi RSCSR Thí nghiệm cắt Superpave tải trọng lặp với tỷ lệ ứng suất không ñổi TCN Tiêu chuẩn ngành TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 8 PHẦN MỞ ðẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Mặt ñường là bộ phận rất quan trọng trong công trình ñường ô tô. Mặt ñường tốt hay xấu sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng chạy xe như mức ñộ an toàn, êm thuận, tiêu hao nhiên liệu và cả tuổi thọ của phương tiện…. Kết cấu mặt ñường mềm cấp cao với các lớp mặt là bê tông asphalt (BTAP) với khá nhiều ưu ñiểm nổi bật như: tính liên tục của mặt ñường cao, an toàn, êm thuận khi khai thác, tiến ñộ thi công ñưa tuyến ñường vào khai thác nhanh, dễ duy tu sửa chữa và giá thành phù hợp, hiện ñược sử dụng phổ biến trong xây dựng ñường ô tô ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới. Ở Việt Nam rất nhiều dự án ñường lớn vừa ñược thực hiện như ñường Hồ Chí Minh, ñại lộ Thăng Long, Quốc lộ 1A, ñường cao tốc Pháp Vân – Cầu Giẽ, Cầu Giẽ - Ninh Bình và gần ñây dự án cải tạo nâng cấp Quốc lộ 32 ñoạn Cầu Diễn – Nhổn … ñều sử dụng kết cấu mặt ñường mềm với lớp mặt là hai lớp bê tông asphalt. Ngoài ra loại kết cấu mặt ñường này còn ñược sử dụng làm ñường băng sân bay, bãi ñỗ xe, lớp phủ mặt cầu, lớp phủ mặt sàn khu công nghiệp … Kết cấu mặt ñường mềm cấp cao là một kết cấu gồm nhiều tầng lớp vật liệu khác nhau ñược chia ra thành hai tầng chính là tầng mặt và tầng móng, các tầng lớp vật liệu có những ñặc ñiểm và vai trò riêng của mình nhưng lại có ảnh hưởng trực tiếp lẫn nhau. Tầng mặt trong kết cấu mặt ñường mềm cấp cao thường ñược làm bằng hai lớp BTAP và khi thi công giữa hai lớp này thường ñược xử lý bằng lớp chất kết dính bitum dính bám. Mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong tổng giá thành cả kết cấu mặt ñường, nhưng việc xử lý dính bám giữa các lớp BTAP ñóng một vai trò quan trọng trong tổng thể cấu trúc kết cấu, ảnh hưởng ñến khả năng chịu lực và tuổi thọ kết cấu mặt ñường. Hệ thống tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt ñường mềm hiện hành của Việt Nam giả ñịnh các lớp BTAP là ñồng nhất và liền khối. Tuy nhiên, việc phân lớp khi thi công ñể ñảm bảo ñặc tính kết cấu, giá thành công trình cũng như chất lượng 9 ñầm nén làm cho tính ñồng nhất và liền khối giữa các lớp BTAP vẫn cần ñược tiếp tục xem xét, ñánh giá. Một trong những nguyên nhân gây phá hoại kết cấu mặt ñường mềm là sự trượt giữa các lớp bê tông asphalt do lực ngang của tải trọng tác dụng. Ở nhiệt ñộ cao, BTAP thể hiện tính dẻo, cường ñộ chịu nén kém, sức chống cắt thấp, biến dạng tăng, hằn vệt bánh xe. Khi lực dính bám giữa các lớp không ñủ, lớp mỏng BTAP phía trên sẽ bị dịch chuyển dẫn ñến vật liệu bị xô dồn, lượn sóng ảnh hưởng nhiều ñến chất lượng khai thác và tuổi thọ của kết cấu mặt ñường. Theo nghiên cứu, tổng hợp ở trường ðại học Nottingham, Anh những hư hỏng mặt ñường do trượt giữa các lớp gây ảnh hưởng ñến 5% mạng lưới ñường cao tốc Pháp. Ở Nhật, những phá hoại của ñường băng sân bay sử dụng kết cấu bê tông nhựa ở các ñoạn cất hạ cánh ñều do trượt giữa các lớp. Sự trượt giữa lớp phủ tăng cường ngay sau khi hoàn thành dự án chiếm ñến 44% ở Nevada, USA. Có thể nói rằng nghiên cứu ảnh hưởng của cường ñộ dính bám giữa các lớp ñến sự làm việc của kết cấu áo ñường mềm là vấn ñề thời sự, ñã và ñang ñược nhiều tác giả trên thế giới quan tâm. Vấn ñề ñặt ra làm thế nào xác ñịnh ñược cường ñộ dính bám giữa các lớp vật liệu? Nhiều hội thảo khoa học ñã ñược tổ chức, nhiều bài báo ñăng trên các tạp chí hàng ñầu thế giới gần ñây về nội dung này. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên thường mang tính ñịa phương, phụ thuộc vào ñiều kiện khí hậu thời tiết, kết cấu mặt ñường, ñiều kiện khai thác giao thông,… cho từng nước, từng khu vực. Như vậy, có thể tận dụng các thành tựu chung của thế giới ñể tập trung nghiên cứu những vấn ñề mang tính ñặc thù của Việt Nam. Những phá hoại do ñiều kiện dính bám kém xảy ra trong kết cấu mặt ñường mềm cùng thường xảy ra trên các tuyến ñường ở Việt Nam, nhất là ở những vị trí có lực ngang lớn: gần nút giao, trạm thu phí, trạm xe bus,… Nghiên cứu về ảnh hưởng ñiều kiện dính bám ñến cường ñộ và ñộ ổn ñịnh của kết cấu mặt ñường mềm là nội dung quan trọng, thiết thực của ngành ñường bộ nước ta. Tuy nhiên, ñể nghiên cứu tổng thể về các phương pháp xác ñịnh cường ñộ [...]... cho m t ủ ng m m Dớnh bỏm kộm gi a hai l p bờ tụng asphalt, ho c c ng ủ ch u c t tr t c a l p bờ tụng asphalt th p th ng d n ủ n nh ng h h ng cho k t c u m t ủ ng m m trong quỏ trỡnh khai thỏc nh hi n t ng tr t [9], d n ủ ng, l n súng, h n v t bỏnh xe, n t v.v H h ng m t ủ ng bờ tụng asphalt do 27 nguyờn nhõn tr t cú th lm gi m t 40% ủ n th m chớ trờn 80% tu i th khai thỏc [10] Hi n t ng h h ng do... giỏ nh h ng c a ủi u ki n dớnh bỏm gi a hai l p BTAP ủ n thi t k v khai thỏc k t c u m t ủ ng m m, ủ xu t l a ch n phng phỏp xỏc ủ nh c ng ủ dớnh bỏm gi a cỏc l p BTAP 2 M c tiờu nghiờn c u c a ủ ti Nghiờn c u nh h ng c a ủi u ki n dớnh bỏm ủ n thi t k v khai thỏc k t c u ỏo ủ ng m m Nghiờn c u l a ch n phng phỏp xỏc ủ nh c ng ủ dớnh bỏm gi a hai l p bờ tụng asphalt Vi t Nam 3 i t ng nghiờn c u -... Nam - Nghiờn c u nh h ng c a dớnh bỏm gi a cỏc l p ủ n thi t k v khai thỏc k t c u ỏo ủ ng - Nghiờn c u cỏc phng phỏp xỏc ủ nh c ng ủ dớnh bỏm gi a cỏc l p bờ tụng asphalt - Nghiờn c u th c nghi m ngoi hi n tr ng (phng phỏp FWD) v nghiờn c u th c nghi m trong phũng (thớ nghi m Leutner) ủ xỏc ủ nh c ng ủ dớnh bỏm gi a hai l p bờ tụng asphalt, b c ủ u ủ xu t gi i h n c ng ủ dớnh bỏm gi a cỏc l p khi... c tr t ngang l n, d n ủ n nguy c h h ng tr t cỏc l p bờ tụng asphalt Cỏc tuy n ủ ng nõng c p l p m t b ng v t li u bờ tụng asphalt lờn trờn l p m t c b ng bờ tụng asphalt hay bờ tụng xi mng cng cú nguy c phỏt sinh phỏ ho i tr t do nguyờn nhõn n t ph n x t l p d i lờn d n ủ n lm suy gi m c ng ủ ch u c t tr t t i m t liờn k t v i l p bờ tụng asphalt tng c ng phớa trờn (Hỡnh 1.8 ủ n Hỡnh 1.11) 28 Hỡnh... nhõn tr t l p bờ tụng asphalt Cỏc d ỏn nõng c p c i t o l p m t bờ tụng asphalt nh Qu c l 1 ủo n C u Gi - Ph Lý; Qu c l 5 khu v c t H i Phũng ủ n H i Dng; m t c u Thng Long v.v cng ủó phỏt sinh t l h h ng ủỏng k do nguyờn nhõn cú th t dớnh bỏm kộm gi a cỏc l p bờ tụng asphalt ho c do ng su t tr t v t quỏ kh nng ch u c t c a m t ủ ng Nghiờn c u hi n t ng tr t gi a 2 l p bờ tụng asphalt v nh h ng c a... cng cho th y rừ hi n t ng liờn k t kộm gi a cỏc l p bờ tụng asphalt Cỏc l p c a m t lừi khoan th m chớ d dng tỏch r i khi cha cú tỏc d ng c a l c 1.4 TIấU CHU N THI T K , THI CễNG M T NG M M V C CH HèNH THNH DNH BM GI A HAI L P Cỏc tiờu chu n thi t k k t c u m t ủ ng bờ tụng asphalt hi n hnh ủ u gi ủ nh ủi u ki n ti p xỳc gi a cỏc l p bờ tụng asphalt l hon ton liờn t c d i tỏc d ng c a t i tr ng bỏnh... ng bỏnh xe [11, 21, 22] i u ny gi ủ nh r ng l c dớnh bỏm gi a 2 l p bờ tụng asphalt t o nờn c ng ủ ch u c t t i m t phõn cỏch cú ch t l ng ớt nh t tng ủng nh c ng ủ ch u c t c a cỏc l p bờ tụng asphalt C ng ủ ch u c t t i m t ti p xỳc gi a 2 l p bờ tụng asphalt ph thu c ch y u vo nh ng y u t , g m: ủ nhỏm c a cỏc l p bờ tụng asphalt (ủ c bi t l b m t c a l p d i); nhi t ủ , ủ m v ủ s ch b m t l p d... bờ tụng asphalt phớa trờn [12] Cụng ngh v trỡnh t thi cụng ny cú th phỏt sinh nh ng b t l i cho s hỡnh thnh dớnh bỏm gi a 2 l p bờ tụng asphalt Th nh t, vi c ủ m nộn ch t l p phớa d i lm gi m ủ nhỏm b m t d n ủ n gi m ma sỏt ch ng tr t gi a 2 l p Th hai, trong th i gian ch thi cụng l p trờn, b i t nhi u ngu n khỏc nhau cú th lm b n l p dớnh bỏm c bi t, cỏc phng ti n v n chuy n h n h p bờ tụng asphalt. .. t c a m t ủ ng Nghiờn c u hi n t ng tr t gi a 2 l p bờ tụng asphalt v nh h ng c a ch t l ng dớnh bỏm gi a hai l p bờ tụng asphalt ủ n kh nng ch u c t tr t ủó ủ c quan tõm nghiờn c u trờn th gi i t nh ng nm 1970 [12, 13] c bi t, trong kho ng 20 mi nm g n ủõy, cỏc trung tõm nghiờn c u v bờ tụng asphalt v m t ủ ng m m t p trung quan tõm nhi u ủ n v n ủ ny nh m t ng b c xõy d ng m t tiờu chu n k thu t... th c tr ng nờu trờn, vi c tỡm hi u v cỏc tiờu chu n thi t k k t c u m t ủ ng bờ tụng asphalt, lý thuy t tớnh toỏn, cụng ngh thi cụng, ủi u ki n nhi t m c a Vi t Nam, nh ng nguyờn nhõn cú th d n ủ n h h ng m t ủ ng v cỏc phng phỏp thớ nghi m hi n hnh xỏc ủ nh c ng ủụ ch u c t tr t t i m t dớnh bỏm gi a hai l p bờ tụng asphalt l c n thi t T ủú, b c ủ u ủ xu t ki n ngh m t s gi i phỏp v thi t k , thi cụng . ñến ñộ lớn của các ứng suất phát sinh trong kết cấu mặt ñường. Trong trường hợp thông thường vào ban ngày, khi nhiệt ñộ không khí cao, nhiệt ñộ trong các lớp phía trên của kết cấu mặt ñường cao