BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM DUY LINH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ SÂN BAY TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM DUY LINH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ SÂN BAY TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG MÃ SỐ: 9.58.02.05 CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Chữ ký giáo viên hướng dẫn TS Vũ Đức Sỹ GS.TS Phạm Cao Thăng HÀ NỘI – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác, ngồi báo nghiên cứu khoa học mà tác giả người nghiên cứu công bố Việc tham khảo nguồn tài liệu trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả Phạm Duy Linh ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Vũ Đức Sỹ GS.TS Phạm Cao Thăng trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt giúp đỡ tác giả với dẫn khoa học giá trị, đồng thời thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Giáo Sư, Phó giáo sư, Tiến sỹ, chuyên gia nhà khoa học trường Đại học Giao thơng Vận tải dẫn, đóng góp ý kiến để luận án hoàn thiện Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới trường Đại học Giao thơng Vận tải, phịng Đào tạo Sau đại học, môn Đường bộ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thơng Vận tải, Viện kỹ thuật cơng trình đặc biệt Bộ môn Cầu – đường Sân bay – Học viện Kỹ thuật Quân tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo môn Đường ô tô Sân Bay Bộ môn Đường Bộ – trường Đại học Giao thông Vận tải thầy cô giáo đồng nghiệp Bộ môn tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu thực luận án Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè người thân động viên, khích lệ chia sẻ khó khăn với tác giả suốt thời gian thực luận án Tác giả Phạm Duy Linh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC MỞ ĐẦU III Sự cần thiết vấn đề nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: Nội dung nghiên cứu: Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu: Bố cục luận án: CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU LỚP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG BÁNH XE VÀ NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG 1.1 Cấu tạo chung mặt đường BTXM 1.1.1 Cấu tạo điển hình mặt đường BTXM 1.1.2 Nguyên nhân gây hư hỏng làm suy giảm chất lượng khai thác mặt đường BTXM 1.2 Tính tốn BTXM mặt đường hệ nhiều lớp 1.2.1 Các phương pháp tính tốn theo quy trình thiết kế Việt Nam 1.2.1.1 Phương pháp tính tốn thiết kế Việt Nam theo quy trình 22 TCN 22395 [2] 1.2.1.2 Phương pháp tính tốn thiết kế theo Quy định tạm thời thiết kế mặt đường BTXM thơng thường có khe nối xây dựng cơng trình giao thơng QĐ 3230/2012 [1] 1.2.1.3 Phương pháp tính tốn thiết kế mặt đường BTXM nhiều lớp mặt đường sân bay theo TCVN 10907-2015 [3] 1.2.1.4 Một số nghiên cứu tính tốn mặt đường BTXM hệ nhiều lớp Việt Nam [10, 11, 15] 1.2.2 Các phương pháp tính tốn thiết kế mặt đường BTXM hệ hai lớp có khe nối giới 10 iv 1.2.2.1 Tính BT mặt đường theo phương pháp bán thực nghiệm theo Westergaard [16, 39] 10 1.2.2.2 Tính bê tơng mặt đường theo quy trình thiết kế mặt đường cứng nhiều lớp Nga [52, 55, 62, 67] 10 1.2.2.3 Phương pháp tính tốn thiết kế theo AASHTO [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 36, 37] 11 1.2.2.4 Phương pháp học thực nghiệm Mỹ [33, 42, 45] 12 1.2.2.5 Theo cục hàng không liên bang Mỹ (FAA) [41, 43] 12 1.2.2.6 Theo phương pháp tính tốn quy trình thiết kế Ấn độ 13 1.2.2.7 Theo quy trình thiết kế mặt đường cứng Trung Quốc JTG D40-2011 [78] 14 1.2.3 Một số phần mềm tính toán kết cấu mặt đường biến dạng 14 1.2.4 Nhận xét chung: 14 1.3 Tính tốn BTXM ảnh hưởng nhiệt độ môi trường 15 1.3.1 Ảnh hưởng điều kiện nhiệt độ với mặt đường BTXM 15 1.3.1.1 Gradient nhiệt độ tượng uốn vồng BTXM gradient nhiệt 15 1.3.1.2 Tấm BT bị co dãn nhiệt độ thay đổi theo mùa năm 17 1.3.2 Các phương pháp tính tốn Gradient nhiệt độ 18 1.3.2.1 Phương pháp tính toán gradient nhiệt theo tiêu chuẩn 22TCN 223-95 [2] 18 1.3.2.2 Phương pháp tính tốn gradient nhiệt BTXM theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT [1] 18 1.3.2.3 Phương pháp tính tốn ứng suất nhiệt BTXM cho mặt đường sân bay theo tiêu chuẩn TCVN 10907-2015 [3] 19 1.3.2.4 Phương pháp tính tốn ứng suất nhiệt bê tơng xi măng có xét ảnh hưởng nhiệt độ theo Mỹ (Theo tiêu chuẩn AASHTO-1998 [21, 22]) 20 1.3.2.5 Tính tốn ảnh hưởng nhiệt độ bê tông xi măng mặt đường theo quy trình thiết kế mặt đường BTXM Nga [52, 58, 65] 20 1.3.3 Quy định bố trí khe dãn mặt đường BTXM 23 1.3.3.1 Theo quy định hiệp hội mặt đường BTXM Mỹ [22, 25, 26, 27, 30, 31, 32, 34, 38, 40, 45] 23 1.3.3.2 Theo Cục hàng không liên bang Mỹ [16, 18, 20] 24 v 1.3.3.3 Theo quy trình thiết kế mặt đường Ấn độ [28, 35] 24 1.3.3.4 Theo quy trình thiết kế mặt đường số nước khác [17, 34, 45] 24 1.3.3.5 Theo quy trình thiết kế mặt đường BTXM Nga [52, 53, 55, 56, 62, 63, 65] 25 1.3.3.6 Theo quy trình thiết kế mặt đường cứng Trung Quốc JTG D40/2011 [78] 25 1.3.3.7 Trong TCVN 10907/2015 quy định [3]: 26 1.3.3.8 Trong QĐ 3230/2012 quy định bố trí khe co, dãn dãy mặt đường [1] 26 1.3.3.9 Trong TCVN 9345/2012 [4], quy định bố trí khe dãn BTXM 27 1.3.3.10 Thực tế bố trí khe dãn dãy BTXM mặt đường Việt Nam 27 1.3.4 Một số cơng trình, nghiên cứu khác gradient nhiệt khoảng cách khe co, dãn mặt đường BTXM Việt Nam giới 31 1.3.5 Nhận xét chung 32 1.4 Những vấn đề cần nghiên cứu làm rõ tính tốn thiết kế mặt đường BTXM điều kiện Việt Nam 32 1.4.1 Ảnh hưởng lớp cách ly kết cấu mặt đường hệ nhiều lớp 32 1.4.2 Tính tốn trường nhiệt độ theo chiều sâu với có chiều dày khác nhau: 32 1.4.3 Tính tốn cần thiết khoảng cách yêu cầu khe dãn mặt đường BTXM điều kiện khí hậu Việt Nam 33 1.5 Nội dung nghiên cứu luận án 33 1.6 Phương pháp nghiên cứu luận án 34 CHƯƠNG II TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP CÁCH LY ĐẾN SỰ LÀM VIỆC MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU LỚP 35 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn mặt đường BTXM hệ nhiều lớp có xét ảnh hưởng lớp cách ly 35 2.2 Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp cách ly đến phân bố nội lực lớp 40 2.2.1 Khi sử dụng lớp cách ly có chiều dày theo quy định cấu tạo 40 2.2.2 Tính tốn mặt đường BTXM sử dụng lớp cách ly có chiều dày lớn 42 2.2.2.1 Xây dựng chương trình tính tốn khảo sát biến dạng lớp cách ly 42 vi 2.2.2.2 Khảo sát đánh giá độ tin cậy phương pháp tính đề xuất 47 2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng lớp cách ly có chiều dày khác 53 2.2.3.1 Sử dụng lớp cách ly vật liệu Bitum- cát Đá cát nhựa (SAMI) 53 2.2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp cách ly từ BTNC đến ứng suất biến dạng lớp BTXM thay đổi chiều dày lớp cách ly 67 2.2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp cách ly từ BTNC đến ứng suất biến dạng lớp BTXM thay đổi nhiệt độ lớp cách ly 74 2.3 Kết luận chương II 76 CHƯƠNG III TÍNH TỐN GRADIENT NHIỆT ĐỘ TRONG TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG VỚI CÁC CHIỀU DÀY TẤM KHÁC NHAU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 78 3.1 Tính tốn phân bố nhiệt độ BTXM mặt đường điều kiện Việt Nam 78 3.1.1 Nhiệt độ môi trường tác động lên bề mặt bê tông mặt đường 78 3.1.2 Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu bê tông 79 3.2 Khảo sát trường xác định phân bố nhiệt độ theo chiều sâu BT mặt đường khu vực TP Hà Nội 82 3.3 Tính tốn phân bố trường nhiệt độ BTXM mặt đường điều kiện Việt Nam 85 3.4 Xây dựng công thức tính tốn gradient nhiệt độ nhiệt độ trung bình BTXM mặt đường 103 3.4.1 Giới thiệu phần mềm Mınitab Phân tích hồi quy : 103 3.4.2 Tính tốn xác định gradient nhiệt BT mặt đường với chiều dày khác 104 3.4.3 Tính tốn nhiệt độ trung bình theo chiều sâu bê tơng mặt đường 111 3.4.4 Nhận xét 115 3.5 Tính tốn khe dãn mặt đường BTXM 116 3.5.1 Cơ sở tính tốn cần thiết bố trí khe dãn mặt đường bê tông xi măng 116 3.5.2 Cơ sở tính tốn khoảng cách khe dãn mặt đường BTXM 119 3.6 Kết luận chương III 121 vii CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TỐN MẶT ĐƯỜNG BTXM TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 123 4.1 Tính toán xác định chiều dày hợp lý lớp cách ly điều kiện Việt Nam 123 4.2 Khảo sát tính tốn ứng suất nhiệt BTXM mặt đường theo phương pháp xác định giá trị gradient nhiệt đề xuất 127 4.2.1 Tính tốn ứng suất kéo uốn chênh lệch nhiệt độ gây theo (QĐ 3230/2012) 127 4.2.2 Ứng dụng tính tốn ứng suất kéo uốn BT mặt đường chênh lệch nhiệt độ gây với gradient nhiệt độ xác định theo công thức (3.5): 129 4.2.3 Tính tốn ứng suất nhiệt BT mặt đường sân bay 130 4.3 Ứng dụng tính tốn khe dãn mặt đường BTXM 134 4.3.1 Tính tốn với mặt đường ô tô 134 4.3.1.1 Tính tốn cần thiết bố trí khe dãn 134 4.3.1.2 Tính tốn khoảng cách khe dãn mặt đường ơtơ 136 4.3.2 Tính tốn với mặt đường sân bay 137 4.3.2.1 Tính tốn cần thiết bố trí khe dãn 137 4.3.2.2 Tính tốn khoảng cách khe dãn mặt đường sân bay 139 4.4 Kết luận chương IV 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 141 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH TÁC GIẢ THAM GIA ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 144 viii MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo chung mặt đường BTXM thường có khe nối [1] Hình 1.2 Ứng suất BT chịu tải trọng xe nhiệt độ 16 Hình 1.3 Tấm BTXM co dãn nhiệt độ thay đổi theo mùa năm 17 Hình 1.4 Cấu tạo điển hình khe dãn mặt đường BTXM sân bay Vân Đồn Quảng Ninh 26 Hình 1.5 Hình ảnh nứt vỡ cạnh BT cạnh khe dãn mặt đường RBT đường Lê Văn Lương, TP Hà Nội (2017) 28 Hình 1.6 Hình ảnh nứt vỡ BT cạnh khe dãn mặt đường sân bay Tân Sơn Nhất (7/2018) 28 Hình 1.7 Hình ảnh nứt vỡ cạnh BT cạnh khe dãn mặt đường sân bay Đà Nẵng (2018) 29 Hình 2.1 Sơ đồ làm việc mặt đường BTXM hai lớp (có lớp cách ly) 36 Hình 2.2 Sơ đồ làm việc hệ hai lớp mặt đường BTXM chịu uốn có lớp cách ly 38 Hình 2.3 Sơ đồ chia lưới sai phân lớp 44 Hình 2.4 Sơ đồ vị trí điểm nút lưới lớp theo PP SPHH 44 Hình 2.5 Sơ đồ khối chương trình tính MLCP 46 Hình 2.6 Mô mặt võng lớp 51 Hình 2.7 Mơ mặt võng lớp 51 Hình 2.8 Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp kết cấu 52 Hình 2.9 Biểu đồ độ võng lớp kết cấu lớp cách ly bitum-cát (hcl=0,5cm) 55 Hình 2.10 Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp kết cấu lớp cách ly bitum-cát (hcl=0,5cm) 55 Hình 2.11 Biểu đồ độ võng lớp kết cấu lớp cách ly bitum-cát (hcl=1,0cm) 56 Hình 2.12 Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp kết cấu lớp cách ly bitum-cát (hcl=1,0cm) 56 Hình 2.13 Biểu đồ độ võng lớp kết cấu lớp cách ly bitum-cát 57 (hcl=1,5cm) Hình 2.14 Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp kết cấu lớp cách ly bitum-cát (hcl=1,5cm) 57 Hình 2.15 Biểu đồ độ võng lớp kết cấu lớp cách ly bitum-cát (hcl=2,0cm) 58 Hình 2.16 Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp kết cấu lớp cách ly bitum-cát (hcl=2,0cm) 58 Hình 2.17 Biểu đồ độ võng lớp BTXM (bitum-cát; hcl=0,5-2,0cm) 60 Hình 2.18 Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp BTXM (bitum-cát; hcl=0,5-2,0cm) 60 Hình 2.19 Biểu đồ độ võng lớp kết cấu lớp cách ly SAMI (hcl=1,5cm) 62 Hình 2.20 Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp kết cấu lớp cách ly SAMI (hcl=1,5cm) 62 Hình 2.21 Biểu đồ độ võng lớp kết cấu với lớp cách ly SAMI (hcl =2,0 cm) 63 133 Hình 4.2 Đồ thị xác định hệ số Cx,Cy Thay giá trị chiều dày BT khác nhau, ta tính ứng suất nhiệt uốn vồng gradient nhiệt gây BT theo cấu tạo TCVN 10907 với 30% cường độ giành cho ứng suất nhiệt tính ứng suất nhiệt theo gradient nhiệt độ đề xuất Tính cho kết cấu mặt đường có cấu tạo điển hình gồm lớp mặt BTXM với chiều dày khác nhau, lớp móng cứng cát gia cố xi măng dày 20cm, lớp tự nhiên có mơ đun đàn hồi E0= 40Mpa Kết tính theo bảng sau: Bảng 4.6 Tính tốn ứng suất nhiệt uốn vồng theo TCVN10907 Ứng suất nhiệt theo chiều dày tấm, MPa Phương pháp tính 25 đến