2.1. Sức chịu tải của mặt đ-ờng sân bay và ph-ơng pháp đánh giá
2.1.4. Ph-ơng pháp đánh giá bằng tải trọng động không phá huỷ PP bằng tải trọng quả rơi
- Cơ cấu quả rơi có trọng l-ợng từ 50 100kg tuỳ theo yêu cầu độ lớn tải trọng. Quả
rơi khi làm việc đ-ợc treo ở một độ cao nhất định (th-ờng từ 50
100cm), khi tạo tải, quả rơi từ độ cao ban đầu rơi tự do theo một trục dẫn h-ớng
thẳng đứng, va đập lên tấm ép bằng thép (đ-ờng kính 45cm) thông qua hệ thống giảm chấn.
- Hệ thống các đầu đo chuyển vị đ-ợc gá lắp trên cần đo, độc lập với thiết bị tạo tải. Các
đầu đo chuyển vị ghi lại độ võng động của mặt đ-ờng khi gia tải.
- Hệ thống các đầu đo chuyển vị đ-ợc gá lắp trên cần đo, độc lập với thiết bị tạo tải. Các
đầu đo chuyển vị ghi lại độ võng động của mặt đ-ờng khi gia tải.
- Hệ thống thiết bị ghi l-u giữ các tín hiệu đo và phần mềm xử lý số liệu.
ở các thiết bị hiện đại, thiết bị tạo tải có cơ cấu tự động điều chỉnh độ cao rơi theo các yêu cầu về tải trọng dự kiến kiểm tra, đồng thời có bố trí các đầu đo lực tự động ghi lại phổ lực xung va chạm do quả rơi gây ra.
ở các thiết bị hiện đại, thiết bị tạo tải có cơ cấu tự động điều chỉnh độ cao rơi theo các yêu cầu về tải trọng dự kiến kiểm tra, đồng thời có bố trí các đầu đo lực tự động ghi lại phổ lực xung va chạm do quả rơi gây ra.
893,70
714,96
536,22
357,48
178,74
0
0 4,54 9,08 13,62 18,16 22,70 27,24 31,78 36,32 40,86 tải trọng bánh đơn cho phép(1000kg) DSM(1000kg/cm)
Tr-ờng hợp thiếu thiết bị ghi độ lớn của tải trọng va chạm Qđ, có thể xác định tải trọng Q® nh- sau:
Q® H K
mg 2 .
,
l l K l
2
'
. (2.12)
Thời gian tác dụng của tải trọng:
0,1
g
t , (2.13)
Trong đó:
m - khối l-ợng quả rơi, kg;
g - gia tốc trọng tr-ờng,m/s2; H - chiều cao rơi, m;
- đặc tr-ng độ cứng hệ giảm chấn, có độ lớn bằng biến dạng của hệ giảm chấn khi chịu tải trọng tĩnh khối l-ợng m, m;
K - hệ số kể đến mất mát năng l-ợng khi quả rơi tr-ợt theo trục định h-ớng, có thể lấy K
= 0,9;
l, l' - đại l-ợng độ võng của mặt đ-ờng sau lần rơi thứ nhất và thứ hai của khối l-ợng m, m,
t - thời gian tác dụng của tải va chạm (tính theo giây), phụ thuộc đặc tr-ng của hệ giảm chấn, d-ợc xác định phù hợp với thời gian tác động thực tế của bánh máy bay và có thể xác
định nh- sau:
V
t D víi 5,04 , k
D B (2.13a) Trong đó:
D - đ-ờng kính bát võng, cm; B- độ cứng trụ của tấm bê tông, kg.cm; k - hệ số nền của nền đất kg/cm3; V - vận tốc chuyển động máy bay (m/s), ở tốc độ bất lợi cho mặt đ-ờng v = 30
50km/h ( 814 m/s).
Khi biết giá trị t, theo công thức (2.13), sẽ xác định đ-ợc đặc tr-ng độ cứng cần thiết của hệ giảm chấn.
Biết đ-ợc độ lớn tải trọng và độ võng tấm, xây dựng quan hệ độ võng - tải trọng và có thể xác định đ-ợc sức chịu tải của mặt đ-ờng theo quy trình đã trình bày ở trên.
Cơ sở tính toán tải trọng cho phép, t-ơng tự nh- đối với ph-ơng pháp đánh gia stheo tảI trọng tĩnh nh- đã nêu ở trên. Chỉ l-u ý là với các tham số độ võng là độ võng động, do vậy các
đại l-ợng mô đun đàn hồi, hệ số nền là đại l-ợng động. Khi tính toán theo quy trình hiện hành, cần chuyển đổi về đại l-ợng tĩnh, trong đó hệ số nền tĩnh C lấy bằng nửa hệ số nền động.
Thiết bị quả rơi còn đ-ợc sử dụng rộng rãi trong đánh giá mặt đ-ờng mềm khi cần đánh giá xác định mô đun đàn hồi chung của mặt đ-ờng.
Để xác định mô đun đàn hồi chung của mặt đ-ờng mềm, áp dụng công thức sau:
l D P E Kt
1 2
.
.
, (2.14)
Trong đó:
Kt - hệ số kể đến đặc tr-ng truyền tải trọng lên mặt đ-ờng, khi sử dụng tấm ép cứng Kt = 0,25, khi dùng bánh xe kép thì lấy Kt 0,6-0,7;
P - áp lực lên mặt đ-ờng, có thể là tải trọng động hoặc tải trọng tĩnh, kg/cm2; D - ®-êng kÝnh tÊm Ðp, cm ( D=30 cm);
- hệ số Poát xông, lấy = 0,3 (lấy chung cho cả kết cấu);
l - độ võng mặt đ-ờng, cm.
Trị số mô đun đàn hồi động (tải trọng kiểm tra là tải trọng động Qđ) cũng nh- mô đun
đàn hồi tĩnh (tải trọng kiểm tra là tải trọng tĩnh), đều đ-ợc tính theo công thức (2.14). Tuy nhiên mô đun đàn hồi động bao giờ cũng lớn hơn mô đun đàn hồi tĩnh. Sở dĩ nh- vậy là vì vật liệu của các lớp trong kết cấu của áo đ-ờng mềm và đất nền đ-ờng làm việc nh- những vật thể
đàn hồi - nhớt khi chịu tác dụng của tải trọng. Khi chịu tác động của tải trọng tức thời, lớp bê tông asphalt và lớp đất nền ch-a kịp biến dạng hoàn toàn nh- khi chất tải tĩnh lâu dài, do vậy
độ võng động th-ờng nhỏ hơn độ võng tĩnh.
Quan hệ giữa độ võng động và độ võng tĩnh có thể xác định gần đúng theo công thức:
lt =
0,3 1,1 h1
h l®, (2.15)
Trong đó:
h - chiều dày lớp vật liệu có chất kết dính hữu cơ, cm;
h1 - chiều dày thông dụng của lớp vật liệu mềm, th-ờng lấy h1 = 10cm.
Đối với mặt đ-ờng cứng, công nghệ đánh giá sức chịu tải cho phép bằng tải trọng quả
rơi là công nghệ mới và đang đ-ợc tiếp tục nghiên cứu, hoàn chỉnh. Một trong các h-ớng nghiên cứu là dùng tải trọng quả rơi không phá huỷ ( có độ lớn bằng 15 20% tải trọng phá
huỷ), trên cở sở quan hệ giữa độ lớn tải kiểm tra và độ võng đo đ-ợc, xác định trị số mô đun độ cứng động (DSM) là đại l-ợng đặc trung cho sức chịu tải của mặt đ-ờng, sau đó sử dụng các phần mềm chuyên dụng để tính sức chịu tải của mặt đ-ờng.
a. Khái niệm về độ lớn chậu võng mặt đường.
Chậu võng mặt đường là phần mặt đường bị uốn võng xuống, do tác dụng của tải trọng.
Đối với tấm bê tông xi măng là đẳng hướng, khi tải trọng tác dụng tại tâm tấm, chu vi chậu võng có dạng hình tròn.
Đặc đi m của chậu võng mặt đường, là độ lớn đường kính của nó không phụ thuộc vào độ lớn của tải trọng tác dụng. hi thay đ i độ lớn tải trọng tác dụng, ch làm thay đ i độ lớn của độ võng tấm mà không làm thay đ i đường kính chậu võng.
2,5L L
w0 Dcv
ChËu vâng
§iÓm uèn
ku
Hình. Ứng xử của tấm bê tông khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe
Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đường kính chậu võng mặt đường ch phụ thuộc vào độ cứng uốn trụ của tấm bê tông (D) và độ cứng của nền (hệ số nền C):
Dcv 5L, (2.16) với L- đặc trưng đàn hồi tấm (xem hình):
4D L C, với
) 1 (
12 2
3
Eh
D ,
E,h, - tư ng ứng là mô đun đàn hồi, chiều dày và hệ số poisson của tấm bê tông;
C- hệ số nền.
Thí dụ minh họa (xem hình), kết quả tính đường kính chậu võng cho các trường hợp tải trọng tác dụng là 4, 5 và 6T.
0,04 0,03 0,02 0,01
0 1,25L 2,5L 3,75L 5L
W(cm)
P = 4T P = 5T P = 6T
Hình 2.11. Sơ đồ chậu võng tấm bê tông và quan hệ chậu võng - tải trọng Tấm bê tông dày 22cm, hệ số nền C = 0,9 Mpa/cm.
Đường kính chậu võng tính toán cho các trường hợp tải trọng tác dụng bằng nhau, Dcv = 5L, với L - đặc trưng đàn hồi tấm (L=70cm).
b. Thử nghiệm xác định hệ số nền
1) C sở lý thuyết tính toán hệ số nền từ số liệu đo dộ võng hiện trường
hi chịu tải trọng tác dụng, tấm bị võng và truyền áp lực xuống nền. Trường hợp tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh, trong nền xuất hiện phản lực tác dụng lên tấm (xem hình). Chiếu tất cả các lực tác dụng lên tấm theo phư ng Z, gồm có tải trọng tác dụng và phản lực nền:
s
ds y x r
P ( , ) (2.17) với P- tải trọng tác dụng;
r(x,y)- phản lực nền tại toạ độ x,y, theo mô hình nền một hệ số r(x,y) = C.w(x,y);
W(x,y)- độ võng tấm tại toạ độ x,y, được giả thiết bằng với độ võng nền;
C- hệ số nền tư ng đư ng (móng và nền tự nhiên);
s- diện tích hình chiếu bằng chậu võng mặt đường.
r(x,y) Dqd
q q X
Z
Dcv
Hình 2.12. Sơ đồ lực tác dụng lên tấm khi nén tĩnh hiện trường
Thay bi u thức r(x,y) vào công thức, ta được:
s
ds y x C
P ( , ) , (2..18) trong đó:
S
V ds y x
W( , ). . Vậy suy ra hệ số nền sẽ bằng:
V
C P, (2.19)
với V- th tích chậu võng mặt nền, lấy bằng th tích chậu võng mặt đường, được xác định từ số liệu thử nghiệm.
Nếu thử nghiệm với tải trọng động, do nền đất là vật liệu đàn nhớt, khi chịu tcs động của tải trọng động, sẽ xuất hiện lực cản nhớt và lực quán tính, do đó, hệ số nền động sẽ đ-ợc tính:
2 2 d
d
dw dw
P M
dt dt
C V
(2.19a) trong đó: M- khối l-ợng phần tấm bê tông trong phạm vi chậu võng;
- hệ số lực cản nhớt, =Ttr.k, Ttr-- thời gian trễ của biến dạng do nhớt; k- hệ số độ cứng của nền;
Vd- thể tích động của chậu võng.
Theo kết quả thí nghiệm, hệ số nền động có gia strij bằng 2 lần hệ số nền tĩnh.
2) Xác định hệ số nền theo đặc trưng chậu võng mặt đường
Đ đ n giản trong thử nghiệm hiện trường, tại Mỹ trong hướng dẫn thực hành vủa Cục hàng không liên bang (FAA), người ta đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, xác định sự tư ng quan giữa hình dạng độ cong mặt võng tấm (thông qua độ võng một số đi m trên chậu võng) với độ cứng tấm, thông qua tham số đặc trưng khả năng chống biến dạng tấm bê tông (bán kính độ cứng tư ng đối). Phư ng pháp đánh giá còn gọi là phư ng pháp AREA, c sở phư ng pháp như sau:
Sử dụng thiết bị đánh giá với bốn đầu đo độ võng mặt tấm. Từ các độ võng Wo,W1,W2,W3 ( inch), đo được đối với tấm bê tông dày không quá 40cm, tại vị trí tâm tải trọng và cách tâm tải trọng tư ng ứng 12, 24 và 36 inch (30, 60 và 90 cm), xác định tham số AREA:
6(1 2 2 )
0 3 0 2 0
1
w w w w w
AREA w (inch) (2.20) Xác định đặc trưng đàn hồi động tấm bê tông:
ln( )
A AREA D
L B
C
, (inch) (2.21) với các hằng số thực nghiệm: A = 36; B = 1812,279; C = -2,559;
D = 4,387.
hi biết độ võng tại tâm tải trọng W0 và đặc trưng đàn hồi L, hệ số nền C có th được xác định từ công thức của Westergaad:
2 2
0
) ( 673 , 0 2 ) 2 ln(
1 1
8 L
R L
R L
w C P
, (2.22) với R- bán kính vệt bánh xe quy đ i.
Cần lưu ý, khi thử nghiệm bằng thiết bị gia tải trọng tĩnh thì các giá trị độ võng tấm đo được là các độ võng tĩnh và hệ số nền nhận được từ công thức trên sẽ là hệ số nền tĩnh. hi thử nghiệm bằng thiết bị gia tải động thì sẽ nhận được các giá trị độ võng động. hi đó hệ số nền nhận được từ công thức trên là hệ số nền động. Do nền đường là vật liệu có đặc tính đàn nhớt, nền th hiện đặc tính biến dạng tr khi chịu tác dụng của tải trọng động, nên độ võng động sẽ nhỏ h n với độ võng tĩnh. Do vậy hệ số nền động nhận được từ tính toán sẽ lớn h n so với hệ số nền tĩnh.
Đ đánh giá xác định tải trọng cho phép là tải trọng tĩnh như tải trọng dùng trong tính toán thiết kế, cần quy đ i hệ số nền động về hệ số nền tĩnh. Sự khác biệt của hệ số nền động so với hệ số nền tĩnh phụ thuộc loại đất nền, độ cứng của tấm bê tông mặt đuờng và tốc độ gia tải của tải trọng thử nghiệm.
Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của tác giả và các cộng sự, đối với nền đất sét pha, giá trị hệ số nền động lớn h n hệ số nền tĩnh khoảng 2 lần. Theo hướng dẫn của cục hàng không liên bang Mỹ, trong tính toán đánh giá sức chịu tải mặt đường ô tô và sân bay, có th lấy chung cho các loại nền đường, giá trị hệ số nền động lớn gấp hai lần hệ số nền tĩnh.
Tư ng tự, giá trị mô đun đàn hồi động nền đường cũng lớn h n so với mô đun đàn hồi tĩnh.
c. Xác định mô đun đàn hồi tấm bê tông xi măng tại thời điểm đánh giá
hi đã biết đặc trưng đàn hồi tấm bê tông L và hệ số nền C, khi biết chiều dày tấm bê tông, có th xác định mô đun đàn hồi bê tông theo công thức tính đặc trưng đàn hồi tấm bê tông:
4 C L D,
với
) 1 (
12 2
3
Eh
D Suy ra mô đun đàn hồi bê tông:
3 2
4(1 )
12 h E CL
. (2.23) d. Xác định cường độ kéo uốn bê tông tại thời điểm đánh giá
Từ giá trị mô đun đàn hồi E của bê tông, đ xác định cường độ kéo uốn bê tông phục vụ tính toán xác định sức chịu tải, có th tham khảo các công thức đã có hoặc theo các bảng tra, ví dụ theo công thức của Viện Bê tông Hoa kỳ (ACI):
ku 6
43,5.E
R 488,5 10
, (2.24) với E, Rku- tính bằng Psi (1Psi = 0,007036 MPa).
Cường độ kéo uốn cho phép của bê tông tại thời đi m ki m tra cần xét đến tác dụng mỏi của vật liệu khi chịu tác dụng của tải trọng trùng phục.
Như vậy, từ độ võng thử nghiệm hiện trường, ta có th tính được các tham số hệ số nền C, mô đun đàn hồi bê tông E và cường độ kéo uốn bê tông Rku, khi biết chiều dầy tấm bê tông h, hoàn toàn có th xác định được sức chịu tải mặt đường bê tông xi măng theo phư ng pháp tính ngược theo các lý thuyết đã biết, thí dụ theo Westergaad, ứng suất tại tâm tấm:
2 34
0 0,2751 lg.
b C
Eh h
Ptt
. (12.25)
hi cho vế trái công thức (2.95) bằng với cường độ kéo uốn cho phép của bê tông theo (2.94), sẽ tính được tải trọng cho phép P của mặt đường ki m tra.
Cần lưu ý rằng, vật liệu bê tông xi măng là vật liệu đàn hồi, do vậy các tham số cường độ như mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn của bê tông xi măng nhận được bằng thí nghiệm động và thí nghiệm tĩnh là có giá trị như nhau.
BÀI TẬP THỰC HÀNH
Thí dụ tính toán: Đánh giá mặt đường bê tông xi măng đường ô tô dày 20cm bằng thiết đo độ võng động FWD với 4 đầu đo độ võng tại tâm tấm theo phư ng pháp AREA: 4 đầu đo đặt tại tâm tấm ép, cách tâm tấm ép một khoảng 0, 12,24 và 36 inch ( 0, 30, 60 và 90 cm). Tấm ép đường kính 2R = 45cm.
Tải trọng đánh giá là 6T.
ết quả đo độ võng w0 = 0,145mm; w1 = 0,110mm; w2 = 0,104mm; w3 = 0,093mm.
Tấm ép đường kính 33cm.
Trước hết, quy đ i các độ võng có đ n vị là mm sang đ n vị là inch: ta có w0 = 0,057 inch, w1 = 0,044 inch, w2 = 0,0416 inch và w3 = 0,036 inch.
Tính tham số AREA theo (2.90):
6(1 2 2 )
0 3 0 2 0
1
w w w w w
AREA w = 27,5 ( inch);
Tính đặc trưng đàn hồi động tấm theo:
ln( )
A AREA D
L B
C
= 25,6 (inch) = 66 cm;
Tính hệ số nền động theo (2.92):
2 2
0
) ( 673 , 0 2 ) 2 ln(
1 1
8 L
R L
R L
w
C P ,
nhận được C = 1,19 MPa/cm. LÊy Ct=0,59MPa.
Tính mô đun đàn hồi bê tông theo công thức:
3
2
4(1 )
12 h E CL
= 32269MPa.
Tính cường độ kéo uốn bê tông tại thời đi m đánh giá theo công thức:
488,5).0,007 4,84 , 10
. 007 , 0
5 ,
( 43 E 6 MPa
Rku với Rku, E tính theo MPa.
Trong tính toán, đ xác định sức chiu tải mặt đường là tải trọng tĩnh, cần quy đ i hệ số nền và đặc trưng đàn hồi nền về tham số tĩnh.
Khi lấy hệ số nền tĩnh bằng một nửa hệ số nền động, vậy suy ra hệ số nền tĩnh bằng 0,595 MPa/cm. hi biết mô đun đàn hồi bê tông, hệ số nền tĩnh và chiều dày tấm bê tông, tính được đặc trưng đàn hồi tĩnh của tấm, L= 78cm.
Theo công thức trên, tính tải trọng cho phép của mặt đường (Pcp):
0 2 34
lg . 1
275 ,
0 CR
Eh h
Pcp
= Rku. (27) ết quả nhận được tải trọng cho phép là Pcp = 13,3T.