Báo cáo Xác định mô ðun ðàn hồi của các lớp vật liệu áo đường mềm từ kết quả thí nghiệm FWD (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Xác định mô ðun ðàn hồi của các lớp vật liệu áo đường mềm từ kết quả thí nghiệm FWD (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG XÁC ÐỊNH MÔ ÐUN ÐÀN HỒI CỦA CÁC LỚP VẬT LIỆU ÁO ÐƯỜNG MỀM TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM FWD S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2013-12TÐ S KC 0 0 4 7 7 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11 - 2013
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA XÂY DỰNG & CHƯD [ \ ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA CÁC LỚP VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG MỀM TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM FWD MÃ SỐ: T2013-12TĐ CNĐT: TS. LÊ ANH THẮNG TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2013
3. -i- LỜI NÓI ĐẦU Đề tài “Xác định môdun đàn hồi của các lớp vật liệu áo đường mềm từ kết quả thí nghiệm FWD” được thực hiện từ tháng 01/2012 đến tháng 12/2013. Kết quả đề tài có được là một công cụ tính toán ngược, xác định môdun đàn hồi từ thí nghiệm FWD và 2 bài báo khoa học được đăng trên tạp chí trong nước có ISBN lần lượt là ISBN-978-604-82-0022-0 và ISBN-978-604-82-0019-0 và được các chuyên gia preview độc lập. Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Anh Lê Anh Dũng đã làm việc cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, nội dung thực hiện trong đề tài phần lớn cũng là nội dung đồ án tốt nghiệp thạc sĩ của anh. Xin trân trọng cảm ơn trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện và hỗ trợ về tài chính thực hiện đề tài. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, chúng tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Quang Phúc và cô TS.Trần Thị Kim Đăng đã cung cấp số liệu và những đóng góp hữu ích giúp tôi có thể thực hiện tốt đề tài. Đề tài không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Chúng tôi rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn. i TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
4. -ii- TÓM TẮT ĐỀ TÀI: “XÁC ĐINH MÔDUN ĐÀN HỒI CỦA CÁC LỚP VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG MỀM TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM FWD” Giới thiệu chung Để đánh giá cường độ kết cấu áo đường có nhiều phương pháp khác nhau. Nhưng thí nghiệm thiết bị đo động (FWD) có hiệu quả và tính chính xác cao hơn cả. Bên cạnh đó, công cụ tính toán môđun đàn hồi các lớp áo đường sử dụng kết quả thí nghiệm FWD đãợ đư c nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và phát triển từ rất lâu. Thí nghiệm FWD ở Việt Nam hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế. Mặc dù dùng thì nghiệm FWD, nhưng kết quả báo cáo sau khi thí nghiệm chỉ là môđun đàn hồi chung, tương tự như cần Benkelman. Môđun đàn hồi chung không phản ánh được khả năng chịu lực của từng lớp, cái nhìn toàn thể về khả năng chịu lực của từng lớp kết cấu áo đường mềm là một nhu cầu hiện nay, khi bài toán đánh giá chất lượng khai thác đường ngày càng bức thiết hơn. Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng công cụ tính toán hiệu quả cường độ môđun đàn hồi của các lớp kết cấu áo đường mềm từ kết quả thí nghiệm FWD. Nội dung của nghiên cứu bao gồm 5 chương được trình bày vắn tắt như sau: Chương I: Tổng quan Giới thiệu tổng quan về các phương pháp xác định cường độ áo đường Việt Nam hiện nay như: thí nghiệm cần Benkenman, tấm ép cứng, thiết bị đo độ võng động (FWD). Những ưu nhược điểm của các phương pháp thí nghiệm này và tình hình sử dụng các phương pháp trên tại Việt Nam hiện nay. Chương II: Cơ sở lý thuyết Nghiên cứu tổng quan về các mô hình mô phỏng ứng xử của các lớp áo đường dưới tác động của tải trọng. Các phần mềm tính toán thuận, tính toán ngược đã được ii nghiên cứu ở nước ngoài. Phân tích các nghiên cứu, đã đạt được trong nước, về tính toán môđun đàn hồi từ thí nghiệm FWD. Chương III: Phương pháp và nội dung nghiên cứu TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
5. -iii- Giới thiệu về chương trình BISAR và lý thuyết thuật giải di truyền. Xây dựng chương trình Bisar-GAs, tính toán môđun đàn hồi các lớp vật liệu áo đường Chương IV: Phân tích chương trình Độ chính xác của chương trình được kiểm tra dựa trên ba bước sau: ¾ So sánh kết quả với các chương trình phổ biến khác ¾ Khảo sát độ nhạy của chương trình ¾ Kiểm tra chương trình chạy theo kết quả thí nghiệm FWD ở hiện trường Chương V: Kết luận và hướng phát triển của đề tài. Kết quả đạt được trong Đề tài và các hướng phát triển iii TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
6. -iv- MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. 1 1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔDUN SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM HIỆN NAY. 2 1.2.1 Phương pháp phá hoại mẫu 2 1.2.2 Phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu 2 1.2.2.1 Phương pháp đo độ võng bằng tấm ép cứng 2 1.2.2.2 Phương pháp đo độ võng bằng cần Benkenman 3 1.2.2.3 Phương pháp đo cường độ mặt đường bằng thiết bị đo độ võng động FWD 4 1.2.3 Đánh giá các phương pháp xác định cường độ kết cấu áo đường. 8 1.2.4 Tình hình sử dụng FWD của Việt Nam hiện nay. 9 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 10 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 10 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 1.6 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 CÁC MÔ HÌNH ÁO ĐƯỜNG TRONG TÍNH TOÁN 12 2.1.1 Lý thuyết đàn hồi: 12 2.1.2. Phương pháp độ dày tương đương 15 2.1.3. Phương pháp phần tử hữu hạn 17 2.1.4. Mô hình đàn nhớt 17 2.2 CÁC NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI 18 2.2.1 Tính toán thuận 18 2.2.2 Tính toán ngược 24 2.2.2.1 PEDMOD 25 2.2.2.2 EVERCALC 26 2.2.2.3 ELMOD 27 2.2.2.4 MICHBACK 28 2.3 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 29 iv 2.4 CÁC THUẬT TOÁN TÍNH NGƯỢC DỰA TRÊN THÍ NGHIỆM FWD 30 2.4.1 Thuật toán dựa trên phân tích vùng ứng suất 30 2.4.2 Thuật toán dựa theo thử-sai 31 TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
7. -v- 2.4.3 Thuật toán dựa trên cơ sở dữ liệu 32 2.4.4 Các thuật toán tối ưu 32 2.5 KẾT LUẬN 32 CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 34 3.1 CHƯƠNG TRÌNH BISAR 34 3.2 THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 37 3.2.1 Tổng quan về GA (Genetic Algorithms) 37 3.2.2 Nguyên lý hoạt động 38 3.2.2.1 Chọn lọc 40 3.2.2.2 Lai ghép 41 3.2.2.3 Đột biến 41 3.2.3 Các thành phần trong thuật toán di truyền 42 3.2.3.1 Dân số 44 3.2.3.2 Lai ghép 44 3.2.3.3 Đột biến 46 3.2.3.4 Chọn lọc 47 3.2.4 Mô tả bài toán tìm môđun vật liệu sử dụng thuật toán di truyền 49 3.3 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN CỦA BISAR-GAS 50 3.4 CÁC BIỂU THỨC TÍNH TOÁN 51 3.4.1 Độ võng đại điện 51 3.4.2 Điều chỉnh môđun đàn hồi lớp bêtông nhựa Asphat dưới ảnh hưởng nhiệt độ. 54 3.4.3 Bình phương sai số RMS (Root Mean Square) 54 3.4.4 Hàm đánh giá 55 3.5 CHƯƠNG TRÌNH BISAR-GAS 55 3.5.1 Nhập số liệu đầu vào 56 3.5.2 Xử lý số liệu 60 3.6 KẾT LUẬN 62 CHƯƠNG IV: PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH 64 4.1 KIỂM TRA ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CHƯƠNG TRÌNH 64 4.1.1 Kết quả tính toán trên chương trình 65 v 4.1.2 Kết quả tính toán trên chương trình khác 66 4.1.3 Kết luận 67 4.2 PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY CỦA THAM SỐ GA 67 4.2.1 Ảnh hưởng giữa tỉ lệ lai ghép và tỉ lệ đột biến 69 TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
8. -vi- 4.2.2 Ảnh hưởng giữa tỉ lệ lai ghép và dân số 72 4.2.3 Ảnh hưởng giữa tỉ lệ đột biến và số dân số 74 4.2.4 Ảnh hưởng khoảng môđun vật liệu. 78 4.3 BÀI TOÁN THÍ NGHIỆM FWD Ở QUỐC LỘ 32 80 4.4 KẾT LUẬN 83 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 5.1 KẾT LUẬN 85 5.2 KIẾN NGHỊ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 91 vi TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
9. -vii- DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 : khoảng cách cách sensor và bán kính tải 4 Hình 1.2: độ võng và thời gian biến dạng của nền đường 5 Hình 1.3: thiết bị đo động FWD 6 Hình 1.4: màn hình thể hiện thí nghiệm FWD 7 Hình 1.5: độ võng kết cấu mặt đường từ thí nghiệm FWD 7 Hình 2.1: mô hình của phương trình Boussinesq 13 Hình 2.2: đường ảnh hưởng cho một vùng tải hình tròn 15 Hình 2.3: mô hình chuyển đổi hai lớp theo Odemark 16 Hình 2.4: mô hình tính toán môđun đàn hồi các lớp áo đường của phần mềm 25 Hình 2.5: sơ đồ phương trình tính toán 26 Hình 2.6: chậu võng thực đo và chậu võng giới hạn trong khoảng sai số 15% 29 Hình 2.7: sơ đồ vùng ứng suất dưới tác động của tải trọng FWD 31 Hinh 3.1 : lựa chọn kết quả xuất ra của chương trinh Bisar 35 Hinh 3.2 : sơ lược các hướng ứng suất cắt, ứng suất chinh của hai hệ thống tọa độ 36 Hình 3.3: kết quả tính toán từ chương trình Bisar 36 Hình 3.4: sơ đồ biểu diễn của 1 chuỗi 39 Hình 3.5: nhiễm sắc thể của bài toán ba lớp trình bày dưới dạng mã nhị phân 43 Hình 3.6 : lai ghép đơn điểm 45 Hình 3.7 : lai ghép 2 điểm 45 Hình 3.8 : lai ghép đồng đều 46 vii Hình 3.9: đột biến gen của nhiễm sắc thể 47 Hình 3.10 : bánh xe Roulette 48 TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
10. -viii- Hình 3.11 : phương pháp giải đấu chọn lọc 49 Hình 3.12 :mô hình tính toán môđun đàn hồi các lớp áo đường của phần mềm 50 Hình 3.13 : biểu đồ độ võng 53 Hình 3.14: các menu chính của Bisar-GAs 57 Hình 3.15: thêm mới dữ liệu 57 Hình 3.16: thêm tải trọng và bán kính tác dụng 58 Hình 3.17: nhập thông số các lớp áo đường 58 Hình 3.18: nhập khoảng cách các Sensor 59 Hình 3.19: nhập độ võng thực đo 59 Hình 3.20: biểu đồ độ võng thực đo 60 Hình 3.21: biểu đồ tổng hợp độ võng các Sensor tại các vị trí đo 60 Hình 3.22: nhập thông số tính toán của GA 61 Hình 3.23: biểu đồ độ võng tính toán và thực đo tại một vị trí 61 Hình 4.1 : mô hình kết cấu ba lớp của Reddy 64 Hinh 4.3 : biểu đồ môđun và RMS của các chương trình tính toán ngược 66 Hình 4.4: ảnh hưởng tỉ lệ lai ghép (Pc) và tỉ lệ đột biến (Pm) đến %RMS 72 Hình 4.5: ảnh hưởng dân cư và tỉ lệ lai ghép đến % RMS 77 Hình 4.6: ảnh hưởng phạm vi môđun và dân số đến % RMS 79 Hình 4.7: kết quả môđun và RMS tính toán 82 viii TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
11. -ix- DANH SÁCH CÁC BẢNG B ảng 1.1 : bảng so sánh ưu nhược điểm các phương pháp đo 8 B ảng 2.1 : hệ số mô hình Hogg 21 B ảng 3.1 : độ võng tại 4 vị trí đo ngoài thực địa 53 Bảng 3.2: hệ số poisson của các lớp vật liệu theo Aashto 1993 56 B ảng 3.3: giá trị môđun các lớp vật liệu theo Aashto 1993 56 Bảng 4.1: thông số ga sử dụng trong chương trình 65 B ảng 4.2 : phạm vi môđun của các lớp vật liệu 65 Hình 4.2: kết quả hiển thị của chương trình Bisar-GA 65 B ảng 4.3: kết quả tính toán ngược các chương trình 66 B ảng 4.4 : phạm vi các tham số trong ga được Reddy sử dụng 67 B ảng 4.6: phạm vi môđun sử dụng phân tích độ nhạy 68 B ảng 4.7: phạm vi các tham số sử dụng phân tích độ nhạy 69 B ảng 4.8: mối quan hệ giữa tỉ lệ lai ghép Pc và tỉ lệ đột biến Pm 71 B ảng 4.9 :mối quan hệ giữa dân số và tỉ lệ đột biến Pm 75 Bảng 4.10: phạm vi các tham số sử dụng phân tích độ nhạy 77 B ảng 4.11: giá trị thông số GA 78 B ảng 4.12: phạm vi môđun các lớp 78 B ảng 4.13: mối quan hệ giữa phạm vi môđun và dân số 78 B ảng 4.13: phạm vi môđun đề nghị của Wael Alkasawneh 80 B ảng 4.14: thông số các lớp áo đường thí nghiệm 81 ix B ảng 4.15: kết quả môđun và RMS tính toán 81 TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
12. -1- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 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 287.689 km , 39.800 cầu với 746.630 m dài. 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. TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
13. -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. 1.2 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. 1.2.1 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. 1.2.2 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. 1.2.2.1 Ph ương 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 cấ u 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]. TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
14. -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. 1.2.2.2 Ph ương 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 ) E = α (1.1) dh L dh 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. TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
15. -4- 1.2.2.3 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. Hình 1.1: 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 cao của tải trọng rơi. Khối tải trọng được đưa lên độ cao quy định, sau đó rơi tự do 4 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 đặ t tấm ép. TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
16. -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 từi các cảm b ến 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. TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
17. -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 mặợt đường đư c phần mềm chuyên dụng ghi vào trong máy tính. Các thông tin hỗ trợ khác như nhiệt độ không khí, nhiệt độ mặt đường, khoảng cách giữa các vị trí đo, lý trình vị trí đo được lưu lại bằng phần mềm hoặc ghi lại vào sổ tay. Sau khi đo xong, tấm ép và các đầu đo võng được nâng lên và thiết bị được di chuyển đến vị trí kiểm tra tiếp theo. Theo tiêu chuẩn ngành “Quy trình thí nghiệm đánh giá cường độ nền đường và kết cấu mặt đường mềm của đường ôtô bằng thiết bị đo động (FWD)” 22TCN 355 – 06[3]. Để đánh giá cường độ các lớp áo đường, chia tuyến đường cần đo đạc thành các đoạn đồng nhất, có các yếu tố tương đồng như: trạng thái bề mặt, kết cấu áo đường, chiều dầy kết cấu, lớp đất nền ở trên cùng, lưu lượng xe chạy Chọn 6 đoạn đại diện trên mỗi đoạn đồng nhất. Đoạn đại diện có chiều dài từ 500 mét đến 1.000 mét. Mỗi đoạn đại diện chọn lấy 20 điểm đo. Với những đoạn đồng nhất, đặc TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
18. -7- biệt ngắn nhưng có tính chất khác hẳn các đoạn xung quanh (điều kiện địa chất thủy văn phức tạp hoặc đoạn qua vùng đất yếu, đoạn hư hỏng cục bộ ), thậm chí nhỏ hơn 100 mét cũng phải đo đủ tối thiểu 15 điểm. Hình 1.4 thể hiện kết quả trên màn hình của thí nghiệm FWD với đồ thị thể hiệôn m đun theo chiều sâu, và các độ võng. Hình1.4: Màn hình thể hiện thí nghiệm FWD Căn cứ vào số liệu đo, dạng biểu đồ độ võng trên bề mặt đường tại mỗi điểm khảo sát có thể được thể hiện như hình ở bên dưới. Hình 1.5: Độ võng kết cấu mặt đường từ thí nghiệm FWD 7 TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
19. -8- 1.2.3 Đánh giá các phương pháp xác định cường độ kết cấu áo đường. Tháng 9 năm 2010, đề tài “Nghiên cứu, đánh giá các phương pháp xác định cường độ kết cấu áo đường tại khu vực đông thành phố Hồ Chí Minh”của nhóm tác giả Trần Thanh Tưởng[4] đã thống kê các phương pháp đo thực tế ngoài hiện trường như: tấm ép cứng, cần Benkemen, thiết bị đo động FWD. Từ đó phân tích tìm ra mố i quan hệ giữa các phương pháp thí nghiệm ngoài hiện trường tại một vị trí trên đường, cùng một loại kết cấu. Từ kết quả đo tiến hành vẽ biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa các phương pháp từ thí nghiệm nêu trên. Sau khi phân tích hiệu quả kinh tế, so sánh định mức đơn giá của từng phương pháp đo, tính thuận tiện và hiệu quả, cũng như khả năng quản lý, nhóm tác giả trên đã đưa ra bảng so sánh ưu nhược điểm vào Bảng 1.1. B ảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm các phương pháp đo Đo bằng cần Đo tấm ép cứng Đo bằng FWD Phương pháp đo Benkelman 1. Tính kinh tế Chi phí thiết bị thấp, Chi phí thiết bị Chi phí thiết bị chi phí cho lần thí thấp, chi phí cho cao, chi phí cho nghiệm cao. Giá thí lần thí nghiệm lần thí nghiệm nghiệm/điểm đo: cao. Giá thí thấp. Giá thí 191.000đ nghiệm/điểm đo: nghiệm/điểm đo: 100.000đ 80.000đ 2. Tính thuận Thường dùng đo mặt Đo cho các loại Đo cho các loại tiện đường, khu vực ít xe nền mặt đường, nền, mặt đường xe cộ, công tác đảm bảo khu vực ít xe cộ, phải đi lại được. giao thông phức tạp. công tác đảm Công tác đảm bảo bảo giao thông giao thông đơn phức tạp. giản, ít ùn tắc. 3. Tính hiệu quả Thí nghiệm chậm Thí nghiệm Thí nghiệm nhanh của phương trong cùng một thời chậm trong cùng trong cùng một pháp đo gian. một thời gian. thời gian. 4. Tính áp dụng Kết quả thí nghiệm Kết quả thí Kết quả thí thực tế áp dụng cho thiết kế nghiệm áp dụng nghiệm áp dụng 8 tính toán bài toán cho bài toán cho thiết kết bài động, thường để đo thiết kế tĩnh. toán động. Áp kết quả mặt đường Hay dùng, cho dụng cho công tác TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
20. -9- sau khi hoàn thiện. tất cả các vật quản lý Có kết quả ngay liệu, cơ động, công trình trong quá trình thi công, có kết quả ngay 5. Đối với công Không thuận tiện Không thuận Thuận tiện tác quản lý tiện đường Dựa trên 5 tiêu chí của Bảng 1.1 như: tính kinh tế, tính thuận tiện, hiệu quả của phương pháp đo, khả năng áp dụng thực tế và đối với công tác quản lý đường. Có thể thấy rằng, trong các phương pháp xác định cường độ kết cấu áo đường mềm, phương pháp thí nghiệm FWD có nhiều ưu điểm nổi bật hơn hai phương pháp tấm ép cứng và cần Benkelman. FWD cho kết quả nhanh, chính xác và chi phí đo trên một điểm rẻ. Đối với công tác quản lý đường, phương pháp FWD thể hiện được tính hiệu quả. 1.2.4 Tình hình sử dụng FWD của Việt Nam hiện nay. Hiện nay cả nước chỉ có 4 máy đo thí nghiệm FWD, tuy nhiên một máy bị hỏng ngoài miền Trung. Ở miền Nam, hiệnTrung tâm kỹ thuật đường bộ 7 nhận máy từ một dự án tài trợ nước ngoài từ đầu năm 2002, nhưng một năm trung tâm chỉ 1-2 lần sử dụng máy. Việc sử dụng máy cũng rất hạn chế và chỉ tập trung ở các dự án có nguồn vốn ODA. Theo tiêu chuẩn thí nghiệm FWD 22TCN 335-06 chỉ đưa ra 3 chỉ tiêu: - Môđun đàn hồi nền đường (Mr) - Môđun đàn hồi hữu hiệu của kết cấu mặt đường (Ep), - Chỉ số kết cấu hữu hiệu của mặt đường (SNeff). Số liệu tính dùng trong tính toán bao gồm: - Áp lực tác dụng xuống nền - Độ võng tại vị trí sensor đầu và gần cuối. 9 Như vậy sẽ không sử dụng hết khả năng của thí nghiệm FWD dẫn đến việc đưa thí nghiệm này vào sử dụng rộng rãi ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế. TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
21. -10- 1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Từ kết quả thí nghiệm FWD ngoài hiện trường, xác định được hình dạng chậu võng của mặt đường dưới tác động của tải trọng. Sau đó, sử dụng phương pháp tính toán ngược để tính môđun đàn hồi thực tế của các lớp kết cấu. Căn cứ vào kết quả môđun từng lớp để đánh giá chất lượng kết cấu áo đường. Khả năng sử dụng số liệu từ thí nghiệm đo độ võng mặt đường FWD để tính toán môđun của các lớp vật liệu áo đường là mục đích chính của đề tài nghiên cứu này. Kết quả tính toán cho ta được những đánh giá về giá trị môđun đàn hồi của các lớp áo đường mềm xét đến điều kiện chiụ tải trọng thực tế của vật liệu. 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Từ kết quả thí nghiệm (FWD) áp dụng phương pháp tính toán ngược để tìm môđun đàn hồi của các lớp vật liệu áo đường. Nghiên cứu xây dựng phần mềm tính toán cường độ môđun đàn hồi của các lớp áo đường mềm. Vấn đề cần giải quyết trong đề tài: sự hội tụ của môđun đàn hồi của các lớp áo đường, sai số cho phép giữa độ võng tính toán và thí nghiệm, khả năng dự đoán môđun đàn hồi hợp lý. 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hiện nay trên thế giới đã phát triển nhiều chương trình mô phỏng tính toán khả năng chịu lực của áo đường dưới tác dụng tải trọng như: Bisar, Chervon, Elsyms, Mmopp, Mnpave Các chương trình khác nhau sử dụng giả thuyết vật liệu khác nhau như: đàn hồi, bán đàn hồi, đàn nhớt, đàn dẻo tuy nhiên giả thuyết các lớp vật liệu áo đường mềm là vật liệu đàn hồi đẳng hướng và đồng nhất vẫn được tin dùng trong các phần mềm tính toán. Để thuận tiện trong quá trình tính toán lập phần mềm, nghiên cứu chọn chương trình Bisar được phát triển bởi hãng dần khí Shell là cơ sở cho chương trình tính toán ngược. Độ chính xác của chương trình được kiểm tra trên 3 yếu tố sau: 10 ¾ So sánh kết quả với các chương trình khác ¾ Kiểm tra độ nhạy của chương trình. ¾ Kiểm tra chương trình chạy theo kết quả thí nghiệm FWD thực tế. TS.Lê Anh Thắng | Xác định module đàn hồi các lớp kết cấu áo đường từ thí nghiệm FWD ‐ 2013
22. S K L 0 0 2 1 5 4