Luận văn Phân tích ảnh hưởng của tải trọng động và ma sát giữa các lớp trong tính toán ngược kết cấu áo đường từ FWD (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Phân tích ảnh hưởng của tải trọng động và ma sát giữa các lớp trong tính toán ngược kết cấu áo đường từ FWD (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ THÁI NGÂN PHÂN TÍCH ẢNH HUỞNG CỦA TẢI TRỌNG ÐỘNG VÀ MA SÁT GIỮA CÁC LỚP TRONG TÍNH TOÁN NGUỢC KẾT CẤU ÁO ÐUỜNG TỪ FWD NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP : 60.58.02.08 S K C0 0 5 0 7 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ THÁI NGÂN PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG VÀ MA SÁT GIỮA CÁC LỚP TRONG TÍNH TOÁN NGƯỢC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TỪ FWD NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 2580208 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ THÁI NGÂN PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG VÀ MA SÁT GIỮA CÁC LỚP TRONG TÍNH TOÁN NGƯỢC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG TỪ FWD NGÀNH: KT XÂY DỰNG CT DD & CN Hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ANH THẮNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: TRẦN THỊ THÁI NGÂN Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 02/10/1991 Nơi sinh: Tam Bình, Vĩnh Long Quê quán: Tam Bình, Vĩnh Long Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Chung cư Thủ Thiêm Xanh, phường Bình Trưng Đông, Quận 2, Thành Phố Hồ Chí Minh. Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0164 9 820 725 Fax: E-mail: TranThaiNgan.91@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Đại Học Chính Quy Thời gian đào tạo từ 08/2009 đến 08/2013 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Cửu Long, tỉnh Vĩnh Long. Ngành học: Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Đồ án tốt nghiệp: Cao Ốc Văn Phòng Nguyễn Xí Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Ngày 24/08/2013 Tại Trường Đại Học Cửu Long Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Tiếng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công Ty TNHH Delta Architect 03/ 2014 – 06/2015 Họa viên kiến trúc Việt Nam i
5. LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Trần Thị Thái Ngân, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, khóa 2014 – 2016. Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ “Phân tích ảnh hưởng của tải trọng động và ma sát giữa các lớp trong bài toán tính toán ngược kết cấu áo đường từ FWD” là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 03 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Thị Thái Ngân ii
6. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp cuối khóa, bản thân đã được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của các Thầy giáo, Ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh. Có được bản luận văn tốt nghiệp cuối khóa này, cùng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ to lớn và quý báu của các Thầy, đặc biệt là sự giúp đỡ của TS. Lê Anh Thắng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Lê Anh Thắng người Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình truyền đạt kiến thức và dìu dắt chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Nhưng do buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học cũng như còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa nhận thấy được. Rất mong sự đóng góp quý báu của quý Thầy, Cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Trần Thị Thái Ngân iii
7. TÓM TẮT Thí nghiệm không phá hủy mặt đường FWD hiện đang được sử dụng để đánh giá kết cấu áo đường. Khi thực hiện thí nghiệm người ta biết được độ võng, hình dạng chậu võng của mặt đường, từ đó suy ra được mô-đun đàn hồi thực của mặt đường và căn cứ vào đó để đánh giá tình trạng kết cấu áo đường. Hiện nay, ABAQUS là phần mềm dùng để mô phỏng công trình, kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Nên ở nghiên cứu này sẽ sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng kết cấu áo đường với điều kiện mặt tiếp xúc khác nhau. Mục tiêu của nghiên cứu này là mô hình hóa các điều kiện mặt tiếp xúc với trường hợp tải trọng động và tĩnh để xác định được sai số mô-đun của kết cấu áo đường. Hầu hết, các chương trình tính toán ngược đều giả định rằng các lớp áo đường là đầy đủ liên kết và chưa xét đến yếu tố ma sát giữa các lớp với nhau. Do đó, để thấy được mức độ ảnh hưởng của ma sát đến sai số mô-đun, cần thực hiện nghiên cứu mô hình kết cấu áo đường với nhiều trường hợp liên kết khác nhau. Tải trọng để thực hiện thí nghiệm FWD là tải trọng động, nhưng khi phân tích dữ liệu thường sử dụng phương pháp phân tích tĩnh nên cần xét trường hợp tải trọng động và tĩnh để thấy được sự khác nhau giữa chúng. Kết quả cho thấy được rằng, với trường hợp ma sát giữa lớp bê tông nhựa mịn và bê tông nhựa trung có ảnh hưởng rất lớn đến sai số mô-đun của kết cấu áo đường, nên điều kiện ma sát giữa hai lớp bê tông này là không hợp lý. Còn với trường hợp ma sát lớp bê tông nhựa trung và cấp phối đá dăm loại 1 thì có ít ảnh hưởng đến sai số mô-đun của lớp áo đường. Giữa hai mô hình tải trọng động và tải trọng tĩnh không có ma sát thì có sai số giá trị độ võng khá lớn, độ võng của mô hình tải trọng động có giá trị gần với giá trị độ võng thực đo hơn nên có thể thấy được khi mô hình kết cấu áo đường thì cần xét đến yếu tố tải trọng động. Có thể mô hình hóa thí nghiệm FWD bằng phần mềm ABAQUS, vì độ võng thu được từ phần mềm có giá trị gần với giá trị thực đo. iv
8. ABSTRACT The falling weight deflectometer (FWD) test is the most widely accepted and used technique for nondestructive evaluation of pavements. Results obtained from experiments are the elastic mô-đunus of pavement structure layers, from which evaluate the condition of the pavement. Currently, ABAQUS software used to simulate model, structure based on finite element. This study used ABAQUS software to simulate pavemant structure with different contact surfaces. The goal of this study was to determine the errors mô-đune of pavement was modeled exposure conditions the impact of static and dynamic loads. Most backcalcalation programe for that pavement layers had links and not considering the friction. Therefore, to the effect of friction on the need to perform many different instances of friction between the layers of the pavement. Actually, applied loads are dynamic loads but when the analysis is static load, so here will consider the case of static and dynamic loads to be seen difference. The results from this study indicate that friction between wearing and binder layer is large and mô-đun errors is large, so seen friction between these two layers are inconsequential. Friction between binder and base 1 layer is smaller and mô-đune changed less than the initial mô-đunus. Model the impact of dynamic load and static load without regard to friction have large error. Deflection from model the impact of dynamic load approximately measured values. Therefore, pavement structure need to consider effect of dynamic load. Can be used ABAQUS to simulate FWD testing, beacause deflection from software approximately measured values. v
9. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Abstract v Mục lục vi Danh sách các hình ix Danh sách các bảng xi Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu 1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 4 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4 1.4 Mục đích nghiên cứu 5 1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài 5 1.6 Phương pháp nghiên cứu 5 1.7 Kế hoạch thực hiện 5 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Bài toán tính toán ngược 6 2.2 Thí nghiệm FWD 7 2.3 Mô-đun đàn hồi của lớp kết cấu áo đường mềm 8 2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn 8 2.5 Chương trình ABAQUS 9 Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN TĨNH VÀ ĐIỀU KIỆN MẶT TIẾP XÚC 11 3.1 Mặt tiếp xúc cấu thành từ mô hình 11 vi
10. 3.2 Mặt tiếp xúc sử dụng phần mềm ABAQUS để mô tả 13 3.3 Mô hình mặt tiếp xúc của các lớp 14 3.4 Các bước giả lập một bài toán trong chương trình ABAQUS/Cae 15 3.4.1 Mô hình hóa bài toán 15 3.4.2 Phân tích 16 3.5 Mô hình mặt tiếp xúc giữa các lớp kết cấu áo đường 16 3.5.1 Mô tả bài toán 16 3.5.2 Xây dựng mô hình 18 3.5.3 Định nghĩa vật liệu và thuộc tính 18 3.5.4 Định nghĩa lắp ghép các lớp 19 3.5.5 Thiết lập bước phân tích 19 3.5.6 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên 20 3.5.6 Phân chia lưới 20 3.6 Kết quả mô hình 21 3.7 Nhận xét 23 Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN ĐỘNG 24 4.1 Mô hình bài toán động cho lớp kết cấu áo đường 24 4.1.1 Mô tả bài toán 24 4.1.2 Xây dựng mô hình 25 4.1.3 Định nghĩa vật liệu và thuộc tính 25 4.1.4 Định nghĩa lắp ghép các lớp 25 4.1.5 Thiết lập bước phân tích 25 4.1.6 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên 26 4.1.7 Phân chia lưới 26 4.2 Kết quả mô hình 27 4.3 Nhận xét 29 Chương 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM 30 5.1 Mô hình bài toán cho lớp kết cấu áo đường thực nghiệm 30 5.1.1 Mô tả bài toán 30 vii
11. 5.1.2 Xây dựng mô hình 31 5.1.3 Định nghĩa vật liệu và thuộc tính 31 5.1.4 Định nghĩa lắp ghép các lớp 31 5.1.5 Thiết lập bước phân tích 31 5.1.6 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên 33 5.1.7 Phân chia lưới 33 5.2 Kết quả mô hình 34 5.3 Phương pháp lặp 39 5.3.1 Mô hình tải trọng động với ma sát đơn giản lớp bê tông nhựa mịn – bê tông nhựa trung (TĐ1) 42 5.3.2 Mô hình tải trọng động với ma sát đơn giản lớp bê tông nhựa trung – cấp phối đá dăm loại I (TĐ2) 45 5.3.3 Mô hình tải trọng động với ma sát đơn giản lớp bê tông nhựa mịn – bê tông nhựa trung và bê tông nhựa trung – cấp phối đá dăm loại I (TĐ3) 48 5.4 Nhận xét 51 5.4.1 Trường hợp TĐ1 52 5.4.2 Trường hợp TĐ2 53 5.4.3 Trường hợp TĐ3 54 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 60 viii
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 3.1: Mô hình kết cấu áo đường 17 Hình 3.2: So sánh độ võng TT 22 Hình 3.3: So sánh độ võng TT1 22 Hình 3.4: So sánh độ võng TT2. 22 Hình 3.5: So sánh độ võng TT3 22 Hình 3.6: So sánh độ võng TT4 23 Hình 4.1: Mô hình kết cấu áo đường 24 Hình 4.2: Biều đồ tải trọng động theo thời gian 26 Hình 4.3: Kết quả độ võng mô hình động theo thời gian 28 Hình 4.4: So sánh kết quả độ võng mô hình 29 Hình 5.1: Mô hình kết cấu áo đường 30 Hình 5.2: Biều đồ tải trọng động theo thời gian 32 Hình 5.3: Độ võng theo thời gian TĐ 34 Hình 5.4: Độ võng theo thời gian TĐ1 34 Hình 5.5: Độ võng theo thời gian TĐ2 35 Hình 5.6: Độ võng theo thời gian TĐ3 35 Hình 5.7: Độ võng tải trọng tĩnh TT 37 Hình 5.8: Độ võng tải trọng động TĐ 37 Hình 5.9: Độ võng TĐ1 38 Hình 5.10: Độ võng TĐ2 38 Hình 5.11: Độ võng TĐ3 38 Hình 5.12: Thay đổi mô-đun đất nền 40 Hình 5.13: Thay đổi mô-đun CPĐD loại I 40 Hình 5.14: Thay đổi mô-đun CPĐD loại II 41 Hình 5.15: Thay đổi mô-đun BTNT 41 Hình 5.16: Thay đổi mô-đun BTNM 41 ix
13. Hình 5.17: Độ võng khi E5 = 36,28 MPa 44 Hình 5.18: Độ võng khi E4 = 933,4 MPa 44 Hình 5.19: Độ võng khi E3 = 221,333 MPa 44 Hình 5.20: Độ võng khi E5 = 45,35 MPa 44 Hình 5.21: Độ võng khi E2 = 5263,2 MPa 45 Hình 5.22: Độ võng khi E5 = 108,83 MPa 46 Hình 5.23: Độ võng khi E4 = 933,4 MPa 46 Hình 5.24: Độ võng khi E3 = 147,55 MPa 46 Hình 5.25: Độ võng khi E2 = 5263,32 MPa 46 Hình 5.26: Độ võng khi E4 = 700,05 MPa 47 Hình 5.27: Độ võng khi E5 = 36,28 MPa 49 Hình 5.28: Độ võng khi E4 = 1866,80 MPa 49 Hình 5.29: Độ võng khi E3 = 221,33 MPa 49 Hình 5.30: Độ võng khi E1 = 3596,72 MPa 49 Hình 5.31: Độ võng khi E4 = 2800,2 MPa 50 Hình 5.32: Độ võng khi E2 = 877,20 MPa 50 Hình 5.33: Độ võng khi E1 = 7193,44MPa 50 Hình 5.34: Độ võng khi E3 = 184,44 MPa 50 Hình 5.35: Độ võng với mô-đun ban đầu TĐ1 53 Hình 5.36: Độ võng với bộ mô-đun sau khi tính toán ngược TĐ1 53 Hình 5.37: Độ võng với mô-đun ban đầu TĐ2 54 Hình 5.38: Độ võng với bộ mô-đun sau khi tính toán ngược TĐ2 54 Hình 5.39: Độ võng với mô-đun ban đầu TĐ3 55 Hình 5.40: Độ võng với bộ mô-đun sau khi tính toán ngược TĐ3 55 x
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 3.1: Số liệu các lớp kết cấu áo đường 18 Bảng 3.2: Điều kiện tiếp xúc giữa các lớp 20 Bảng 3.3: Kết quả tính toán độ võng bằng phần mềm ABAQUS và so sánh với Stefan A. Romanoschi 21 Bảng 4.1: Số liệu các lớp kết cấu áo đường 25 Bảng 4.2: Kết quả mô hình 27 Bảng 5.1: Số liệu các lớp kết cấu áo đường 31 Bảng 5.2: Điều kiện tiếp xúc giữa các lớp 33 Bảng 5.3: Bảng so sánh độ võng các trường hợp 37 Bảng 5.4: Bảng giá trị độ võng sau khi thay đổi bộ mô-đun mới TĐ1 43 Bảng 5.5: Bảng giá trị độ võng sau khi thay đổi bộ mô-đun mới TĐ2 47 Bảng 5.6: Bảng giá trị độ võng sau khi thay đổi bộ mô-đun mới TĐ3 51 Bảng 5.7: Giá trị mô-đun tính toán ngược 51 Bảng 5.8: Khoảng giá trị mô-đun cho phép của các lớp áo đường 51 Bảng 5.9: So sánh giá trị mô-đun trường hợp TĐ1 52 Bảng 5.10: So sánh giá trị mô-đun trường hợp TĐ2 53 Bảng 5.11: So sánh giá trị mô-đun trường hợp TĐ3 54 xi
15. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu: Kết cấu áo đường là phần quan trọng và đắt tiền nhất so với các hạng mục khác trong xây dựng đường ô tô. Chất lượng và tuổi thọ của kết cấu mặt đường là phần trực tiếp có thể nhìn thấy của con đường và là yếu tố quan trọng nhất đảm bảo cho chất lượng khai thác đường, tốc độ xe chạy, chi phí vận hành, an toàn giao thông, Để đánh giá tính bền vững của một cấu trúc áo đường. Cần có đủ dữ liệu không chỉ để mô tả các điều kiện thực tế của đường mà còn để đánh giá tương lai thay đổi cơ cấu mặt đường do tải trọng và các yếu tố môi trường. Trong những năm gần đây, khi tiến hành cải tạo và xây dựng đường mới các quốc lộ quan trọng cũng như các tuyến đường cấp cao như trục chính đô thị, đường cao tốc, các Công ty tư vấn cả trong và ngoài nước hầu hết đều áp dụng một loại kết cấu mặt đường tương tự như nhau: lớp mặt gồm 2 lớp bê tông nhựa với tổng chiều dày từ 12 – 15 cm, lớp móng trên cấp phối đá dăm loại I dày 20 – 30 cm, lớp móng dưới cấp phối đá dăm loại II dày 25 – 30 cm, dưới cùng là lớp đất đắp chọn lọc độ chặt yêu cầu 98% MDD với chiều dày 30 – 50 cm. Kết cấu mặt đường nêu trên (mặt bê tông nhựa với các lớp móng cấp phối đá dăm không gia cố) được phân loại thuộc kết cấu áo đường mềm, để phân biệt với kết cấu áo đường cứng (Bê tông xi măng) hoặc loại nửa cứng có các lớp vật liệu gia cố phía dưới. Kết cấu áo đường mềm là kết cấu với các tầng lớp các khả năng chịu uốn nhỏ, chỉ chịu nén, cắt, trượt là chủ yếu. Cường độ và khả năng chống biến dạng có thể phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm. Với kết cấu áo đường cứng là áo đường có độ cứng rất lớn cường độ chống biến dạng cao hơn so với mặt đất và có khả năng chịu uốn lớn. 1
16. Một kết cấu áo đường thì cần đảm bảo được những yêu cầu sau: Áo đường phải có đủ cường độ và ổn định về cường độ. Cường độ thể hiện qua khả năng chống biến dạng thẳng đứng, biến dạng trượt, đồng thời phải có sức chống chịu tác dụng phá hoại bề mặt của xe cộ, thiên nhiên. Ổn định về cường độ tức là cường độ của áo đường ít bị thay đổi theo điều kiện khí hậu và thời tiết. Mặt đường phải đảm bảo được độ bằng phẳng nhất định, nhằm giảm được sức cản lăn, giảm xóc khi xe chạy. Bề mặt áo đường có đủ độ nhám nhất định để nâng cao hệ số bám dính giữa bánh xe và mặt đường. Mặt đường phải hạn chế được tác động với các yếu tố môi trường: không gây ô nhiễm, không thoát khí độc, hơi độc, hút ồn và mật độ thoát nước nhẹ. Áo đường sản sinh càng ít bụi càng tốt. Để đánh giá được kết cấu áo đường cần sử dụng thí nghiệm không phá hủy mặt đường FWD. Khi thực hiện thí nghiệm người ta biết được độ võng, hình dạng chậu võng của mặt đường, từ đó suy ra được mô-đun đàn hồi thực của mặt đường và căn cứ vào đó để đánh giá tình trạng kết cấu áo đường. Từ độ võng đo được bằng thí nghiệm FWD có thể tính được giá trị mô-đun lớp kết cấu áo đường. Khi thực hiện thí nghiệm FWD ở hiện trường là khá tốn kém và mất nhiều thời gian. Để đơn giản hơn có thể mô phỏng thí nghiệm FWD bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM để đơn giản hóa mô hình. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm ABAQUS để mô hình tải trọng động và tĩnh với các điều kiện tiếp xúc khác nhau. Các vấn đề về tải trọng động và tải trọng tĩnh, điều kiện mặt tiếp xúc, các yếu tố ảnh hưởng đến sai số mô-đun trong tính toán ngược đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Stefan A. Romanoschi and John B. Metcalf nghiên cứu lỗi sai số mô-đun tính toán ngược trong lớp kết cấu áo đường do mô hình hóa không đúng với điều kiện mặt tiếp xúc. Sử dụng phần mềm ABAQUS để mô hình tải trọng tĩnh với các điều kiện mặt tiếp xúc khác nhau, từ đó thu được giá trị độ võng. Dùng phần mềm tính toán ngược MODULUS để giải tìm ra bộ mô-đun mới và từ đó so sánh sai số giữa các bộ mô-đun. Nghiên cứu cho rằng, điều kiện biên của lớp bê tông nhựa mịn – bê tông nhựa trung cũng như bê tông nhựa trung – cấp phối đá dăm loại I có ảnh hưởng rất ít 2
17. đến tính toán ngược cho mô-đun lớp nền, điều kiện mô hình lớp bám dính của lớp bê tông nhựa mịn – bê tông nhựa trung ảnh hưởng đến giá trị mô-đun lớp bê tông nhựa tính toán ngược. Trong luận văn này, sẽ sử dụng phần mềm ABAQUS để giải mô hình với tải trọng tĩnh mà Stefan A. Romanoschi đã lập để kiểm chứng các bước phân tích mô hình là đúng. James W. MAINA, Hiroshi YOKOTA and Kunihito MATSUI nghiên cứu về ảnh hưởng của chiều dày đến sai số mô-đun lớp áo đường trong tính toán ngược cho một số kết luận như sau: sai số của chiều dày của mỗi lớp sẽ ảnh hưởng đến tính toán ngược của mô-đun lớp đó, thời gian gia tải của tải trọng động sẽ ảnh hưởng đến kết quả tính toán ngược của tải động và tải tĩnh, phương pháp sử dụng để thu được độ võng có thể ảnh hưởng đến kết quả tính toán ngược thu được trong việc sử dụng những phương pháp khác nhau, dữ liệu lý thuyết độ võng động có thể được sử dụng để đánh giá kết quả tính toán ngược. A. El Ayadi , B. Picoux , G. Lefeuve-Mesgouez , A. Mesgouez , C. Petit nghiên cứu về cách cải thiện mô hình động của một kết cấu áo đường mềm. Nghiên cứu đưa ra rất nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến kết quả của mô hình động như: trọng lượng riêng, độ cứng, chiều dày, hệ số possion, giảm xóc, đưa ra các yếu tố và lập biểu đồ so sánh để từ đó rút ra kết luận. Trên đây là một số ít trong những công trình nghiên cứu về kết cấu áo đường của một số tác giả trên thế giới, qua đó thấy được khối lượng rất lớn kiến thức về kết cấu áo đường còn rất nhiều để có thể đi sâu vào nghiên cứu. Trong các nghiên cứu, thường mô hình hóa tải trọng xe cộ là tải trọng tĩnh, trên thực tế nó là tải trọng động theo thời gian. Nên cần xem xét và so sánh hai trường hợp tải trọng động và tĩnh với nhau. Vấn đề điều kiện mặt tiếp xúc giữa các lớp là khá quan trọng vì nó ảnh hưởng đến sai số mô-đun trong tính toán ngược. Vì thế, trong sự phát triển nhanh chóng về lĩnh vực kết cấu áo đường của thế giới, học viên tiến thành phân tích sâu hơn về các yếu tố điều kiện mặt tiếp xúc có thể ảnh hưởng đến sai số mô-đun trong quá trình tính toán ngược. So sánh hai trường 3
18. hợp tải trọng động và tĩnh, để đưa ra được giá trị chênh lệch của hai trường hợp và có cái nhìn khách quan hơn về vấn đề tải trọng động và tĩnh. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài: Hầu hết các chương trình tính toán ngược đều giả định rằng các lớp áo đường là đầy đủ liên kết và chưa xét đến yếu tố ma sát giữa các lớp áo đường cũng như xem tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh. Vì thế, để để tính toán ngược cho phân tích động và có yếu tố ma sát cần sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM. Các khó khăn tổng quan trong kết cấu áo đường, cũng như ở hiện trường và các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm cho rằng đầy đủ liên kết giữa các lớp không diễn ra trong các tình huống. Do đó, thực hiện nghiên cứu mô hình kết cấu áo đường với nhiều trường hợp liên kết khác nhau để thấy được mức độ ảnh hưởng của ma sát đến sai số mô-đun. Thí nghiệm FWD được thực hiện tại chỗ, hầu hết các lần thực hiện thí nghiệm thường mất nhiều thời gian và kết quả cuối cùng của các phương pháp khác nhau là khác nhau. Một vấn đề ở đây là, mặc dù tải trọng để thực hiện thí nghiệm là tải trọng động nhưng khi phân tích dữ liệu thường sử dụng phương pháp phân tích tĩnh. Nên trong luận văn này sẽ đi nghiên cứu về hai yếu tố là điều kiện ma sát và tải trọng động để thấy được sai số của độ võng và sai số mô-đun tính toán ngược. 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Có thể mô phỏng được thí nghiệm FWD bằng phần mềm ABAQUS. Vì việc thực hiện thí nghiệm ngoài hiện trường còn nhiều khó khăn và tốn chi phí. Kiểm chứng được mặt tiếp xúc giữa các lớp kết cấu áo đường là có hay không thông qua việc giải mô hình và đánh giá sai số. Đưa ra được sai số độ võng giữa trường hợp tải trọng động và tải trọng tĩnh. Có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM để tính toán ngược đối với phân tích động. 4
19. 1.4 Mục đích nghiên cứu: Với những mô hình giả lập, có thể mô phỏng lại thí nghiệm FWD bằng phần mềm ABAQUS. Từ đó, đưa ra được các kết quả giá trị độ võng tính toán gần với giá trị độ võng thực đo. So sánh kết quả giá trị độ võng của mô hình tải trọng động và tải trọng tĩnh. Đánh giá được sai số mô-đun lớp áo đường khi sử dụng mô hình điều kiện tiếp xúc khác nhau với tải trọng động. 1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài: Nhiệm vụ nghiên cứu là mô phỏng được mô hình kết cấu áo đường bằng phần mềm ABAQUS để có độ võng. Sử dụng phương pháp lặp (tính toán ngược), để tìm được bộ mô-đun mới từ đó so sánh với bộ mô-đun ban đầu. Giới hạn đề tài ở đây là chỉ xét được các trường hợp tĩnh và động với các điều kiện tiếp xúc với nhau. Chưa xét được nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, độ dày của các lớp áo đường, 1.6 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu ở đây là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM giải bằng phần mềm ABAQUS. 1.7 Kế hoạch thực hiện: Mô phỏng đúng hai mô hình tải trọng tĩnh với nhiều trường hợp mặt tiếp xúc khác nhau và mô hình tải trọng động. Để khẳng định được rằng các bước thực hiện mô hình bằng phần mềm ABAQUS là đúng. Sau khi mô phỏng đúng mô hình, sử dụng các bước thực hiện đó mô phỏng mô hình thực nghiệm đo được bằng thí nghiệm FWD ngoài hiện trường có số liệu độ võng thực đo. Từ đó so sánh kết quả để xem xét trường hợp nào (tĩnh, động, và các trường hợp mặt tiếp xúc) là gần với giá trị độ võng thực đo nhất. 5
20. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bài toán tính toán ngược: Kỹ thuật tính toán ngược là một giải pháp đảo ngược các vấn đề tính bề mặt độ võng, tải trọng, ứng xử đàn hồi của vật liệu và độ dày của một cấu trúc áo đường. Các tính toán ngược luôn được xem như là giải pháp gần đúng. Nguyên tắc của phương pháp tính toán ngược là thiết lập một giá trị mô-đun ban đầu của lớp áo đường và được điều chỉnh liên tục cho đến khi các độ võng dự đoán xấp xỉ gần bằng độ võng thực đo. Một số chương trình tính toán ngược có sẵn như: BISAR-GAs, MODULUS, Hầu hết các chương trình tính toán ngược đều dựa trên tải trọng tĩnh – giải pháp các lớp đàn hồi. Phân tích độ võng của tải trọng động thường rất hạn chế trong nghiên cứu ứng dụng. Độ chính xác và hợp lí trong quá trình tính toán ngược phụ thuộc vào các yếu tố như sau: - Xét hay không xét ứng xử phi tuyến của vật liệu. - Giả định đất là bán không gian vô hạn hoặc có lớp đá cứng ở một chiều sâu nhất định nào đó. - Điều chỉnh nhiệt độ không chính xác. - Giả định vật liệu là đồng nhất đẳng hướng. - Có hay không có các vết nứt. - Giả định không chính xác của chiều dày các lớp. - Giả định không chính xác điều kiện mặt tiếp xúc. Do tất cả những yếu tố trên mà tính toán ngược rất mất thời gian và phải đòi hỏi mức độ, kỹ năng đánh giá kỹ thuật tốt. Trong số ít các nghiên cứu có thể thấy được sai số mô-đun trong tính toán ngược và dự đoán tuổi thọ còn lại của kết cấu áo đường là do các giả định của các lớp là đầy đủ liên kết, không có trượt tương đối giữa các lớp khi chịu tải. 6
21. Như đã trình bày ở trên thì để tính toán ngược đối với phân tích tĩnh thì thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm máy tính BISAR-GAs.Vậy để tính toán ngược cho phân tích động thì sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM bằng phần mềm ABAQUS. 2.2 Thí nghiệm FWD: Bản chất của phương pháp là đo đạc giá trị độ võng đàn hồi của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng rơi để từ đó tính toán mô-đun lớp áo đường. Thiết bị đo FWD là thiết bị đo độ võng động học kiểu tải trọng loại nhẹ dùng cho đường ôtô . Mục đích thí nghiệm: dùng cho công tác kiểm tra đánh giá cường độ mặt đường để thiết kế kết cấu mặt đường theo 22TCN 274:2001 hoặc theo AASHTO. Nội dung thí nghiệm: Cho khối tải trọng Q rơi từ độ cao quy định H xuống 1 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 cách quy định sẽ được các đầu cảm biến đo độ võng ghi lại. Các số liệu đo được như là: xung lực tác dụng 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 ghi lại) là cơ sở để xác định cường độ kết cấu mặt đường. Việc điều khiển quá trình đo và thu thập số liệu được tự động thông qua phần mềm chuyên dụng. 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. Trị số xung lực và độ võng được ghi lại và file dữ liệu. Sau khi đo xong, tấm ép và các đầu đo võng được nâng lên và thiết bị được di chuyển đến vị trí tiếp theo. 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 0,02s đến 0,06s. 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4