Luận văn Sử dụng Bisar-GAs dự đoán mô đun CBR của đất nền cho kết cấu áo đường nhựa mỏng (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Sử dụng Bisar-GAs dự đoán mô đun CBR của đất nền cho kết cấu áo đường nhựa mỏng (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 NGUYỄN PHÚ DUY SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ÐOÁN MÔ ÐUN CBR CỦA ÐẤT NỀN CHO KẾT CẤU ÁO ÐUỜNG NHỰA MỎNG NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208 S K C0 0 4 8 7 5 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 NGUYỄN PHÚ DUY SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ĐOÁN MÔ ĐUN CBR CỦA ĐẤT NỀN CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NHỰA MỎNG 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 NGUYỄN PHÚ DUY SỬ DỤNG BISAR – GAs DỰ ĐOÁN MÔ ĐUN CBR CỦA ĐẤT NỀN CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NHỰA MỎNG NGÀNH: KT XÂY DỰNG CT DD & CN - 2580208 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: NGUYỄN PHÚ DUY Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/08/1991 Nơi sinh: An Xuyên, Cà Mau. Quê quán: An Xuyên, Cà Mau Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Chung cư Bình Trưng, đường Nguyễn Duy Trinh, phường Bình Trưng Đông, Quận 2, Thành Phố Hồ Chí Minh. Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0943.855.588 Fax: E-mail: nguyenphuduy.91@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. 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: Thiết kế Chung Cư Lô C, Phường 9, Quận 3, Thành phố Hồ Chí Minh. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Bảo vệ đồ án tốt nghiệp vào ngày 24 tháng 08 năm 2013, tại Trường ĐH Cửu Long. Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Kiệp. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 05/2014 – 08 /2015 Công ty TNHH Delta Architect VN Nhân viên triển khai bản vẽ i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi tên: Nguyễn Phú Duy, là học viên cao học ngành Kỹ thuật công trình dân dụng và công nghiệp xin cam đoan đề tài “Sử dụng Bisar-GAs dự đoán mô đun CBR của đất nền cho kết cấu áo đường nhựa mỏng” 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 25 tháng 03 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Phú Duy ii
6. LỜI CẢM TẠ Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất nhiệt tình của quý thầy cô ở khoa và quý thầy cô trong ban giám hiệu của trường Đại học sư phạm kỹ thuật, nhân đây xin gửi đến quý thầy cô. Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng của bản thân, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Lê Anh Thắng, là người chịu trách nhiệm trực tiếp hướng đẫn và truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báo trong quá trình nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, dù đã rất cố gắng hoàn thành tốt nhất, nhưng vì là lần nghiên cứu đầu tiên nên tôi không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự thông cảm và đóng góp từ quý thầy cô để luận văn của tôi có thể hoàn thành tốt hơn. Xin chân thành cám ơn! Học viên Nguyễn Phú Duy iii
7. TÓM TẮT Thí nghiệm FWD hiên đang được sử dụng và nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. Kết quả thu được từ thí nghiệm này là mô đun đàn hồi của các lớp kết cấu áo đường, dự đoán dựa vào bề mặt võng dưới một lực gây ra bởi vật nặng rơi. Mô đun đàn hồi được xác định bằng một chương trình tính toán ngược. Sự kết hợp của chương trình phân tích các lớp tuyến tính với thuật toán di truyền, gọi là Bisar-GAs, là một cách tiếp cận của quá trình tính toán ngược. Đây là quá trình tiếp cận toán học, vì vậy độ tin cậy của phương pháp này đang là câu hỏi được đặt ra cho nhiều nhà nghiên cứu kết cấu áo đường. Mục tiêu của nghiên cứu này là so sánh mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường dự đoán từ Bisar-GAs và các phương pháp thí nghiệm khác. Bên cạnh kết quả từ phòng thí nghiệm, các kết quả từ các phương pháp thí nghiệm không phá hủy mẫu như: thí nghiệm sóng âm (SPA), thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn (DCP) cũng được sử dụng so sánh. Các kết quả thí nghiệm thu được từ Trung tâm nghiên cứu giao thồng vận tải (CTR) và Đại học Texac ở EI Paso (UTEP) được sử dụng trong nghiên cứu. Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng: phần mềm Bisar-GAs có thể dự đoán tốt các giá trị mô đun phòng thí nghiệm được sử dụng trong thiết kế kết cấu áo đường. Dường như không có mối tương quan giữa Bisar-GAs với các phương pháp thí nghiệm khác. Một số hệ số dựa trên phương pháp xác suất được đề xuất cho mối quan hệ của thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs và các phương pháp thí nghiệm khác. iv
8. ABSTRACT FWD testing are currently used and studied worldwide. Results obtained from experiments are the elastic modulus of pavement structure layers, estimated based on deflection surface under a load caused by falling heavy object. Elastic moduli are determined by a backcalculation program. Combination of a series linear layers analysis program such as Bisar and genetic algorithm, which called as Bisar- GAs, is an approach of the backcalculation process. This process is a mathematic approach, so the reliability of the approach is a question of several pavement researchers. The goal of this study was a comparison process between elastic moduli of a pavement structure estimated by Bisar-GAs and other testing methods. Besides laboratory testing results, result values of several nondestructive testing (NDT) methods considered in this study including Falling Weight Deflectometer (FWD), Seismic Pavement Analyzer (SPA) and Dynamic Cone Penetration (DCP) are used in comparesion. The experimental results obtained from the Center for Transportation Research (CTR) and those of The University of Texas at El Paso (UTEP) were used in the study. The results from this study indicate that BISAR-GAs software can predict the laboratory modulus values which are used in pavement structure design. There appeared to be no correlation between FWD testing use Bisar-GAs and other NDT methods. Some coefficients based on probability method are proposed for relation of FWD testing use Bisar-GAs approach and other NDT methods. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các hình x Danh sách các bảng xii Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan nghiên cứu và mục đích chọn đề tài 1 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 4 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 4 1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 5 1.3 Khách thể và đối tương nghiên cứu 7 1.4 Giả thuyết nghiên cứu 7 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8 1.6 Độ tin cậy của đề tài 8 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 2.1 Phương pháp thí nghiệm trong phòng (Laboratory - LAB) 11 2.1.1 Thí nghiệm nén ba trục động (tải trọng lặp) 11 2.1.2 Chương trình máy tính Kenlayer 14 2.2 Phương pháp thí nghiệm không phá hủy mẫu 17 2.2.1 Thí nghiệm xuyên động (Falling Weight Deflectometer - FWD) 17 2.2.1.1 Thí nghiệm xuyên động FWD 17 2.2.1.2 Chương trình thuật toán Bisar-GAs 22 2.2.1.3 Tiêu chuẩn thiết kế mặt đường 22 TCN 355-06 và tiêu chuẩn vi
10. AASHTO 1993 của liên ban Hoa Kỳ 27 2.2.2 Thí nghiệm sóng âm (Seismic Pavement Analyzer - SPA) 30 2.2.2.1 Thí nghiệm sóng âm - SPA 30 2.2.2.2 Mô hình điều chỉnh giá trị mô đun từ thí nghiệm SPA. 33 2.2.3 Thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn (The Dynamic Cone Penetration - DCP) 35 2.3 Ưu và nhược điểm của các phương pháp thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi. 40 2.4 Lý thuyết xác suất thống kê 41 2.5 Phương pháp nghiên cứu 42 Chương 3: TIẾN TRÌNH XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI TỪ CÁC THÍ NGHIỆM KHÁC NHAU 43 3.1 Kết cấu áo đường và lựa chọn vị trí 43 3.2 Thí nghiệm trong phòng LAB 44 3.2.1 Yêu cầu lấy mẫu 44 3.2.2 Thí nghiệm nén ba trục (tải trọng lặp) 45 3.2.3 Xác định mô đun của kết cấu thông qua chương trình Kenlayer 45 3.3 Thí nghiệm tải động FWD 46 3.3.1 Kết quả từ thí nghiệm FWD 46 3.3.2 Sử dụng Bisar-GAs để dự đoán mô đun của kết cấu áo đường 46 3.3.3 Giá trị mô đun của lớp đất nền từ tiêu chuẩn thiết kế mặt đường 48 3.4 Thí nghiệm sóng âm - SPA 48 3.5 Thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn - DCP 49 3.6 So sánh giá trị mô đun của các phương pháp thí nghiệm 51 3.6.1 Phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng và phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu ngoài thực tế 51 3.6.2 Các phương pháp không phá hủy mẫu ngoài thực tế 52 Chương 4: TỔNG HỢP KHẢO SÁT, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ 56 4.1 Kết cấu áo đường của các khu vực thí nghiệm 56 vii
11. 4.2 So sánh mô đun đàn hồi giữa thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm không phá hủy mẫu ngoài thực tế. 57 4.3 So sánh mô đun đàn hồi của các phương pháp thí nghiệm không phá hủy mẫu ngoài thực tế. 59 4.3.1 So sánh giá trị mô đun từ thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs và tính toán từ tiêu chuẩn thiết kết. 59 4.3.2 So sánh giá trị mô đun từ thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 60 4.3.3 So sánh giá trị mô đun từ thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 63 4.4 Đánh giá độ tin cậy của các phương pháp thí nghiệm 65 4.4.1 Thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs trên lớp đá (base). 66 4.4.2 Thí nghiệm SPA với Thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 67 4.4.2.1 Lớp Bê tông nhựa (AC). 67 4.4.2.2 Lớp đá cấp phối (Base). 68 4.4.2.3 Lớp đất nền (Subgrade). 69 4.4.3 Thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 70 4.4.3.1 Lớp đá cấp phối (Base). 70 4.4.3.2 Lớp đất nền (Subgrade). 71 4.5 Nhận xét 72 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 75 5.1 Kết luận 75 5.2 Khuyến nghị 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Phụ lục A: Toán đồ xác định tỷ số EP/MR 82 Phụ lục B: Kết quả điển hình từ chương trình Kenlayer 83 Phụ lục C: Mô đun thu được từ thí nghiệm trong phòng sử dụng chương trình Kenlayer 86 viii
12. Phụ lục D: Kết quả thí nghiệm xuyên động - FWD 91 Phụ lục E: Mô đun thí nghiệm FWD sử dụng chương trình Bisar-GAs 94 Phụ lục F: Mô đun theo độ sâu lớp đá từ thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 97 Phụ lục G: Mô đun đất nền tính lặp từ tiêu chuẩn thiết kế 102 Phụ lục H: Mô đun thí nghiệm sóng âm - SPA và mô đun SPA điều chỉnh 106 Phụ lục I: Kết quả thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn - DCP 109 Phụ lục J: Mô đun thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn - DCP 112 Phụ lục K: Tỷ số mô đun của thí nghiệm LAB với thí nghiệm FWD 114 Phụ lục L: Tỷ số mô đun lớp bê tông nhựa và lớp đất nền của các thí nghiệm dự đoán mô đun với thí nghiệm FWD 116 Phụ lục M: Tỷ số mô đun lớp đá của các thí nghiệm dự đoán mô đun với thí nghiệm FWD 118 Phụ lục N: Bảng tra phân phối chuẩn 120 ix
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Tóm tắt tiến trình thực hiện luận văn 6 Hình 2.1: Chu kỳ thí nghiệm tác dụng lên mẫu 12 Hình 2.2: Giao diện chương trình Kenpave-Kenlayer 15 Hình 2.3: Giao diện Main Menu của Kenlayer 15 Hình 2.4: Thông tin mô hình kết cấu áo đường 16 Hình 2.5: Khai báo thông số chiều dày lớp, hệ số poisson 16 Hình 2.6: Khai báo loại tải tác dụng và giá trị tải 16 Hình 2.7: Thiết bị thí nghiệm không phá hủy FWD 17 Hình 2.8: Vùng ứng suất trong kết cấu áo đường dưới tác dụng tải trọng 18 Hình 2.9: Sơ đồ tải trọng tác dụng FWD và độ võng 18 Hình 2.10: Bộ tạo xung lực gồm tải trọng, thanh dẫn, bộ phận giảm chấn 18 Hình 2.11: Tấm ép truyền tải trọng tác động xuống mặt đường 19 Hình 2.12: Các đầu cảm biến của thiết bị FWD 20 Hình 2.13: Hệ thống lưu trữ và thiết bị thí nghiệm 21 Hình 2.14: Thông tin thí nghiệm hiển thị trên màn hình 21 Hình 2.15: Hình dạng độ võng dạng phễu lún vẽ được từ thí nghiệm FWD 21 Hình 2.16: NST của bài toán ba lớp, ba biến được trình bày dạng mã nhị phân. 24 Hình 2.17: Sơ đồ tính toán của chương trình Bisar-GAs 24 Hình 2.18: Khai báo tải trọng rơi và đường kính tấm ép trong Bisar-GAs 25 Hình 2.19: Khai báo chiều dày, hệ số possion và giới hạn mô đun từng lớp 26 Hình 2.20: Số lượng và khoảng cách đầu dò (sensor) độ võng 26 Hình 2.21: Khai báo độ võng ứng đầu dò (sensor) 26 Hình 2.22: Tiến hành cho máy tính phân tích và tính toán 27 Hình 2.23: Kết quả hiển thị của mô hình Bisar-GAs 28 Hình 2.24: Sơ đồ tính toán giá trị mô đun đàn hồi lớp nền 30 Hình 2.25: Thiết bị thí nghiệm sóng âm SPA 31 x
14. Hình 2.26: Bộ chuyển đổi và khoảng cách búa trong thí nghiệm SPA 32 Hình 2.27: Cấu tạo thành phần chính trong thiết bị của thí nghiệm SPA 32 Hình 2.28: Chương trình máy tính trong thí nghiệm SPA 33 Hình 2.29: Đường cong tán sắc ghi nhận trong chương trình máy tính 33 Hình 2.30: Biểu đồ quan hệ biến dạng và ứng suất của vật liệu 35 Hình 2.31: Mô hình điều chỉnh mô đun thí nghiệm SPA 36 Hình 2.32: Cấu tạo thiết bị thí nghiệm DCP 37 Hình 2.33: Tiến trình thực hiện thí nghiệm DCP 37 Hình 2.34: Yêu cầu số nhân lực tiến hành thí nghiệm DCP 38 Hình 2.35: Xử lý lớp bê tông nhựa trước khi thí nghiệm DCP 39 Hình 2.36: Kết quả thí nghiệm DCP trình bày dạng biểu đồ quan hệ 39 Hình 4.1: Tỷ số mô đun của thí nghiệm LAB với thí nghiệm FWD 59 Hình 4.2: Tỷ số mô đun lớp đất nền của thí nghiệm FWD sử dụng chương trình Bisar-GAs và tính lặp từ tiêu chuẩn thiết kế. 61 Hình 4.3: Tỷ số mô đun lớp bê tông nhựa từ thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 62 Hình 4.4: Tỷ số mô đun lớp đá của thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA 63 Hình 4.5: Tỷ số mô đun đất nền của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 63 Hình 4.6: Tỷ số mô đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 65 Hình 4.7: Tỷ số mô đun lớp đất nền của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs 65 xi
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Trình tự thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của mẫu 13 Bảng 2.2: Phạm vi tham số đề suất tham số trong Bisar-GAs. 25 Bảng 2.3: Phạm vi mô đun sử dụng trong Bisar-GAs. 25 Bảng 2.4: Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp dự đoán mô đun. 41 Bảng 3.1: Chiều dày kết cấu áo đường và tải trọng tác dụng. 44 Bảng 3.2: Hệ số mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. 46 Bảng 3.3: Thông số đầu vào và giá trị mô đun từ mô hình Kenlayer. 46 Bảng 3.4: Kết quả từ thí nghiệm xuyên động FWD. 47 Bảng 3.5: Giá trị mô đun thu được từ thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 48 Bảng 3.6: Thông số kết cấu và gí trị mô đun từ Bisar-GAs. 48 Bảng 3.7: Giá trị mô đun xác định theo tiêu chuẩn thiết kế. 49 Bảng 3.8: Giá trị mô đun thu được từ thí nghiệm sóng âm SPA. 50 Bảng 3.9: Kết quả thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP. 50 Bảng 3.10: Giá trị mô đun thu được từ thí nghiệm DCP. 51 Bảng 3.11: So sánh mô đun thí nghiệm FWD và thí nghiệm LAB. 52 Bảng 3.12: So sánh mô đun lớp bê tông nhựa giữa thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA. 53 Bảng 3.13: So sánh mô đun lớp đá (đá vôi) giữa thí nghiệm FWD. với thí nghiệm SPA và thí nghiệm DCP. 54 Bảng 3.14: So sánh mô đun lớp đất nền giữa thí nghiệm FWD và thí nghiệm SPA. 55 Bảng 3.15: So sánh mô đun lớp đất nền giữa thí nghiệm FWD với tiêu chuẩn thiết kế và thí nghiệm DCP. 55 Bảng 3.16: Tổng hợp mô đunvà tỷ số đại điện cho các thí nghiệm. 56 Bảng 4.1: Vị trí và chiều dày các lớp của kết cấu ở các khu vực. 57 Bảng 4.2: Thuộc tính của vật liệu sử dụng trong nghiệm cứu. 58 xii
16. Bảng 4.3: Hệ số mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. 58 Bảng 4.4: Mô đun điển hình lớp đá cấp phối theo độ sâu từ thí nghiệm LAB và thí nghiệm FWD. 59 Bảng 4.5: Mô đun điển hình từ thí nghiệm FWD 60 Bảng 4.6: Mô đun lớp đất nền điển hình tính lặp từ tiêu chuẩn thiết kế 61 Bảng 4.7: Mô đun điển hình từ thí nghiệm SPA 62 Bảng 4.8: Mô đun điển hình từ thí nghiệm DCP 64 Bảng 4.9: Khoảng kỳ vọng yêu cầu về xác suất trong tính toán, thiết kế của các loại đường trong tiêu chuẩn AASHTO 93 66 Bảng 4.10: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số của thí nghiệm LAB và thí nghiệm FWD. 67 Bảng 4.11: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số theo vật liệu sử dụng của thí nghiệm LAB và thí nghiệm FWD 67 Bảng 4.12: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun bê tông nhựa của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 68 Bảng 4.13: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm FWD sử dụng Bisar và thí nghiệm SPA. 69 Bảng 4.14: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun theo vật liệu của thí nghiệm FWD sử dụng Bisar và thí nghiệm SPA. 70 Bảng 4.15: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun đất nền của thí nghiệm SPA với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 71 Bảng 4.16: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun lớp đá cấp phối của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 72 Bảng 4.17: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun theo vật liệu của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 72 Bảng 4.18: Thống kê tần suất và phần trăm tích lũy tỷ số mô đun đất nền của thí nghiệm DCP với thí nghiệm FWD sử dụng Bisar-GAs. 73 Bảng 4.19: Tổng hợp các hệ số qui đổi theo độ tin cậy 75 xiii
17. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nghiên cứu và mục đích chọn đề tài. Trong ngành xây dựng nói chung và xây dựng cầu đường nói riêng thì yếu tố cường độ là quan trọng nhất. Áo đường được xem là đủ cường độ nếu như dưới tác dụng của tải trọng do xe chạy trong suốt thời gian đã định mà nó vẫn giữ tính toàn khối và độ bằng phẳng của bề mặt. Cường độ mặt đường mềm sẽ bị phá hoại theo các điều kiện sau: - Phát sinh các biến dạng dư khi xãy ra phá hoại sự cân bằng giới hạn về trượt trong đất nền và các lớp vật liệu kém dính kết của kết cấu áo đường. - Phát sinh ứng suất kéo khi vượt quá giới hạn bền gây ra các vết nứt trong các lớp toàn khối của cả kết cấu áo đường. Các điều kiện về trạng thái giới hạn đó đều có liên quan với độ võng đàn hồi dưới tải trọng. Mô đun đàn hồi được sử dụng để mô tả đặc tính ứng xử phi tuyến của ứng suất và biến dạng của các lớp kết cấu áo đường. Căn cứ vào giá trị mô đun của các lớp, ta có thể đánh giá được tình trạng của các lớp trong toàn bộ kết cấu. Từ đó, tiến hành thiết kế kết cấu áo đường mới, sửa chữa những khu vực kết cấu các lớp bị phá hoại hay dự đoán tuổi thọ của cả đoạn đường khi chịu tải trọng của bánh xe trong một thời gian dài. Đây là một đại lượng mà qua nhiều nghiên cứu, đặc trưng cho cường độ của kết cấu áo đường mềm. Vì thế qui trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 355- 06 và AASHTO 93 của Hoa Kỳ hiện đang áp dụng phương pháp tính toán áo đường dựa theo ba tiêu chuẩn về trạng thái giới hạn: độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi) của áo đường dưới tải trọng, sức chịu uốn của các lớp toàn khối và sức chống trượt của đất nền và các lớp vật liệu kém dính kết. Tuy nhiên khi đánh giá cường độ thực tế của kết cấu áo đường mềm người ta vẫn dùng chủ yếu là độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi). 1
18. Hiện nay, đo độ võng đàn hồi (hay mô đun đàn hồi) là một tiêu chuẩn trạng thái giới hạn chủ yếu của áo đường khi thử nghiệm chúng. Điểm cơ bản của tiêu chuẩn này là việc đo được các trị số đó khá đơn giản trong những điều kiện hiện trường. Để đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu áo đường thường dùng hai phương pháp chính là: Phương pháp phá hoại mẫu và phương pháp không phá hoại mẫu. Phương pháp phá hoại mẫu: theo phương pháp này, người ta tiến hành khoan lấy mẫu trong các lớp kết cấu của các lớp kết cấu mặt đường rồi thông qua các thí nghiệm trong phòng để xác định các thông số tính toán, 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 ánh tình trạng mặt đường thông qua các thí nghiệm thường mang tính cục bộ nhất định, phương pháp này tốn thời gian và chi phí thí nghiệm. 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 hay chỉ số CBR để dự đoán giá trị mô đun và tính được khả năng chịu tải của kết cấu mặt đường. Các phương pháp như: thí nghiệm tải động (FWD), thí nghiệm sóng âm (SPA), thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn (DCP). Tuy nhiên, để đưa các giá trị mô đun từ phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu vào sử dụng trong thiết kế, sửa chữa hay dự đoán tuổi thọ mặt đường thì đòi hỏi có sự so sánh, đánh giá sự nhất quán trong giá trị mô đun của hai phương pháp. Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này. Nhưng chủ yếu là so sánh thí nghiệm tải động FWD và thí nghiệm trong phòng và chủ yếu tập trung ở lớp đất nền (subgrade) như: K. P. Greorge (2003) [7]; Biqing Sheng (2010) [8] và Daehyeon Kim, Yigong Ji, Nayyar Zia Siddiki (2010). [9] Một số ít nghiên cứu khác tập trung so sánh và đánh giá các phương pháp không phá hoại mẫu với thí nghệm trong phòng: thí nghiệm SPA, thí nghiệm DCP với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu chỉ có kết luận khá chung về các kết quả thí nghiệm của các phương pháp với nhau, giữa các phương pháp không có mối tương quan hoặc nếu có thì chỉ là tương đối như: 2
19. Marwan F. Aouad, Kenneth H. Stokoe and Jose M. Roesset (1993) cho rằng mô đun của thí nghiệm SASW lớn hơn mô đun từ thí nghiệm FWD và khuyến cáo tỷ số của hai thí nghiệm trong nghiên cứu của mình là 0,75; [10] Jian-Neng Wang, Ph.D, John Bilyeu, Dar-Hao Chen, Ph.D., P.E (2001) cho rằng mô đun trong phòng thí nghiệm lớn hơn mô đun thí nghiệm DCP và mô đun thí nghiệm FWD, mô đun lớp đá cấp phối (base) và lớp đất nền (subgrade) của thí nghiệm SASW lớn hơn thí nghiệm FWD tương ứng là 1,2 và 2,3 lần; [11] Norman Dennis, Ph.D., P.E., Kevin D. Hall, Ph.D., and Sutapa Hazra, Ph.D (2012) đưa ra mối tương quan của các thí nghiệm với nhau và nhận thấy thí nghiệm FWD dự đoán mô đun tốt nhất, tiếp đến là thí nghiệm DCP; không có mối tương quan tương ứng của thí nghiệm SASW với thí nghiệm phá hoại mẫu trong phòng thí nghiệm. [12] Ở nước ta, cũng sử dụng hai phương pháp chính trong dự đoán mô đun đàn hồi của kết cấu áo đường. Nhưng chỉ dừng lại ở việc so sánh, đánh giá thí nghiệm FWD sử dụng công cụ tính toán ngược với thí nghiệm trong phòng đồng thời dự đoán mô đun cho quá trình thiết kế, sửa chữa và xác định tuổi thọ công trình. Tin tưởng tuyệt đối và chỉ sử dụng phương pháp thí nghiệm FWD là tiền đề dự đoán mô đun không phá hoại mẫu như: TS. Trần Thị Kim Đăng (2007) ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD để tính toán mô đun đàn hồi các lớp áo đường mềm; [4] Đề tài nghiện cứu của Nguyễn Hữu Hưng và Nguyễn Mạnh Hùng (2003) dùng thiết bị FWD để tính toán mô đun vật liệu; [6] TS. Nguyễn Hữu Trí (2003) dùng thiết bị tải động FWD để dự báo tuổi thọ mặt đường; [5] TS. Lê Anh Thắng và ThS. Bùi Anh Dũng (2013) thiết lập công cụ tính toán ngược (backcalculation) Bisar-GAs từ kết quả thí nghiệm FWD và so sánh Bisar- GAs với các phần mềm tính toán ngược khác. [2][3] Từ những phân tích trên, cho thấy các nhận định và kiến nghị của các nhà nghiên cứu chưa thật sự thống nhất với nhau, sự so sánh của phương pháp phá hoại mẫu và 3
20. phương pháp không phá hoại mẫu chưa đưa đến nhận định rõ rằng. các nghiên cứu đa phần trên lớp đất nền, một vài trên lớp đá cấp phối nên việc dự đoán không khả quan. Ở Việt Nam, đa phần chưa nhiều nghiên cứu về vấn đề này, nên sự áp dụng công nghệ và so sánh các phương pháp thí nghiệm không phá hoại mẫu còn khó khăn, chủ yếu tin tưởng vào nghiên cứu và nhận định của nước ngoài gây nên sự xáo trộn trong nhận định thật về mô đun thực tế của các kết cấu áo đường ở những khu vực, quốc gia khác nhau. Và đó cũng là lý do tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này. 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài. 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu. Từ những nhận xét trên, mục tiêu của nghiên cứu đề ra là: - Khẳng định mối tương quan của hai phương pháp dự đoán mô đun được xác định trên môi quan hệ của thí nghiệm FWD sử dụng mô hình tính toán ngược Bisar- GAs và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm trên lớp đá cấp phối với một số loại vật liệu khác nhau; - Tạo mối liên hệ của các phương pháp thí nghiệm không phá hủy được các nhà nghiên cứu cho rằng không có một mối tương quan nào thích hợp, nghiên cứu này thể hiện mối liên hệ các thí nghiệm thông qua hệ số qui đổi với độ tin cậy xác suất thống kê từ các thí nghiệm thực tế; - Ứng dụng mô hình chương trình Bisar-GAs, một mô hình tính toán ngược từ thí nghiệm FWD với kết quả tính lặp lớp đất nền của tiêu chuẩn thiết kế áo đường và các thí nghiệm dự đoán mô đun khác; - Giúp cho quá trình thiết kế, sửa chữa và dự đoán tuổi thọ của kết cấu áo đường được trực quan và chính xác khi nhận thức rõ mô đun thiết kế và mô đun thực của kết cấu làm việc ngoài thực tế. 4
21. 1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đề ra, nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm các việc làm sau: - Chọn lọc và sử dụng các số liệu từ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm; các thí nghiệm không phá hoại mẫu: thí nghiệm tải động FWD, thí nghiệm sóng âm SPA và thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP; - Sử dụng mô hình tính toán ngược Bisar-GAs để dự đoán mô đun các lớp kết cấu từ thí nghiệm FWD. Thực hiện tính toán và so sánh đánh giá trên nhiều khu vực, nhiều vị trí trong mỗi khu vực, và nhiều độ sâu khác nhau trong từng vị trí; - Xác định mô đun lớp đất nền thiết kế từ tiêu chuẩn ngành (tiêu chuẩn 22TCN 355-06 và tiêu chuẩn AASHTO 93); - Xác định mô đun từ thí nghiệm xuyên côn tiêu chuẩn DCP; - Tiến hành tổng hợp, so sánh, lập tỷ số giữa các thí nghiệm với nhau theo lớp và theo loại vật liệu của kết cấu áo đường; - Sử dụng lý thuyết xác suất thống kê để xác định hệ số qui đổi, theo độ tin cậy kỳ vọng, giữa các thí nghiệm. Hình 1.1 thể hiện tóm tắt các thí nghiệm, các loại vật liệu, các lớp kết cấu sẽ được tiến hành so sánh và đánh giá trong luận văn. 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4