phơng pháp thiết kế nâng cấp mặt đờng bêtông xi măng pgs. ts Phạm huy khang Bộ môn Đờng bộ - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by một số giải pháp v phơng pháp tính toán gia cờng mặt đờng bê tông xi măng khi thiết kế cải tạo nâng cấp các loại mặt đờng bê tông cũ. Summary: The article presents some solutions and caculating methods to enforce concrete pavement when designing to improving and upgrading concrete pavements which are in use. I. Đặt vấn đề Cho đến nay chúng ta đã có nhiều đoạn tuyến đờng (trên các QL), nhiều hệ thống đờng trong các thành phố, thị xã, thôn xóm có mặt bằng BTXM. Vì nhiều lý do khác nhau, cho đến nay ngời ta đã bắt đầu nghiên cứu cải tạo, nâng cấp lại loại mặt đờng này. Bài báo đề cập đến các phơng pháp thiết kế cải tạo và nâng cấp các loại mặt đờng bê tông xi măng cũ, những cơ sở lý thuyết và thực tiễn, giúp cho những ngời làm công tác này có những căn cứ và dữ liệu cần thiết, đồng thời trực tiếp giúp đỡ cho công tác thiết kế cải tạo nâng cấp loại mặt đờng này. II. Thực trạng loại mặt đờng BTXM ở nớc ta hiện nay Mặt đờng bê tông xi măng (BTXM) với những u điểm nổi bật về cờng độ (chịu nén, chịu kéo cao), về tuổi thọ và khả năng ổn định với nớc, về duy tu bảo dỡng thuận lợi, nên đã trở nên phổ biến ở một số nớc phát triển. Hầu hết các đờng cao tốc của các nớc phát triển hoặc đang phát triển trên thế giới đều bằng BTXM. Do điều kiện chiến tranh, và do nền kinh tế gặp nhiều khó khăn, mặt đờng BTXM ở nớc ta còn có nhiều hạn chế cha phát triển. Những đoạn đờng đầu tiên bằng bê tông xi măng (BTXM) ở nớc ta là vào những năm 1964 - 1965 ở miền Nam, đó là xa lộ Sài gòn Biên hoà gần 30 km bằng BTXM lắp ghép do Mỹ xây dựng, nhằm vào mục đích phục vụ cho cuộc chiến tranh xâm lợc của Mỹ ở miền nam nớc ta. Còn ở miền Bắc đoạn đờng đầu tiên và cũng là đoạn đờng BTXM cốt thép hiện đại - đẹp nhất nớc ta hiện nay chính là đờng Hùng Vơng trớc lăng Hồ Chủ Tịch, đây là đoạn đờng đợc xây dựng vào năm 1975 do Liên xô giúp đỡ. Đây là đoạn đờng phục vụ cho các cuộc duyệt binh vào ngày lễ lớn của dân tộc. Một thời gian dài khoảng 10 năm, do những khó khăn về kinh tế, đờng giao thông nói chung và mặt đờng BTXM nói riêng gần nh không đợc phát triển. Trong những năm gần đây, nền kinh tế nớc ta phát triển mạnh, cơ sở hạ tầng đợc đảng và nhà nớc chú trọng, u tiên phát triển. Cùng với việc phát triển các loại mặt đờng thông dụng khác, mặt đờng bê tông xi măng cũng đợc hết sức chú trọng. Vào cuối thập niên 80 của thế kỷ trớc, trên một số tuyến QL đã sử dụng BTXM làm mặt đờng (QL3 đoạn Thái nguyên Bắc cạn khoảng 40 km) QL4 (đoạn Đầm Hà Tiên Yên khoảng 10 km), QL 37 đoạn qua Nghĩa Lộ (Yên Bái) khoảng 20 km. Một số thành phố lớn nh Hà nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Yên bái, Tuyên quang cũng đã xây dựng một số tuyến đờng có mặt bằng BTXM. Cuối thế kỷ trớc (khoảng nửa cuối thập niên 90) thực hiện chủ trơng kích cầu của Chính phủ, phong trào bê tông hoá đờng giao thông nông thôn đã phát triển mạnh. Nhiều tỉnh đã có các huyện, xã hoàn thành công tác bê tông hoá hệ thống đờng trong các thôn, các đờng liên xã - điển hình là các tỉnh Thái bình, Hà nam, một số huyện của tỉnh Nam định, Ninh bình. Một số tỉnh miền núi nh Lai châu, Yên bái, Tuyên quang cũng đã có hệ thống đờng có mặt bằng BTXM tơng đối lớn. Hiện nay chúng ta đang tiến hành xây dựng khoảng gần 500km đờng BTXM trên QL1 (khoảng 100 km trên những đoạn ngập lụt) và trên đờng Hồ Chí Minh khoảng 400 km (những đoạn đèo dốc). Những công trình nay đang đợc tiến hành và đã có một số km đã đợc xây dựng. Theo thống kê của Cục đờng bộ Việt nam, cho đến nay hệ thống đờng có mặt bằng BTXM ở nớc ta (quy đổi) mới chiếm khoảng 2,5% số đờng quốc lộ trên toàn quốc. Nh vậy so với thế giới, tỷ lệ này còn quá thấp, chúng ta phải phấn đấu nhiều mới bằng các nớc trong khu vực. Những vấn đề đặt ra: Về mặt lý thuyết tuổi thọ của mặt đờng BTXM nếu đảm bảo tốt khâu thiết kế và thi công sẽ khoảng 30 - 40 năm. Hệ thống đờng BTXM chúng ta hiện nay nhiều đoạn mới khai thác khoảng 10 - 15 năm nhng đã xuống cấp nghiêm trọng (đặc biệt là những đoạn đờng do địa phơng tự xây dựng, nguyên nhân chủ yếu nh sau: + Vấn đề về thiết kế, cho đến tận 1995 chúng ta mới chính thức ban hành đợc quy trình thiết kế mặt đờng cứng. Trớc đó chúng ta phải dựa vào các quy trình nớc ngoài mà chủ yếu là của Liên xô, Trung quốc. Ngoài ra do điều kiện kinh tế khó khăn, việc lựa chọn kết cấu còn bị hạn chế, phải bỏ qua nhiều yếu tố quan trọng trong kết cấu. + Vấn đề thứ hai là trình độ và số lợng cán bộ kỹ thuật hoặc công nhân kỹ thuật về loại mặt đờng này còn hạn chế về trình độ và ít kinh nghiệm. + Thiết bị thi công và chất lợng thi công rất kém. Nhiều đoạn đờng thi công bằng thủ công, hoặc thi công bán thủ công với chất lợng không đảm bảo. Những hiện tợng h hỏng 1. Mặt đờng BTXM bị vỡ tấm ở giữa hoặc góc cạnh. Hiện tợng này có thể xảy ra nh hiện tợng vỡ thành nhiều mảnh hoặc gẫy đôi tấm. Nguyên nhân là do tải trọng vợt tải và móng của tấm BTXM không đảm bảo, không đồng nhất dẫn đến hiện tợng phát sinh ứng suất cục bộ gây vỡ tấm. Một nguyên nhân nữa cũng có thể dẫn đến hiện tợng này là do chiều dày tấm và kích thớc của tấm không đúng. 2. Xảy ra hiện tợng cập kênh giữa hai tấm. Nguyên nhân là do không có thanh truyền lực, hoặc thanh truyền lực không đúng, chất lợng thi công mối nối kém. Hiện tợng này ảnh hởng nghiêm trọng đến chất lợng chạy xe. 3. Bề mặt tấm bị trơ đá do hiện tợng mòn bề mặt làm ảnh hởng xấu, gây xóc khi chạy xe. Nguyên nhân là do cờng độ tấm bê tông thấp, dẫn đến hiện tợng mòn nh trên. Vì những nguyên nhân trên, nhiều đoạn đờng mặt bằng BTXM cần phải đợc nâng cấp nhằm đảm bảo độ bằng phẳng, êm thuận cho xe chạy. III. Giải pháp thiết kế nâng cấp mặt đờng BTXM Với những phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng có thể, tuỳ theo nguyên nhân và các hiện tợng h hỏng để đề ra các giải pháp khác nhau. Có thể nêu ra các giải pháp sau: 1. Với những tấm bê tông cũ bị vỡ nát, để đảm bảo tính đồng nhất cho móng khi thiết kế mới, giải pháp trong trờng hợp này là loại bỏ phần bê tông mặt đờng cũ, chỉ tận dụng móng cũ còn lại nếu: + Móng cũ là đá dăm các loại. + Móng cũ là vật liệu rời (cát, cuội sỏi). + Móng cũ là vật liệu gia cố chất liên kết vô cơ còn tốt. 2. Với những loại mặt đờng bê tông bị vỡ thành miếng lớn, hoặc một tấm bị gẫy làm hai hoặc 3 tấm, bị gẫy góc. Ngời ta có thể tận dụng mặt bê tông để thiết kế thêm lớp mặt tăng cờng. Trong trờng hợp này bê tông trở thành bê tông hai lớp. 3. Với loại mặt đờng bê tông xi măng cũ chỉ trơ đá bề mặt, hoặc bị mòn nhanh dẫn đến trơn trợt mặt đờng. Trờng hợp này chỉ nên xử lý lại bề mặt bằng nhựa (BTN hoặc láng nhựa). 4. Với trờng hợp khe giữa các tấm bị vênh nhau (cập kênh) nhng không vỡ tấm, có thể bị mòn mép tấm tại khe nối Chúng ta có thể xử lý bằng cách xử lý làm sạch, gia cờng lại mép và đổ lớp mắt tít mới tạo độ bằng phẳng và êm thuận. Phơng pháp tính toán với trờng hợp 2: Khi tấm bị vỡ thành một số tấm nhỏ, hoặc tấm không bị vỡ nhng muốn tăng cờng để nâng cao tải trọng. Chúng ta có thể quy về bài toán sau: Sơ đồ phân bố ứng suất của tấm hai lớp cách ly. Các giả thuyết: Giữa tấm bê tông cũ và mới có tiếp xúc trơn. Các tấm mỏng riêng rẽ có mặt trung hoà riêng, độ võng của tấm trên và dới giống nhau, tổng mô men uốn của tấm hai lớp thu nhận là tổng mô men mối lớp thu nhận. Khi 1 = 2 = và từ phơng trình chuyển vị khi phân tích ứng suất do tải bánh xe gây ra, ta có thể tìm đợc độ cứng khi uốn D 3 của tấm hai lớp cách ly là tổng độ cứng của lớp trên và lớp dới D 1 và D 2 D 3 = D 1 + D 2 = () 2 3 22 3 11 112 hEhE + (1) Mô men uốn M 1 và M 2 của lớp dới và lớp trên của tấm hai lớp cách ly có thể tính theo công theo công thức sau: M 1 = 3 1 D D M = 3 22 3 11 3 11 hEhE hE + M M 2 = 3 2 D D M = 3 22 3 11 3 12 hEhE hE + M Từ công thức tính ứng suất của tấm: = 2 h M6 (3) p h 2 , E 2 , 2 2 H 1 , E 1 , 1 1 (2) Ta có thể tìm đợc ứng suất ở đáy tấm của mỗi lớp: 1 = 2 1 1 h M6 ; 2 = 2 2 1 h M6 Với trờng hợp 3 có thể có hai trờng hợp xảy ra: - Trờng hợp 1: Khi bị hạn chế về kinh phí, chúng ta chỉ cần láng nhựa lên trên tấm bê tông cũ, lợng nhựa láng có thể 2 - 3 lớp với lợng nhựa 3,5 kg/m 2 . Đá nên dùng đá dăm kích cỡ 0,5x1. - Trờng hợp 2: Khi có điều kiện và để đảm bảo êm thuận và giải quyết vấn đề tăng cờng khả năng chịu lực. Chúng ta có thể rải hai lớp bê tông nhựa với tổng chiều dày không nhỏ hơn 12 cm để chống nứt lan truyền (thờng là 7 cm bê tông nhựa hạt tho và 5 cm bê tông nhựa hạt mịn). Ngoài ra còn có 1 giải pháp tích cực hơn nếu ta rải tăng cờng lên trên khoảng 10 - 12 cm cấp phối đá dăm loại 1, sau đó thảm khoảng 5 cm bê tông nhựa hạt trung hoặc hạt mịn lên trên. III. Kết luận Mặt đờng bằng vật liệu bê tông xi măng là loại vật liệu có độ cứng lớn, đòi hỏi khi thiết kế và thi công cần cẩn trọng. Hiện nay, nhiều nhà thiết kế đang gặp nhiều khó khăn khi thiết kế cải tạo nâng cáp loại mặt đờng này. Với các kiến nghị một số giải pháp, tác giả mong muốn rằng các giải pháp nêu trên sẽ giúp các nhà thiết kế có hớng đi đúng, đồng thời cũng mong nhận đợc sự góp ý cùng tác giả. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Quang Chiêu. Thiết kế mặt đờng bê tông xi măng. Nhà xuất bản GTVT, 1995. [2] Lục Đỉnh Trung - Trịnh Gia Cầu. Công trình nền - mặt đờng ôtô, Tập II - Đại học Đồng Tế Trung quốc. [3] Nguyễn Quang Chiêu, Phạm Huy Khang. Xây dựng mặt đờng ôtô. Nhà xuất bản GTVT, 1998 Ă . phơng pháp thiết kế nâng cấp mặt đờng bêtông xi măng pgs. ts Phạm huy khang Bộ môn Đờng bộ - ĐH GTVT Tóm tắt: Bi báo trình by một số giải pháp v phơng pháp tính toán gia cờng mặt đờng. có mặt bằng BTXM. Vì nhiều lý do khác nhau, cho đến nay ngời ta đã bắt đầu nghiên cứu cải tạo, nâng cấp lại loại mặt đờng này. Bài báo đề cập đến các phơng pháp thiết kế cải tạo và nâng cấp. nguyên nhân trên, nhiều đoạn đờng mặt bằng BTXM cần phải đợc nâng cấp nhằm đảm bảo độ bằng phẳng, êm thuận cho xe chạy. III. Giải pháp thiết kế nâng cấp mặt đờng BTXM Với những phân tích