ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG TRỤC XE ĐO ĐẾN KẾT QUẢ ĐO MÔĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐẤT VÀ CỦA VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG BẰNG TẤM ÉP CỨNG TS. NGUYỄN VĂN HÙNG KS. ĐINH NGỌC VỸ LONG Trường Đại học Giao thông Vận tải, Cơ sở 2 Tóm tắt: Mặc dù các tiêu chuẩn ngành 22TCN211-93 trước đây và 22TCN211-06 hiện nay do Bộ Giao thông Vận tải ban hành đã chỉ dẫn phương pháp thí nghiệm xác định môđun đàn hồi của đất nền và các lớp vật liệu áo đường tại hiện trường, nhưng hàng loạt các nhân tố ảnh hưởng đến kết quả đo chưa được làm rõ như: tải trọng phương tiện đo, số lần lặp tải trọng, thời gian tác dụng của tải trọng (đối với đất dính), đường kính tấm ép cứng … Bài báo này đề cập đến ảnh hưởng của tải trọng trục xe đo đến kết quả đo môđun đàn hồi của đất nền và vật liệu áo đường, đề xuất biện pháp hạn chế ảnh hưởng của nó. Summary: Although former Branch Standard 22TCN211-93 and current Branch Standard 22TCN211-06 promulgated by Ministry of Transport have instructions about field experimental procedure to measure elastic modulus of bases and pavement material; mass of factors that influence the test results have not been specified such as load of measuring means, iteration of load, active time of load (for cohesive soil), diameter of bearing plate, etc. This article mentions the influence of axle load on result of measuring elastic modulus of bases and pavement material, proposes method to restrict the influence of that factor. CT 2 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Môđun đàn hồi của đất nền và vật liệu áo đường là thông số quan trọng để thiết kế, kiểm toán khả năng chịu lực của kết cấu áo đường. Dưới tác dụng của tải trọng trục xe, ứng suất của các điểm khác nhau trong kết cấu áo đường là không giống nhau, dẫn đến trị số môđun đàn hồi của đất nền và vật liệu áo đường là khác nhau (mặc dù đã xem đất nền và các lớp vật liệu áo đường là đồng nhất, đẳng hướng). Việc xét đến ảnh hưởng của yếu tố trên để đưa vào trong tính toán thiết kế là rất khó khăn. Vì vậy trong thực tế người ta thường dùng quan hệ tải trọng – độ võng đo được bằng thí nghiệm tấm ép cứng để xác định một trị số biến dạng duy nhất cho đất nền và vật liệu áo đường. Hiện nay, trong các chỉ dẫn xác định độ võng đàn hồi của đất nền và vật liệu áo đường của các nước như tiêu chuẩn AASHTO T222-81 (Mỹ), SNV 40372 và SNV 70317 (Thụy Sĩ), Trung Quốc [1], các nhân tố sau đã được xem xét và đưa vào hiệu chỉnh kết quả đo: số lượng chu kì lặp, phương thức gia tải, tải trọng phương tiện đo (trong tiêu chuẩn của Trung Quốc đã đưa khái niệm “lượng ảnh hưởng” vào hiệu chỉnh kết quả đo khi xét tới loại xe đo [1]) Ở nước ta, vì chưa có quy định cụ thể về phương tiện đo nên trong thực tế thường dùng các xe đo không thống nhất (xe lu, xe tải, ) dẫn đến kết quả đo không chính xác. Chính vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tải trọng phương tiện đo đến kết quả đo môđun đàn hồi của đất nền và các lớp vật liệu áo đường, kiến nghị công thức hiệu chỉnh kết quả đo là hết sức cần thiết. Ảnh hưởng của các nhân tố còn lại sẽ được trình bày trong các bài báo khác. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để đánh giá ảnh hưởng của phương tiện đo đến kết quả đo độ võng đàn hồi của đất nền và Hình 1. Tải trọng phân bố đều hình tròn, trường hợp điểm cần tính nằm ngoài phạm vi tải trọng 1. Trường hợp tải trọng phân bố đều trên hình tròn Với tải trọng cường độ q phân bố trên hình tròn đường kính D, độ võng tại một điểm cách tâm tải trọng một khoảng r [1] là: D khi r 2 ⎛⎞ ≥ ⎜⎟ ⎝⎠ TCT2 , m () 2 35 r qD 1 mm 3m W. E 2 16 128 −μ ⎛⎞ =++ ⎜⎟ ⎝⎠ + D 2r = Hình 2. Tải trọng phân bố hình chữ nhật 2b, 2a : các kích thước theo phương x, y của tải trọng; x, y : tọa độ của vi phân diện tích tải trọng; N : điểm cần khảo sát; x o , y o : toạ độ điểm cần khảo sát; p : cường độ của tải trọng phân bố. (1) Độ võng tại điểm nằm tại tâm của tải trọng: ( 2 r0 W qD 1 E = = −μ ) (2) 2. Trường hợp tải trọng phân bố đều hình chữ nhật Với tải trọng phân bố hình chữ nhật 2a × 2b cường độ p tác dụng trên bán không gian vô hạn đàn hồi, độ võng do tải trọng này gây ra tại điểm có tọa độ (x o , y o , z o = 0) tính theo công thức: oo 2 (x ,y ,0) 22 F oo p(1- ) dxdy W πE (x x ) (y y ) μ −+− = ∫∫ (3) Khi điểm khảo sát nằm ngoài phạm vi phân bố tải trọng (|x o | > b, |y o | > a), chúng tôi tiến hành các phép toán đổi biến, tích phân từng phần để giải biểu thức (3), thu được: ( oo 2 34 (x ,y ,0) p(1 ) W4* W E −μ − π = ) W (4) Trong đó W 3 và W 4 được tính bởi công thức: () () 2 2 2 oo 2 3oooo 22 oo o 22 ooo o oo 22 ooo o b x(ay)(ay W bln b x (a y ) (a y ) x ln x (ay) (ay) x(ay)x (a y )ln b x x (b x ) (a y ) b x −+−+− = − +− +− − +− +− +− − −− +− − −+−−− ) () () 2 2 22 2 ooo ooo 2 4oooo o 22 22 ooo o o o bx y y xyx Wbln bx y y xln yln bx x x y y (bx) y bx −+− +− −+−− + +−− +− − +−− = oo Độ võng tại tâm tải trọng (x o = 0, y o = 0, z = 0) [2]: CT 2 222 22 (0,0,0) 22 2 2 2p(1 ) 4a 4b 2b 4a 16b 2a W2a.ln 2b.ln E 4a 4b 2b 4a 16b 2a ⎡⎤ −μ − + + + =+ ⎢⎥ π +− + − ⎢⎥ ⎣⎦ (5) 3. Mơ tả q trình biến dạng của nền đường và các lớp kết cấu áo đường trong suốt q trình đo Để đánh giá tải trọng trục xe ảnh hưởng như thế nào đến kết quả đo, ta cần phải phân tích tất cả các tải trọng gây ra độ võng tại tâm tấm ép cứng, từ đó đưa ra phương pháp hạn chế sai số. Quy ước cách gọi tên các đại lượng như sau: o W bx te (P i ) : độ võng do tải trọng P i của bánh xe đo gây ra tại tâm tấm ép cứng. o W te te (p k ) : độ võng do áp lực kích p k trên tấm ép gây ra tại tâm của tấm ép cứng. Khi cho xe tiến vào vị trí điểm đo, tải trọng ban đầu trên bánh xe đo là P 1 , bánh xe gây ra trên nền đất chậu võng như thể hiện trên hình 3. Lúc này, độ võng do bánh xe gây ra tại vị trí đặt tâm tấm ép cứng là W bx te (P 1 ). Vò trí tâm tấm ép cứng khi chưa kích Bánh xe đo Biến dạng của nền đất khi xe vào vò trí đo P 1 W bx te (P 1 ) Hình 3. Biến dạng của nền đất khi xe tiến vào vị trí đo. Khi kích tấm ép với áp lực p k , tải trọng còn lại trên bánh xe đo là P 2 (P 2 < P 1 ) làm cho độ lún của bánh xe gây ra trên nền đất giảm đi một lượng là: ΔW bx te = W bx te (P 1 ) - W bx te (P 2 ) ΔW bx te = W bx te (P1) - W bx te (P2) W bx te (P 2 ) Đường biến dạng trước khi kích Đường biến dạng sau khi kích Vò trí tâm tấm ép cứng sau khi kích Vò trí tâm tấm ép cứng trước khi kích P 2 W bx te (P 1 ) Hình 4. Biến dạng của nền đường sau khi gia tải trên tấm ép cứng Chậu võng do áp lực kích p k trên tấm ép cứng gây ra tại tâm tấm ép cứng khi kích có dạng: Tấm ép cứng W te te (p k ) Hình 5. Chậu võng do tấm ép cứng gây ra Độ võng tổng cộng do bánh xe và tấm ép gây ra trên nền đường: Áp dụng ngun lý cộng tác dụng, độ võng đo được ở tâm tấm ép chính là sự tổng hợp của W te đo = W te te + W bx te (P 2 ) (6) Vò trí bánh xe đo Vò trí tấm ép cứng Đường biến dạng do tấm ép gây ra Đường biến dạng do bánh xe gây ra Đường biến dạng tổng Hình 6. Cộng tác dụng các ngun nhân gây lún tại tấm ép cứng. Tuy nhiên, vì lúc đầu, tại vị trí đặt tấm ép đã có biến dạng W bx te (P 1 ), cho nên độ võng W bx te (P 1 ) sẽ khơng được tính đến trong biểu thức (6). Chính vì thế, độ võng thực sự đo được tại tâm tấm ép cứng là: W te đo = W te te + W bx te (P 2 ) - W bx te (P 1 ) = W te te W bx te - Δ (7) Với ΔW bx te là đại lượng được mơ tả ở hình 4. Như vậy, độ võng tại tâm tấp ép do áp lực kích trên tấm ép gây ra được tính bằng cách lấy độ võng đọc trên đồng hồ trừ đi một đại lượng mà quy trình Trung Quốc gọi là “lượng ảnh hưởng” [1]. Thực vậy, lượng ảnh hưởng tổng cộng a trong quy trình Trung Quốc được xác định bằng cách sau khi kết thúc gia tải, ghi lại số đọc trên thiên phân kế, cho xe lùi ra từ 5-10 m, ghi lại số đọc trên thiên phân kế lần thứ 2. Từ 2 số đọc trên thiên phân kế này, ta xác định được lượng ảnh hưởng tổng cộng a. Lượng ảnh hưởng trong từng cấp tải trọng được tính tốn bằng cách nhân lượng ảnh hưởng tổng cộng với hệ số lượng ảnh hưởng có trong bảng tra. TCT2 Vì W te te là giá trị độ võng tại tâm tấm ép cứng khi đã hiệu chỉnh bằng cách loại trừ ảnh hưởng của tải trọng bánh xe đo, kí hiệu là W hc . W te đo là giá trị độ võng đo được ngồi hiện trường theo phương pháp đo mơđun đàn hồi của đất nền và các lớp vật liệu áo đường tại phụ lục D của tiêu chuẩn ngành 22TCN211-06, kí hiệu là W tc . Với cách kí hiệu như trên, cơng thức (7) được viết lại như sau: W bx te W hc = W tc + Δ (8) W bx te = W bx te (P 1 ) - W bx te (P 2 ) Trong đó: Δ (9) Thực tế trên cơng trường ở khu vực phía Nam nước ta, người ta thường tận dụng các loại xe sẵn có như xe lu hay xe tải thi cơng để làm đối trọng khi đo độ võng. Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của từng loại xe đến việc đo mơđun đàn hồi của nền đất và các lớp vật liệu áo đường. Hình 7. Sơ đồ bố trí tấm ép 4. Ví dụ 1: Trường hợp tải trọng gia tải là xe lu, tấm ép cứng nằm sau xe Giả định mơđun đàn hồi của nền đ là E giả định (daN/cm 2 ). ất Tính các độ võng W hc và W tc theo các công thức (2), (4), (8) và (9). Tỉ số giữa môđun đàn hồi sau khi hiệu chỉnh và môđun đàn hồi ban đầu CT 2 hc tc tc te tc hc tc bx EW W EWW W β= = = +Δ (10) Với thông số đầu vào như trên hình 7, cấp áp lực gia tải trên tấm ép là p k = 2 daN/cm 2 , P 1 = 4000 daN, P 2 = 3823,2 daN; nếu thay đổi E nền đất = 300 ÷ 500 daN/cm 2 , ta có: W bx te (P 1 ) W bx te (P 2 ) ΔW bx te W tc W hc mm mm mm mm mm tc tc bx W WW β= +Δ 0,994 0,741 0,253 1,516 1,263 0,8330 0,741 0,553 0,188 1,137 0,949 0,8342 0,591 0,441 0,150 0,910 0,760 0,8350 Nhận xét: Ứng với tải trọng xe lu và sơ đồ bố trí tấm ép như hình 7, môđun đàn hồi của đất nền sau khi hiệu chỉnh nhỏ hơn môđun đàn hồi của đất nền trước khi hiệu chỉnh khoảng 17%. 5. Ví dụ 2: Khi tải trọng gia tải là xe tải Hình 8. Sơ đồ bố trí tấm ép và các thông số tính toán Sử dụng loại xe Giải Phóng CA10B của Trung Quốc với các thông số như hình vẽ, nếu thay đổi E nền đất = 300 ÷ 500 daN/cm 2 , với áp lực kích trên tấm ép cứng là p k = 2 daN/cm 2 , P 1 = 2000 daN, P 2 = 1317,25 daN; áp dụng các công thức (1), (2), (8) và (9), (10), ta thu được kết quả sau: W bx te (P 1 )W bx te (P 2 ) ΔW bx te W te te W hc mm mm mm mm mm tc tc bx W WW β= +Δ 0,634 0,418 0,217 1,52 1,303 0,857426604 0,476 0,313 0,163 1,14 0,977 0,857368421 0,381 0,251 0,130 0,91 0,780 0,857142857 Nhận xét: Ứng với tải trọng xe và sơ đồ bố trí tấm ép như hình 8, môđun đàn hồi của đất nền sau khi hiệu chỉnh nhỏ hơn môđun của đất nền trước khi hiệu chỉnh khoảng 15%. Cũng với các thông số đầu vào và các công thức áp dụng như trên, khi E nền đất = 300 daN/cm 2 , và thay đổi trọng lượng trục sau xe tải P = 8000 -:- 14000 daN, ta thu được kết quả sau: Q (trục xe) P 1 (1 bánh xe) P 2 (1 bánh xe) W bx te (P 1 )W bx te (P 2 ) ΔW bx te W hc W tc tc tc bx W WW β= +Δ daN daN daN mm mm mm mm mm 8000 2000 1317,25 0,634 0,418 0,217 1,52 1,303 0,857426604 10000 2500 1687,40 0,793 0,535 0,258 1,52 1,262 0,830197368 12000 3000 2057,55 0,952 0,653 0,299 1,52 1,221 0,803289474 14000 3500 2427,70 1,111 0,770 0,341 1,52 1,179 0,775921053 Nhận xét: Khi tải trọng trục sau xe đo thay đổi từ 8T đến 14T thì môđun đàn hồi của đất nền sau khi hiệu chỉnh nhỏ hơn môđun của đất nền trước khi hiệu chỉnh khoảng 15% đến 23%. III. KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ Kết luận: Độ võng đàn hồi của đất nền và các lớp vật liệu áo đường xác định theo các tiêu chuẩn hiện hành (22TCN211-06) của Việt Nam chưa xét đến tải trọng của phương tiện đo nên kết quả đo chưa phản ánh đúng trị số thật của nó. Qua các phân tích trên và ví dụ 1, 2 cho thấy tỷ số giữa môđun đàn hồi tính theo trị số độ võng đo được ngoài hiện trường mà môđun đàn hồi sau khi hiệu chỉnh phụ thuộc nhiều vào loại xe đo, tải trọng trục sau xe, mà ít phụ thuộc vào môđun đàn hồi của nền đất hoặc của các lớp vật liệu áo đường. Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với Quy trình của Trung Quốc khi bảng tra hệ số lượng ảnh hưởng [1] được áp dụng trong mọi trường hợp thử nghiệm trên nền đất hay các lớp vật liệu áo đường với hai loại xe Hoàng Hà JN150 và Giải Phóng CA10B. TCT2 Kiến nghị: Trong phạm vi nghiên cứu, chúng tôi chưa có điều kiện thí nghiệm hiện trường để kiểm chứng kết quả tính toán. Chính vì vậy để có cơ sở áp dụng trong thực tiễn thì cần phải tiến hành nhiều thí nghiệm hiện trường để kết quả có độ tin cậy cao và cần tiếp tục làm rõ các nhân tố khác ảnh hưởng đến kết quả đo như phương thức gia tải, số lần lặp của tải trọng, đường kính tấm ép Tài liệu tham khảo [1]. Lục Đỉnh Trung, Trình Gia Câu – Công trình nền mặt đường, Đại học Đồng Tế, NXB Giao thông vận tải Hà Nội – 1995 [2]. Bùi Anh Định, Nguyễn Sỹ Ngọc – Nền và Móng công trình Cầu Đường – NXB Giao thông vận tải Hà Nội – 2003. [3]. Áo đường mềm – Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế. 22TCN211-06. [4]. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN211-93. [5]. Nguyễn Xuân Lựu – Lý thuyết đàn hồi, NXB Giao thông vận tải – 2002. [6]. Tiêu chuẩn ASSHTO T222-81. Thí nghiệm nén tấm ép tải trọng tĩnh đối với đất nền và các lớp vật liệu áo đường dùng để đánh giá và thiết kế mặt đường ô tô sân bay ♦ . tác dụng của tải trọng (đối với đất dính), đường kính tấm ép cứng … Bài báo này đề cập đến ảnh hưởng của tải trọng trục xe đo đến kết quả đo môđun đàn hồi của đất nền và vật liệu áo đường, đề. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG TRỤC XE ĐO ĐẾN KẾT QUẢ ĐO MÔĐUN ĐÀN HỒI CỦA NỀN ĐẤT VÀ CỦA VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG BẰNG TẤM ÉP CỨNG TS. NGUYỄN VĂN HÙNG KS. ĐINH. giá ảnh hưởng của tải trọng phương tiện đo đến kết quả đo môđun đàn hồi của đất nền và các lớp vật liệu áo đường, kiến nghị công thức hiệu chỉnh kết quả đo là hết sức cần thiết. Ảnh hưởng của