Nghiên cứu thực nghiệm chỉ tiêu mô đun đn hồi của một số loại đất lm nền đờng ôtô dới tác dụng của tải trọng động (M r ) ThS. Nguyễn Đình Thạo i. đặt vấn đề Khi tính toán thiết kế kết cấu áo đờng, trị số môđun đàn hồi của nền đất và vật liệu áo đờng đóng vai trò quan trọng. Hiện tại có 2 phơng pháp xác định trị số mô đun đàn hồi của nền đất: tác dụng tải trọng lâu dài (tải trọng tĩnh) và dùng tác dụng tải trọng trong thời gian rất ngắn (tải trọng động). Do phơng thức tác dụng tải trọng khác nhau nên trị số môđun đàn hồi đạt đợc cũng khác nhau vì đất là một hệ phức tạp. Ngày nay, với xu thế hội nhập với các nớc trong khu vực và trên thế giới, nớc ta cũng sử dụng một số phơng pháp thiết kế áo đờng khác nhau mà có dùng trị số môđun đàn hồi động của đất nền để tính toán. Do đó việc lựa chọn lập mô hình và tiến hành thí nghiệm xác định trị số này trong phòng thí nghiệm là rất cần thiết. Bộ môn Đờng ôtô v sân bay Khoa Công trình - Trờng Đại học GTVT Tóm tắt: Trong phạm vi bi báo ny, tác giả đề cập phơng pháp thí nghiệm trong phòng xác định trị số môđun đn hồi của một số loại đất lm nền đờng ôtô xét đến điều kiện tác dụng tải trọng động của xe chạy thực tế trên đờng. Bi báo bao gồm các nội dung: phân tích lựa chọn các loại đất nghiên cứu, các tiêu chuẩn thí nghiệm lựa chọn, mô hình thí nghiệm v các kết quả đạt đợc. Kết quả thí nghiệm đã chỉ rõ rằng môđun đn hồi của đất dới tác dụng của tải trọng động cao hơn nhiều so với môđun đn hồi của đất dới tác dụng của tải trọng tĩnh, tỉ số ny thay đổi từ 1,4 đến 3 lần tuỳ thuộc vo từng loại đất. Summary: The article presents an experimenting method in laboratory to determine the resilient modulus of several construction soils under repeated loads. The results have shown that for a certain type of soil the resilient modulus M R is really higher than the static modulus E. The ratio M R /E of different soils varies from 1,4 times to 3 times. ii. nội dung 1. Phân tích, lựa chọn một số loại đất điển hình làm nền đờng ôtô ở Việt Nam để nghiên cứu Do quá trình hình thành, tồn tại của đất mà mỗi địa phơng, mỗi khu vực địa lý khác nhau có những loại đất xây dựng nền đờng khác nhau. Với mục đích ban đầu có những khái quát tơng đối rõ nét, việc lựa chọn mẫu đất nghiên cứu thiên theo hớng chọn những loại đất rất khác biệt nhau về thành phần hạt, đồng thời trong những điều kiện có thể thu thập thêm nhiều loại đất mà các địa phơng khác nhau ở khu vực phía Bắc thờng dùng để đắp nền đờng và thêm nữa là tận dụng các dự án xây dựng đờng đang đợc triển khai một số tuyến đờng nh QL1, QL5, Đờng Vành đai III Hà nội, thu thập các mẫu đất tại các mỏ đất đợc khai thác dùng cho các dự án đó nhằm có thể lợi dụng hiện trờng thực tế để kiểm nghiệm và hiệu chỉnh các kết quả thí nghiệm trong phòng. Các mẫu đất đợc thu thập mang về để nghiên cứu bao gồm các mẫu đất đang dùng làm nền đờng trên công trình đờng Vành đai III - Hà Nội. Đây cũng là những loại đất khá điển hình đợc dùng trong xây dựng nền đờng ở khu vực phía Bắc nói chung và trên địa bàn Hà Nội nói riêng gồm: Đại diện cho nhóm đất rời: Mỏ cát Nam Thăng Long, thuộc Quận Tây Hồ. Đại diện cho nhóm đất sỏi sạn: Mỏ đất Dây Diều, thuộc Huyện Sóc Sơn. Đại diện cho nhóm đất dính: Đất sét nguyên thổ, thuộc Huyện Từ Liêm. Thông qua các thí nghiệm tiến hành theo chu trình phân loại đất do TCVN 5747 - 1993 qui định, kết quả phân loại các mẫu đất đã thu thập nh sau: 2. Phạm vi nghiên cứu và các tiêu chuẩn thí nghiệm lựa chọn a. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đợc giới hạn trong một số loại đất làm nền đờng ôtô trên địa bàn Hà Nội. Với mỗi loại đất sẽ tiến hành thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất và chế bị các mẫu đầm nén ở trạng thái độ chặt K = 1.0 theo tiêu chuẩn AASHTO T180 - 97 để xác định môđun đàn hồi động của đất. b. Các tiêu chuẩn thí nghiệm lựa chọn Để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm các loại đất trên, tác giả đã lựa chọn các tiêu chuẩn thí nghiệm sau: Phơng pháp phân loại đất trong phòng thí nghiệm theo TCVN 5747 - 1993. Phơng pháp đầm nén đất theo tiêu chuẩn AASHTO T180 - 97 để xác định độ chặt tiêu chuẩn, độ ẩm tốt nhất và chế bị các mẫu thí nghiệm. Phơng pháp thí nghiệm xác định môđun đàn hồi của đất dới tác dụng của tải trọng động (M R ) dựa trên mô hình thí nghiệm tác dụng tải trọng lặp lên mẫu đất hình trụ trong điều kiện không nở hông. 3. Lập mô hình thí nghiệm và thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của đất dới tác dụng của tải trọng động (M r ) a. Lập mô hình thí nghiệm Đối với kết cấu nền mặt đờng thì điều kiện làm việc thực tế là chịu tác dụng của tải trọng động (tải trọng tác dụng trong khoảng thời gian rất ngắn) làm cho đất bị biến dạng và phá hoại theo những quy luật nhất định. Các tải trọng tác dụng lên nền đất có thể phân thành hai loại là tải trọng xung và tải trọng rung, đối với điều kiện làm việc của nền mặt đờng thì chủ yếu là chịu tác dụng của tải trọng xung. Bảng 2.1. Kết quả phân loại đất Mỏ đất Vị trí lấy mẫu Ip Hàm lợng sét Môđun độ lớn Tên gọi Mỏ đất Dâ y Diều 24.8 % 17% Đặc trng chủ yếu của tải trọng xung là tính chất tác dụng trong thời gian ngắn và khoảng cách giữa các lần tác dụng là khá lớn, - Hỗn h ợ p sỏi s ạ n và á sét nặng Đất nền nguyên thổ khu v ự c Yên Hoà, Mỹ Đình 26.3 % 50% - Đ ất sét dẻo Mỏ cát Nam Thăng Long Đờng vành đai III Đoạn Nam Thăng Long đi Láng - Hoà Lạc - - 0,9 Cát h ạ t nhỏ làm cho thời gian tồn tại của trạng thái ứng suất phụ thêm trong đất ngắn hơn rất nhiều so với thời gian cần thiết để biến dạng của đất dới tải trọng đó có thể hoàn thành. Loại tải trọng này phổ biến là tải trọng của xe ôtô chạy trên đờng. Vì thời gian tác động của tải trọng xung ngắn hơn rất nhiều so với thời gian cần thiết để đất hoàn thành biến dạng lún dới các ứng suất phụ thêm do tải trọng ấy gây ra, nên độ lún của đất ứng với mỗi lần xung kích chỉ bằng một phần nhỏ của độ lún toàn bộ xảy ra trong đất trong trờng hợp nếu tải trọng ấy tác dụng trong một thời gian lâu dài [3]. Hầu hết các vật liệu làm mặt đờng đều không phải là vật liệu đàn hồi tuyệt đối nghĩa là vẫn có một phần biến dạng không hồi phục sau mỗi lần chịu tác dụng của tải trọng. Tuy nhiên, nếu tải trọng nhỏ so với cờng độ vật liệu và đợc lặp lại với số lợng lớn thì biến dạng sau mỗi lần tác dụng lặp lại gần nh là đợc hồi phục hoàn toàn và tỉ lệ với tải trọng và nh vậy có thể coi nh là đàn hồi [4]. Mô đun đàn hồi tính theo biến dạng có khả năng hồi phục sau những lần tải trọng tác dụng lặp gọi là môđun đàn hồi hữu hiệu - Resilient Modulus đợc định nghĩa là: M R = r d E S , kPa (2.1) trong đó: - S d : ứng suất dọc trục trong thí nghiệm nén không nở hông hay là ứng suất dọc trục trội hơn áp lực hông trong thí nghiệm nén ba trục, kPa. - E r : Biến dạng đàn hồi dọc trục tơng đối của mẫu dới tác dụng của ứng suất S d , mm/mm. Khi thí nghiệm xác định M R , một vấn đề quan trọng là phải xác định đợc các thông số của tải trọng cho phù hợp. Dạng và thời gian gia tải đợc sử dụng trong thí nghiệm gia tải động cần mô phỏng điều kiện chịu lực thực tế của vật liệu nền mặt đờng. Khi tải trọng xe tác dụng tại một khoảng cách đủ lớn tính từ một điểm nào đó trong kết cấu nền mặt đờng, ứng suất tại điểm đó bằng 0. Khi tải trọng tác dụng trực tiếp trên điểm đó thì ứng suất tại điểm đó đạt trị số lớn nhất. Do đó dạng ứng suất tác dụng là dạng hình sin hay hình tam giác, thời gian gia tải phụ thuộc vào tốc độ xe chạy và chiều sâu của điểm đang xét so với bề mặt của mặt đờng. Về thời gian tác dụng của tải trọng phụ thuộc vào tốc độ xe chạy, căn cứ các số liệu thu đợc từ thí nghiệm của AASHO, Barksdale (1971) [11] đã tìm ra mối quan hệ giữa thời gian gia tải lặp phụ thuộc vào tốc độ xe chạy và chiều sâu điểm đang xét trong kết cấu nền mặt đờng. Theo kết qủa nghiên cứu này cho thấy nếu điểm xem xét nằm càng sâu so với mặt tiếp xúc của bánh xe thì thời gian tác dụng càng tăng lên và nói chung thời gian tác dụng của tải trọng tỉ lệ nghịch với tốc độ xe chạy. Hình 2.1: Thời gian tác dụng của ứng suất do lực tác dụng lặp theo phơng thẳng đứng theo Barksdale [11] McLean [12] cũng xác định thời gian gia tải cho tải trọng lặp dạng hình chữ nhật thể hiện trong đồ thị quan hệ sau: Hình 2.2: Thời gian tác dụng của tải trọng với dạng sóng hình chữ nhật Trong hớng dẫn thiết kế kết cấu mặt đờng của AASHTO [9], môđun đàn hồi hữu hiệu của nền đất M R đợc xem là trị số đặc trng cho cờng độ và đợc dùng để tính toán, thiết kế kết cấu áo đờng. Đối với thí nghiệm trong phòng, M R đợc xác định dựa trên nguyên tắc là: tác dụng một ứng suất dọc trục có độ lớn, thời gian tác dụng và tần số quy định lên một mẫu đất hình trụ; trong khi chịu tác dụng trùng phục của độ lệch ứng suất theo phơng thẳng đứng, mẫu còn phải chịu một ứng suất tĩnh xung quanh nó do buồng áp lực của thiết bị nén ba trục tạo ra. Thiết bị truyền tải trọng là một nguồn cung cấp tải trọng ngoài bất kỳ có khả năng tạo ra tải trọng trùng phục với thời gian tác dụng của tải trọng tuỳ thuộc vào tốc độ thiết kế xe chạy trên đờng và chiều sâu của nền đất tính từ mặt đờng (bảng 2.2). Dạng sóng của tải trọng tác dụng có dạng gần với biến đổi hình sin. Bảng 2.2. Thời gian tác dụng của tải trọng lên nền đất Thời gian tác dụng của tải trọng (giây) Chiều sâu kể từ bề mặt của mặt đờng Tốc độ thiết kế của xe chạy trên mặt đờng (km/h) 508 mm > 508 mm 72 0,1 0,15 > 72 0,05 (có thể bằng 0,1) 0,1 ở nớc ta hiện nay, cha chế tạo đợc cũng nh cha nhập đợc thiết bị đồng bộ để xác định M R theo đúng quy định thí nghiệm của AASHTO. Do đó, tác giả kiến nghị sử dụng mô hình thí nghiệm tác dụng tải trọng lặp lên mẫu đất hình trụ trong điều kiện không nở hông. Các thông số của thí nghiệm đề nghị sử dụng trong nghiên cứu cho trong bảng sau: Bảng 2.3. Các thông số chính của mô hình thí nghiệm Thông số Đặc điểm Máy thí nghiệm Máy nén khí có khả năng tác dụng một lực xung trong một phạm vi tần số, thời gian tác dụng lực và độ lớn của lực. Thiết bị đo biến dạng Thiết bị LVTD đo biến dạng theo chiều đứng. Dạng sóng tải trọng Hình Sin Thời gian tác dụng lực Thời gian gia tải 0.1 giây, thời gian 1 chu kỳ 1.0 giây. Mẫu thí nghiệm Mẫu chế bị trong phòng. Bảng 2.4. Trình tự thí nghiệm áp lực tác dụng dọc trục Giai đoạn thí nghiệm Trình tự kPa daN/cm 2 Số chu kỳ tác dụng Sơ bộ 1 21 0.21 1080 2 21 0.21 120 3 34 0.35 120 4 48 0.49 120 5 69 0.70 120 Thí nghiệm chính thức 6 103 1.05 120 van PLC Khuyếch đại ADC Hình 2.3. Sơ đồ tổng thể của hệ thống thiết bị Thiết bị thí nghiệm là một hệ thống gồm 2 phần: Phần cứng: Bao gồm các bộ phận sau: máy nén khí, bộ khung thiết bị, bộ khung lắp gá mẫu, thiết bị gia tải và điều khiển tải trọng lặp, thiết bị đo lực, thiết bị đo biến dạng, thiết bị điều khiển đóng mở van khí theo chu kỳ PLC, bộ khuyếch đại tín hiệu, bộ chuyển đổi ADC, máy tính. Phần mềm: Là các chơng trình điều khiển hoạt động cho phần cứng, các chơng trình thu nhận và xử lý số liệu; chúng đợc nạp sẵn vào máy tính và bộ PLC. Thông qua phần mềm này, ta có thể thiết lập các phơng thức tác dụng tải trọng khác nhau (thời gian tác dụng tải trọng, thời gian 1 chu kỳ, độ lớn của lực) cũng nh cách thức thu thập và xử lý số liệu cũng đợc thiết lập tuỳ theo ngời sử dụng. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị: Tải trọng xung đợc cung cấp nhờ máy nén khí. Máy tính điều khiển hoạt động của PLC theo chơng trình lập sẵn. Khi PLC hoạt động sẽ đóng mở van khí theo chu kỳ xác định. Khi van khí mở đẩy Piston hoạt động tạo lực tác dụng lên mẫu. Tải trọng trùng phục tác dụng lên mẫu qua hệ thống khung truyền tải độc lập thông qua tấm gia tải. Tấm truyền tải làm bằng thép cứng có đờng kính 150 mm để sử dụng cho mẫu có đờng kính 152 mm (mẫu đất đợc chế bị trong cối CBR). Trị số lực tác dụng và chuyển vị đợc theo dõi nhờ vào hộp tế bào điện tử Electrical Load - cell và các Sensor, chúng đợc đa qua bộ khuyếch đại và bộ chuyển đổi ADC. Tín hiệu đợc chuyển đổi từ tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số đợc đa vào máy tính nhờ phần mềm lấy số liệu. Số liệu thu đợc đa vào chơng trình xử lý ra đợc kết quả thí nghiệm là giá trị lực tác dụng, giá trị biến dạng đàn hồi của mỗi chu kỳ tác dụng tải trọng. Ngoài ra, giá trị biến dạng tích luỹ qua 120 lần tác dụng lặp đợc tính toán và ghi lại. T T1 T2 P E L ự c t á c d ụ n g Thời gian Thời gian t h ẳ n g đ ứ n g đ n h ồ i B iế n d ạ n g T1 - Thời gian tác dụng của lực trong một chu kỳ T2 - Thời gian nghỉ (không có lực tác dụng) T - Thời gian của một chu kỳ tác dụng lực P - Lực tác dụng E - Biến dạng đn hồi trong một chu kỳ tác dụng lực Hình 2.4. Mô hình tác dụng lực v biến dạng đn hồi tơng ứng Kết quả thí nghiệm Thí nghiệm xác định môđun đàn hồi động đợc thực hiện trên hệ thống thiết bị thí nghiệm tác dụng tải trọng lặp lên mẫu đất hình trụ trong điều kiện không nở hông. Trị số môđun đàn hồi động ở đây đợc xác định trong điều kiện tác dụng tải trọng lặp 120 chu kỳ tơng ứng với áp lực tác dụng dọc trục là 21kPa ; 34kPa; 48kPa ; 69 kPa ; 103 kPa. Tải trọng tác dụng có dạng hình Sin với thời gian 1 chu kỳ là 1 giây và thời gian tải trọng tác dụng trong mỗi chu kỳ là 0.1 giây. Kết quả thí nghiệm đ ợc tổng hợp trong bảng 2.5; bảng 2.6 và bảng 2.7. Môđun đàn hồi động Thời gian ngâm nớc M1-C M2-C M3-C Trung bình psi psi psi psi daN/cm2 0 giờ (sau chế bị) 16883 16864 16721 16823 1183 96 giờ 15296 15365 15116 15259 1073 Môđun đn hồi động ( daN/cm2 ) 1183 1073 0 500 1000 1500 2000 Môđun đàn hồi (daN/cm2) Ngâm nớc 96 giờKhông ngâm nớc Bảng 2.5. Kết quả thí nghiệm xác định môđun đn hồi đ ộ n g Cát đen Sôn g Hồn g iii. Kết luận Mô hình thí nghiệm nh trên đã bớc đầu mô phỏng đợc điều kiện chịu lực thực tế của đất nền đờng. Với mô hình và phơng pháp thí nghiệm trong phòng đề nghị, số liệu môđun đàn hồi thu đợc kết hợp với các kết quả hiện trờng sẽ tạo điều kiện xác định đợc thông số tính toán hợp lý của đất nền đờng phục vụ việc thiết kế, tính toán kết cấu nền mặt đờng ô tô. Tài liệu tham khảo [1]. Trần Đình Bửu, Nguyễn Quang Chiêu, Nguyễn Quang Toản. Khai thác đánh giá và sửa chữa đờng ô tô, Tập 1, NXB Đại học và Trung học CN, 1984. [2]. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5747 - 1993. Đất xây dựng. Phân loại. NXB Xây dựng, 1993. [3]. Bùi Anh Định, Cơ học đất. Trờng Đại học GTVT, 1997. [4]. Bộ giao thông vận tải. Tiêu chuẩn thiết kế mặt đờng mềm 22TCN 274 - 01. NXB Giao thông vận tải, 2001. [5]. Vũ Đình Hiền. Luận án Thạc sỹ khoa học kỹ thuật 1997. [6]. NCS. Trần Thị Kim Đăng. Chuyên đề 2 - Các phơng pháp xác định và giá trị mô đun đàn hồi của Bê tông asphalt trong phòng thí nghiệm, 2002. [7]. Nguyễn Đình Thạo. Luận án Thạc sỹ khoa học kỹ thuật 2003. [8]. Lục Đỉnh Trung, Trình Gia Câu. Đại học Đồng tế. Công trình nền - mặt đờng. NXB Giao thông vận tải, 1996. Môđun đàn hồi động Thời gian ngâm nớc M1-S M2-S M3-S Trung bình psi psi psi psi daN/cm2 0 giờ (sau chế bị) 17997 18196 18545 18246 1283 96 giờ 3347 3338 3077 3254 229 [9]. AASHTO: AASHTO guide for Design of Pavement Structures. [10]. Mathematical Modeling of Pavement Performance. [11]. Barksdale, R.G. Compressive Stress Pulse Times in Flexible Pavement for Use in Dynamic Testing Highway Research Record 345, Highway Research Board, 1971. [12]. McLean, D.B. Permanent Deformation Characteristic of Asphalt Concrete, Ph.D Dissertation, University of Carlifornia, Berkeley, 1974 1283 229 0 500 1000 1500 2000 Môđun đàn hồi (daN/cm2) Ngâm nớc 96 giờKhông ngâm nớc Môđun đn hồi động ( daN/cm2 ) Bảng 2.6. Kết quả thí nghiệm xác định môđun đn hồi động đất sé t Môđun đàn hồi động Thời gian ngâm nớc M1-CPD M2-CPD M3-CPD Trung bình psi psi psi psi daN/cm2 0 giờ (sau chế bị) 24344 24541 24676 24520 1724 96 giờ 5038 5032 4927 4999 351 Môđun đn hồi Động ( daN/cm2) 1724 351 0 500 1000 1500 2000 2500 Môđun đàn hồi (daN/cm2) Ngâm nớc 96 giờKhông ngâm nớc Bảng 2.7. Kết qủa thí nghiệm xác định môđun đn hồi động đất cấp phối đồ i . đờng, trị số mô un đàn hồi của nền đất và vật liệu áo đờng đóng vai trò quan trọng. Hiện tại có 2 phơng pháp xác định trị số mô đun đàn hồi của nền đất: tác dụng tải trọng lâu dài (tải trọng. Nghiên cứu thực nghiệm chỉ tiêu mô đun đn hồi của một số loại đất lm nền đờng ôtô dới tác dụng của tải trọng động (M r ) ThS. Nguyễn Đình Thạo i. đặt. trị số mô un đn hồi của một số loại đất lm nền đờng ôtô xét đến điều kiện tác dụng tải trọng động của xe chạy thực tế trên đờng. Bi báo bao gồm các nội dung: phân tích lựa chọn các loại đất nghiên