một số vấn đề về đánh giá mặt đờng bê tông xi măng bằng DYNATEST NCS. l vĂN CHĂM Bộ môn Đờng bộ - ĐH GTVT Tóm tắt: Thiết bị Dynatest 8000 l một trong nhiều thiết bị đo động để đánh giá khả năng chịu tải của mặt đờng. Trong khuôn khổ bi viết ny tác giả giới thiệu cách đo v xử lý số liệu đo đợc trên mặt đờng bê tông xi măng thử nghiệm. Summary: Dynatest 8000 is one of Dynamic measurement equipments to appreciate the bearing index of pavement structure. In this article, the author introduces the measuring method and analysing results on experimentation Rigid Pavement. Đặt vấn đề Từ trớc đến nay để đánh giá sức chịu tải của một lớp hoặc cả kết cấu mặt đờng mềm nói chung ngời ta thờng xác định gián tiếp thông qua độ võng đàn hồi trên bề mặt kết cấu. Độ võng đàn hồi đợc xác định qua thí nghiệm nén tĩnh, dới tác dụng của tải trọng quy định. Mặt đờng bê tông xi măng có độ võng nhỏ hơn nhiều so với mặt đờng mềm nên việc xác định chậu võng thờng khó khăn, mất nhiều thời gian công sức mà kết quả khó chính xác. Gần đây nhiều nớc đã sử dụng các thiết bị đo động để xác định độ võng động của mặt đờng mềm, mặt đờng cứng. Quy trình AASHTO 1998 quy định việc xác định hệ số nền tơng đơng trên đỉnh lớp móng cho cả mặt đờng cứng và mềm. Trị số này đợc dùng để tính toán thiết kế kết cấu áo đờng cứng và mềm. Trong khuôn khổ bài viết này tác giả giới thiệu cách xác định chậu võng động và tính toán xử lý số liệu khi dùng thiết bị đo DYNATEST 8000. 1. Một số phơng pháp đo động đánh giá sức chịu tải của mặt đờng v thiết bị thí nghiệm DyNATEST 8000 Những phơng pháp đánh giá sức chịu tải của mặt đờng thích hợp nhất là các phơng pháp không phá huỷ. Các phơng pháp này dựa trên các nguyên lý đo đạc khác nhau, nhờ các mối quan hệ xác lập đợc ngời ta có thể xác định đợc một hoặc nhiều thông số của mặt đờng, điển hình là các phơng pháp sau: - Phơng pháp không phá huỷ dùng tải trọng điều hoà của Cục hàng không liên bang Mỹ (NDT - Non Destructive Testing). Từ những năm 1950 Cục hàng không liên bang Mỹ đã nghiên cứu các thiết bị tải trọng rung để đánh giá thử nghiệm mặt đờng mềm. Phơng pháp NDT xác định đợc mô đun độ cứng động (DSM) từ quan hệ "Tải trọng động - độ võng động". Nhờ mối tơng quan đợc lập sẵn giữa DSM và tải trọng ngời ta có thể xác định tải trọng cho phép trên mặt đờng, sân bay thử nghiệm. - Phơng pháp không phá huỷ dùng tải trọng búa rơi (FWD): nguyên tắc chung của phơng pháp nh sau: Quả nặng rơi từ độ cao nhất định theo trục dẫn hớng tác dụng lên mặt đờng qua tấm ép. Để kéo dài thời gian tác dụng của tải trọng giống nh tải trọng chạy trên đờng (bánh xe chuyển động) ngời ta làm bộ lò xo giảm chấn hay các tấm đệm cao su. Một thiết bị khá điển hình cho loại này và đợc dùng khá phổ biến là DYNATEST 8000 có thể dùng cho cả mặt đờng cứng và mềm. Thiết bị đo động DYNATEST 8000 của Phần Lan: đo chậu võng của mặt đờng bằng tải trọng búa rơi, với tải trọng 3 hoặc 5 cấp, bộ đầu đo gồm 7 cảm biến đặt trên giá thẳng hàng (hình 1). Hình 1. Thiết bị đo động DYNATEST 8000. Phơng pháp này thích hợp cho việc xác định hệ số k cho thiết kế mặt đờng trên mặt đờng bê tông cũ khi thiết kế nâng cấp. Sau khi xác định đợc chậu võng có thể tính toán đặc trng của nền móng cũ qua hệ số k đ (k động), hệ số này đợc dùng là thông số tính toán khi thiết kế tăng cờng. Trình tự đo và tính toán đợc tiến hành nh sau: Bớc 1. Đo chậu võng của tấm bản dọc theo hớng tuyến nhờ bộ đầu đo gồm 7 cảm biến đặt trên giá thẳng hàng với khoảng cách các điểm đo thích hợp để đảm bảo chính xác. Theo AASHTO đo độ võng cách tâm tải trọng một khoảng 0, 8, 12, 18, 24, 36, 60 in (0, 203, 305, 457, 610, 915, 1524 mm) (hình 2). d o , d 8 , d 12 , d 18 , d 24 , d 36 , d 60 Hình 2. Sơ đồ đo động cho mặt đờng cứng. Bớc 2. Tính toán * Tính AREA 7 nhờ trị số độ võng trên bằng công thức thực nghiệm [6]. Với bề mặt BTXM tính giá trị AREA 7 của mỗi hố võng đợc xác định theo phơng trình (1): AREA 7 = 4 + 6 0 8 d d + 5 0 12 d d + 6 0 18 d d + + 0 24 d d 9 + 18 0 36 d d + 12 0 60 d d (1) Trong đó d 0 , d 8 , d 12 , d 18 , d 24 , d 36 , d 60 là độ võng đo đợc tại các vị trí cách tâm tải trọng một khoảng 0, 8, 12, 18, 24, 36, 60 in. * Tính bán kính độ cứng tơng đối l est (giả thiết tấm vô hạn) theo công thức: 566,2 7 est 696,0 708.289 AREA.60 ln l = (2) * Ước lợng hệ số k ban đầu Xác định hệ số k ớc lợng ban đầu của mỗi hố võng theo công thức: 2 est0 * 0 est )l.(d d.P k = (3) trong đó: P - tải trọng (lb); d o - độ võng động đo đợc tại tâm tải trọng; d o * - là hệ số không thứ nguyên của độ võng tại tâm tải trọng xác định bằng công thức sau: (4) = ) est l.07565.0( e.14707.0 * 0 e.1245.0d * Tính toán hệ số hiệu chỉnh cho d 0 và l Với bản tấm bê tông hữu hạn (chiều dài tấm L b , chiều rộng tấm B b ) cần hiệu chỉnh l và d 0 theo công thức sau: 8051,0 est l L 71878.0 0 d e.15085,11AF = (5) 04831,1 est l L 61662.0 l e.89434,01AF = (6) trong đó: bb B.LL = (khi chiều dài tấm L b 2B b ) b L.2L = (khi chiều dài tấm L b > 2B b ). * Hệ số đàn hồi động K đ sau khi hiệu chỉnh theo kích thớc bản tấm bê tông hữu hạn đợc tính theo (7): 0 d 2 l est d AF.AF k K = (7) Loại trừ khỏi dãy số liệu các giá trị phi lý nhỏ hơn 50psi/in (14 kPa/mm) hoặc lớn hơn 1500 psi/in (407 kPa/mm) trị số K đ động trung bình đợc tính theo công thức (7) trên. * Ước lợng hệ số K tĩnh (K t ) cho thiết kế: K t = K đ /2. Hệ số K đ hoặc K t là một thông số tính toán chiều dày tấm bản của AASHTO. 2. Kết quả thử nghiệm tại hiện trờng Tác giả đã làm bốn tấm bê tông thử nghiệm tại trờng Đại học giao thông vận tải với các thông số nền móng khác nhau, đã tiến hành đo đạc trên các tấm thí nghiệm này bằng DYNATEST 8000 (Thiết bị của Viện Khoa học KT GTVT). Sơ đồ bố trí mặt bằng nh sau: Hình 3. Sơ đồ bố trí các tấm thử nghiệm ngoi hiện trờng. Tấm 1: Tấm BTXM dày 24 cm, M300 trên nền đất E = 550 daN/cm 2 . Tấm 2: Tấm BTXM dày 24 cm, M300 trên móng cát gia cố XM 10%, nền đất E = 450 daN/cm 2 . Tấm 3: Tấm BTXM dày 24 cm, M300 trên móng cấp phối gia cố XM 10%, nền đất 450 daN/cm 2 . Tấm 4: Tấm BTXM dày 24 cm, M300 trên nền đất E = 650 daN/cm 2 . Kết quả đo độ võng tại vị trí tim tấm nh sau: Cự ly (cm) Tấm 1 Tấm 2 Tấm 3 Tấm 4 0 0,0141 0,0126 0,0061 0,0123 20,32 0,01308 0,00915 0,0061 0,01216 30,48 0,01255 0,00749 0,00609 0,01208 45,72 0,01108 0,00708 0,00573 0,01142 60,96 0,00966 0,00668 0,00539 0,01076 91,44 0,00834 0,00596 0,00508 0,00963 152,4 0,00556 0,00433 0,00426 0,00671 Thanh truyền lực Tấm 1 Tấm 2 Tấm 3 Tấm 4 5m 5m 5m 5m 3 m Hình 4. Chậu võng đo đợc trên mặt đờng thử nghiệm. Từ kết quả độ võng đo đợc có thể tính đợc hệ số độ võng của các tấm không có móng (tấm 1, tấm 4), tấm móng cát gia cố (tấm 2) so với tấm có móng cứng bằng vật liệu cấp phối gia cố xi măng (tấm 3). Hệ số độ võng so với tấm gia cố cấp phối gia cố Cự ly (cm) Tấm 1/3 Tấm 2/3 Tấm 3 Tấm 4/3 0 2,31148 2,06557 1,00 2,01639 20,32 2,14492 1,49928 1,00 1,99419 30,48 2,06175 1,22967 1,00 1,98384 45,72 1,93267 1,23505 1,00 1,9917 60,96 1,79178 1,23879 1,00 1,99703 91,44 1,64195 1,17241 1,00 1,89498 152,4 1,3061 1,01596 1,00 1,57559 Hệ số K đ tính theo AASHTO Tấm 1 2 3 4 Hệ số k động 56,16 91,76 184,61 92,10 Nhận xét v kết luận - Nhờ thí nghiệm DYNATEST này chúng ta có thể xác định chậu võng động rất nhanh so với các phơng pháp đo đạc tĩnh truyền thống. - Kết quả đo đạc đã phản ánh đúng tình trạng kết cấu của tấm thí nghiệm. + Độ võng của các tấm không gia cố (hệ hai lớp) lớn hơn độ võng tấm có gia cố từ 1,3 đến 2,3 lần. + Tấm trên móng cát gia cố có độ võng lớn hơn khá nhiều so với độ võng của tấm trên móng cấp phối gia cố xi măng. + Với kết cấu mặt đờng cứng dùng móng gia cố có cờng độ cao hiệu quả hơn nhiều so với móng bằng vật liệu khác. - Ghi kết quả đo chậu võng qua khe tấm (tại vị trí cạnh ngắn tấm) có thể đánh giá khả năng truyền tải trọng qua khe, hoặc có thể kiểm tra khe nối có kết cấu thanh truyền lực hay không. Kết quả đo trên tấm thí nghiệm cho thấy những khe có bố trí thanh truyền lực chậu võng khá trơn tru êm thuận, tại khe không có thanh truyền lực có sự cập kênh giữa hai tấm (thông qua bớc nhảy chuyển vị qua khe). - Chúng ta cũng có thể xác định hệ số chuyển vị cho các trờng hợp tải trọng đặt ở góc và cạnh dài tấm . - Từ kết quả đo đạc có thể lập tơng quan đánh giá sức chịu tải của các loại kết cấu mặt đờng kể cả mặt đờng cứng. - Nếu có phần mềm tính toán tơng ứng nhờ việc lập quan hệ mà chúng ta có thể đánh giá một số đặc trng của vật liệu làm mặt và móng đờng. Từ mặt võng đo đợc ngời ta có thể giải bài toán ngợc để tính đợc các đặc trng cờng độ của các lớp áo đờng hoặc dùng nó làm thông số thiết kế. Tài liệu tham khảo [1]. AASHTO Hớng dẫn thiết kế mặt đờng 1986 - Hiệp hội đờng bộ Mỹ xuất bản. [2] Nguyễn Quang Chiêu. Mặt đờng bê tông xi măng - NXB Xây dựng, 1985. [3] Dơng Học Hải. Công trình mặt đờng ô tô. Tủ sách Sau đại học, Trờng Đại học Xây dựng Hà nội. 1996. [4] Quy trình thiết kế áo đờng cứng 22 TCN 223 - 95. Bộ GTVT 1995. [5] Nguyễn Văn Vợng, Nguyễn Phú Thái. Cơ sở phơng pháp đo kiểm tra trong kỹ thuật. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2001. [6] AASHTO Design of Pavement Structures (Part II Rigid Pavement Design & Rigid Pavement Joint Design), 1998 Ă . một số vấn đề về đánh giá mặt đờng bê tông xi măng bằng DYNATEST NCS. l vĂN CHĂM Bộ môn Đờng bộ - ĐH GTVT Tóm tắt: Thiết bị Dynatest 8000 l một trong nhiều thiết bị đo động để đánh giá. động để đánh giá khả năng chịu tải của mặt đờng. Trong khuôn khổ bi viết ny tác giả giới thiệu cách đo v xử lý số liệu đo đợc trên mặt đờng bê tông xi măng thử nghiệm. Summary: Dynatest 8000. Pavement. Đặt vấn đề Từ trớc đến nay để đánh giá sức chịu tải của một lớp hoặc cả kết cấu mặt đờng mềm nói chung ngời ta thờng xác định gián tiếp thông qua độ võng đàn hồi trên bề mặt kết cấu.