Luận án Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam

i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả Lƣơng Xuân Chiểu ii LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với GS.TSKH Hà Huy Cương và PGS.TS Lã Văn Chăm đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tác giả với những chỉ dẫn khoa học có giá trị và thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học của tác giả. Tác giả xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, Phó giáo sư, Tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Giao thông Vận tải đã chỉ dẫn và đóng góp ý kiến để luận án được hoàn thiện. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Trường Đại học Giao thông Vận tải, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Đường bộ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải, Phòng thí nghiệm Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, Bộ môn Cầu - đường Sân bay - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Tổng Công ty Cảng hàng không Việt Nam, Sở Giao thông Vận tải Quảng Ninh đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải và anh em đồng nghiệp trong Trung tâm, đã tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân đã động viên, khích lệ và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả cũng xin dành những lời cám ơn sâu sắc tới vợ và các con của tác giả. Nếu không có sự động viên, chia sẻ và hy sinh của họ thì chắc chắn tác giả sẽ không hoàn thành được bản luận án này. Tác giả Lƣơng Xuân Chiểu iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................vii DANH MỤC HÌNH VẼ ..........................................................................................viii CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................xiii CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN ................................... xiv MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG KHAI THÁC MẶT ĐƢỜNG BTXM ........................................................ 4 1.1. Khái niệm về chất lƣợng, sức chịu tải của mặt đƣờng ...................................... 4 1.2. Tổng quan về kết cấu mặt đƣờng BTXM .......................................................... 4 1.2.1. Cấu tạo mặt đường BTXM thông thường ........................................................... 4 1.2.2. Về tấm BTXM mặt đường ................................................................................. 6 1.3. Tổng quan về các loại hƣ hỏng kết cầu mặt đƣờng BTXM .............................. 7 1.4. Các thông số đặc trƣng cho khả năng khai thác của kết cấu mặt đƣờng bê tông xi măng. .............................................................................................................. 8 1.4.1. Nhóm 1: Đánh giá theo kinh nghiệm .................................................................. 8 1.4.2. Nhóm 2: Các thông số dựa trên cơ sở bài toán cơ học ........................................ 8 1.5. Phân tích tổng quan kết quả nghiên cứu ........................................................... 9 1.5.1. Một số nghiên cứu của tác giả nước ngoài .......................................................... 9 1.5.2. Một số nghiên cứu của tác giả trong nước ........................................................ 11 1.6. Phân tích tổng quan ứng dụng phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng BTXM trên thế giới.................................................................................................. 13 1.6.1. Phương pháp sử dụng tải trọng tĩnh đánh giá sức chịu tải ................................. 13 1.6.2. Phương pháp sử dụng tải trọng động đánh giá sức chịu tải ............................... 14 1.6.3. Phương pháp truyền sóng xác định đặc tính cơ học. ......................................... 17 1.7. Các phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng BTXM hiện đang áp dụng tại Việt Nam ............................................................................................................. 18 1.7.1. Các quy định pháp lý có liên quan.................................................................... 18 iv 1.7.2. Các thiết bị thí nghiệm gia tải động hiện có tại Việt Nam ................................. 19 1.8. Phân tích lựa chọn vấn đề nghiên cứu ............................................................. 20 1.9. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................. 22 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN SỨC CHỊU TẢI MẶT ĐƢỜNG BTXM. .................................................................................... 24 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán mặt đƣờng cứng ...................................................... 24 2.2. Cơ sở lý thuyết thử nghiệm đánh giá sức chịu tải mặt đƣờng BTXM tại hiện trƣờng. ...................................................................................................................... 28 2.2.1. Các nghiên cứu về chậu võng ........................................................................... 28 2.2.2. Phương pháp xác định hệ số nền theo đặc trưng chậu võng .............................. 29 2.2.3. Xác định mô đun đàn hồi tấm bê tông, cường độ chịu kéo khi uốn tại thời điểm đánh giá ..................................................................................................................... 30 2.3. Nghiên cứu lý thuyết và nguyên lý của phƣơng pháp truyền sóng ................. 32 2.3.1. Tóm tắt lý thuyết truyền sóng ........................................................................... 32 2.3.2. Các đặc trưng của sự truyền sóng ..................................................................... 32 2.3.3. Các loại sóng.................................................................................................... 33 2.4. Các phƣơng trình cơ bản và phƣơng trình truyền sóng của môi trƣờng đàn hồi. ............................................................................................................................ 35 2.4.1. Các liên hệ cơ bản của môi trường đàn hồi. ...................................................... 35 2.4.2. Xây dựng các phương trình vi phân cân bằng và các phương trình truyền sóng theo PPNLCT Gauss. ................................................................................................. 36 2.5. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................. 43 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÙ HỢP PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................................................................ 45 3.1. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo kiểm tra chiều dày, đánh giá độ đồng nhất của BTXM-TOTC1......................................................................................................... 45 3.1.1. Mục tiêu nghiên cứu chế tạo thiết bị ................................................................. 45 3.1.2. Nguyên lý hoạt động. ....................................................................................... 46 3.1.3. Thiết kế hệ thiết bị thí nghiệm .......................................................................... 51 3.1.4. Đo đạc thử nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm ................................. 52 3.1.5. So sánh đối chứng với thiết bị thương mại ....................................................... 62 v 3.1.6. Đo đạc kiểm tra mặt đường BTXM đường Hồ Chí Minh ................................. 64 3.1.7. Đo đạc kiểm tra mặt đường BTXM đường QL18 Hạ Long – Mông Dương...... 67 3.1.8. Những vấn đề ảnh hưởng đến kết quả đo và phương án xử lý.......................... 69 3.2. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo độ cập kênh giữa hai tấm bê tông qua khe nối TOTC-02 .................................................................................................................. 69 3.2.1. Mục tiêu chế tạo ............................................................................................... 69 3.2.2. Nguyên lý cấu tạo của thiết bị .......................................................................... 70 3.3. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo biến dạng TOTC-03 ........................................ 71 3.3.1. Mục tiêu chế tạo ............................................................................................... 71 3.3.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị ...................................................................... 72 3.3.3. Chế tạo dụng cụ đo biến dạng sử dụng cảm biến điện trở ................................ 74 3.3.4. Đo đạc thử nghiệm trên mẫu thử trong phòng thí nghiệm ................................. 76 3.4. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................. 77 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM HOÀN THIỆN PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CÁC THAM SỐ CHẤT LƢỢNG KHAI THÁC MẶT ĐƢỜNG BTXM ............. 80 4.1. Thử nghiệm xây dựng tƣơng quan giữa mô đun đàn hồi và cƣờng độ chịu kéo khi uốn ...................................................................................................................... 80 4.2. Nghiên cứu đo đạc thực nghiệm trên mô hình tấm mặt đƣờng tại phòng thí nghiệm ...................................................................................................................... 87 4.2.1. Mục đích của thí nghiệm .................................................................................. 87 4.2.2. Các công thức sử dụng tính toán ...................................................................... 87 4.2.3. Mô hình thử nghiệm ......................................................................................... 89 4.2.4. Kết quả thí nghiệm ........................................................................................... 91 4.2.5. Tính toán xử lý kết quả đo ............................................................................. 93 4.3. Thiết kế thử nghiệm đánh giá sức chịu tải của mặt đƣờng BTXM đoạn đƣờng tại trƣờng Đại học Giao thông Vận tải ................................................................... 94 4.3.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 95 4.3.2. Thiết kế thực nghiệm: Thiết kế kết cấu, thiết kế thí nghiệm và hệ thống đo đạc đánh giá ..................................................................................................................... 95 4.3.3. Thiết bị đo đạc chính đã sử dụng .................................................................... 103 4.3.4. Phân tích kết quả đo ....................................................................................... 108 vi 4.3.5. Các kết quả thu được sau khi đo đạc xử lý ..................................................... 111 4.3.6. Xác định tải thí nghiệm phù hợp với kết cấu mặt đường ................................. 119 4.4. Nghiên cứu thực nghiệm tại đƣờng nội bộ - Nhà xƣởng Hangar A76 .......... 121 4.4.1. Bố trí sơ đồ đo biến dạng ............................................................................... 122 4.4.2. Thiết bị thí nghiệm ......................................................................................... 123 4.4.3 Kết quả thí nghiệm FWD tại đường nội bộ nhà xưởng Hangar A76 ................ 124 4.4.4. Phân tích ngược xác định mô đun lớp............................................................. 124 4.4.5. Kết quả thực nghiệm đo biến dạng dưới đáy tấm ............................................ 125 4.4.6. Xác định ứng suất – biến dạng tại đáy tấm BTXM bằng phần mềm EverFE 2.25 ................................................................................................................................ 125 4.4.7. Biến dạng tại đáy tấm BTXM ........................................................................ 126 4.5. Nghiên cứu đánh giá khả năng truyền tải trọng giữa các tấm BTXM ......... 126 4.5.1. Những lỗi thường gặp khi thi công khe nối .................................................... 127 4.5.2. Phương pháp đánh giá chất lượng khe nối ...................................................... 128 4.5.3. Trình tự đo đạc đánh giá................................................................................. 133 4.6. Nghiên cứu thực nghiệm mặt đƣờng BTXM tại dự án QL18 đoạn Hạ Long – Mông Dƣơng. ......................................................................................................... 133 4.6.1. Kết cấu áo đường BTXM đoạn Hạ Long – Mông Dương ............................... 133 4.6.2. Thí nghiệm đo chậu võng ............................................................................... 134 4.6.3.Xử lý kết quả đo chậu võng. ............................................................................ 135 4.6.4. Tính toán xác định các đặc trưng cường độ của mặt đường BTXM ................ 136 4.7. Đề xuất các bƣớc thực hiện đánh giá mặt đƣờng BTXM.............................. 142 4.8. Kết luận chƣơng 4 ........................................................................................... 144 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 146 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ THAM GIA CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................ 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 149 TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT ....................................................................................... 149 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Bảng giá trị trở kháng âm với các loại vật liệu ........................................... 47 Bảng 3.2. So sánh một số tính năng và ưu nhược điểm của thiết bị ............................ 63 Bảng 3.3. Kết quả đo đạc tổng hợp các tấm BTXM đường Hồ Chí Minh ................... 64 Bảng 3.4. Kết quả đo đạc tổng hợp các tấm BTXM QL18 Hạ Long – Mông Dương .. 67 Bảng 3.5. Hệ số cảm biến tương ứng với các vật liệu chế tạo ..................................... 73 Bảng 4.1. Cấp phối bê tông sử dụng thử nghiệm (đơn vị tính 1m 3 ) ............................ 83 Bảng 4.2. Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định tương quan Rku và Ebt ..................... 83 Bảng 4.3. Tổng hợp so sánh kết quả giữa 2 công thức thực nghiệm ........................... 85 Bảng 4.4. Kết quả thí nghiệm độ võng tĩnh với cấp tải trọng 30 kN. .......................... 91 Bảng 4.5. Kết quả thí nghiệm độ võng tĩnh với cấp tải trọng 40 kN. .......................... 91 Bảng 4.6. Kết quả thí nghiệm độ võng tĩnh với cấp tải trọng 50 kN. .......................... 92 Bảng 4.7.Tổng hợp kết quả độ võng trung bình các cấp tải trọng tĩnh. ....................... 92 Bảng 4.8. Bảng tổng hợp kết quả đo độ võng động tại thời điểm tải trọng đạt giá trị lớn nhất. ........................................................................................................................... 93 Bảng 4.9. Kết quả đo tĩnh được tính toán xử lý .......................................................... 93 Bảng 4.10. Kết quả đo động được tính toán xử lý ...................................................... 93 Bảng 4.11. Mô tả vị trí lắp đặt các đầu đo .................................................................. 98 Bảng 4.12. Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông....................... 106 Bảng 4.13. Kết quả xác định chậu võng tại tâm tấm BTXM ..................................... 111 Bảng 4.14. Giá trị mô đun điển hình và phạm vi mở ................................................ 113 Bảng 4.15. Hệ số Poisson điển hình và phạm vi mở ................................................. 113 Bảng 4.16. Kết quả phân tích ngược xác định bộ mô đun lớp................................... 116 Bảng 4.17. Kết quả xác định chậu võng tại tâm tấm BTXM ..................................... 124 Bảng 4.18. Kết quả phân tích ngược xác định bộ mô đun lớp................................... 124 Bảng 4.19. Kết quả đo hệ số truyền tải trọng một số tấm BTXM mặt đường QL18 (đoạn Hạ Long- Mông Dương) ................................................................................ 131 Bảng 4.20. Phân loại đánh giá độ cập kênh .............................................................. 133 Bảng 4.21. Kết quả phân tích ngược xác định bộ mô đun lớp................................... 138 Bảng 4.22. Kết quả sau tính toán một số tấm điển hình trên QL18 đoạn Hạ Long- Mông Dương ........................................................................................................... 139 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ bố trí khe và phân tấm áo đường BTXM thông thường....................... 5 Hình 1.2. Cấu tạo khe mặt đường BTXM thông thường ............................................... 5 Hình 1.3. Cấu tạo kết cấu mặt đường BTXM lề rộng có bố trí ống thoát nước ngầm.... 6 Hình 1.4. Kết cấu mặt đường BTXM thông thường trên đường ôtô ............................. 6 Hình 1.5. Thiết bị thử nghiệm sử dụng tải trọng tĩnh .................................................. 14 Hình 1.6. Thiết bị thí nghiệm Dyaflect ....................................................................... 15 Hình 1.7. Thiết bị Road Rater .................................................................................... 15 Hình 1.8. Thiết bị Rolling Dynamic Deflectometer (RDD) ........................................ 15 Hình 1.9. Thiết bị HWD của hãng Dynatest Group .................................................... 16 Hình 1.10. Thiết bị HWD của hãng KUAB ................................................................ 16 Hình 1.11. Thiết bị FWD của hãng Carl Bro Group ................................................... 16 Hình 1.12. Thiết bị JILS HWD của hãng Foundation Mechanics ............................... 16 Hình 1.13. Thiết bị Radar xuyên đất hãng IDS Georadar ........................................... 17 Hình 1.14. Thiết bị đo dựa trên công nghệ truyền sóng bề mặt ................................... 17 Hình 1.15. Thiết bị IMPact-Echo đo chiều dày, khuyết tật trong tấm BTXM ............. 18 Hình 1.16. Sơ đồ trình tự đo đạc FWD hiện nay đang áp dụng tại Việt Nam .............. 21 Hình 2.1. Mô hình của một vật thể đàn hồi ................................................................ 32 Hình 2.2. Mô phỏng sóng khối ................................................................................... 33 Hình 2.3. Mô phỏng sóng Rayleigh và sóng Love ...................................................... 34 Hình 2.4 Các ứng suất tác dụng lên phân tố bê tông ................................................... 35 Hình 2.5. Lực tác dụng lên phân tố có liên kết (a),phân tố hoàn toà