Luận án Nghiên cứu một số thông số thiết kế tấm bê tông xi măng mặt đường cứng trong điều kiện khí hậu miền trung Việt Nam theo tiêu chuẩn Aashto

BỘ GIÁO DỤC VÀ VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM ĐĂNG NGUYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG CỨNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN AASHTO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM ĐĂNG NGUYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG CỨNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN AASHTO Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã số: 62.58.02.05.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS Phạm Huy Khang 2. PGS.TS. Lã Văn Chăm HÀ NỘI - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Phạm Đăng Nguyên ii LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Giao Thông Vận Tải. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học GTVT, Bộ môn Đường bộ, tới quý Thầy cô giáo, các Nhà khoa học, các bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Đặc biệt, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới NGƯT.GS.TS Phạm Huy Khang và NGƯT.PGS.TS Lã Văn Chăm là hai thầy hướng dẫn đã có những chỉ dẫn tận tình và quý báu giúp tác giả hoàn thành luận án của mình. Tác giả iii MỤC LỤC Lời cam đoan ........................................................................................................... i Lời cảm ơn .............................................................................................................. ii Mục lục ..................................................................................................................iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................. vii Danh mục các bảng ................................................................................................. x Danh mục các hình .............................................................................................. xiv PHẦN MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 7 1.1. Tổng quan về mặt đường bê tông xi măng .................................................... 7 1.1.1. Những khái niệm cơ bản ........................................................................ 7 1.1.2.Cơ sở lý thuyết về sự làm việc của áo đường cứng ................................. 7 1.1.3.Xem xét trạng thái làm việc của tấm BTXM mặt đường dưới tác dụng của khí hậu thời tiết ................................................................................. 8 1.2. Tổng quan về các thông số đầu vào yêu cầu và phương trình tính toán mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO .................................................... 12 1.2.1.Các thông số liệu đầu vào yêu cầu ........................................................ 12 1.2.2. Phương trình tính toán mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO........ 13 1.3. Đặc điểm chung của điều kiện khí hậu miền Trung Việt Nam và công thức xác định các thông số chịu tác động của khí hậu khu vực trong tính toán mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO .................................................... 22 1.3.1. Đặc điểm chung của khí hậu miền Trung Việt Nam ............................. 22 1.3.2.Nghiên cứu xác định một số thông số thiết kế tấm bê tông xi măng mặt đường cứng trong điều kiện khí hậu thời tiết miền Trung Việt Nam theo tiêu chuẩn AASHTO .............................................................................. 25 1.4. Một số nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước ....................................... 26 1.4.1.Những nghiên cứu liên quan trong nước: .............................................. 26 1.4.2.Những nghiên cứu liên quan ở nước ngoài: ........................................... 28 1.5. Những vấn đề tồn tại mà luận án tập trung giải quyết ................................. 28 1.6. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ................................................ 30 1.6.1.Mục tiêu của đề tài nghiên cứu .............................................................. 30 1.6.2.Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 30 iv 1.7. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 31 1.8. Kết luận chương 1 ....................................................................................... 32 Chương 2: NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ VỀ KHÍ HẬU KHU VỰC MIỀN TRUNG SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ VÀ KHAI THÁC MẶT ĐƯỜNG CỨNG THEO TIÊU CHUẨN AASHTO .............................................. 34 2.1. Giới thiệu quy mô nguồn số thiệu thu thập .................................................. 34 2.1.1. Số lượng các trạm thu thập số liệu, thời gian thu thập .......................... 34 2.1.2.Các loại số liệu thu thập ........................................................................ 35 2.1.3. Đặc điểm của nguồn số liệu thu thập .................................................... 35 2.2. Quá trình xử lý số liệu. ................................................................................ 35 2.2.1. Trạm Đà Nẵng (TP Đà Nẵng) ............................................................... 37 2.2.2.Trạm TP Thanh Hóa, Tỉnh Thanh Hóa .................................................. 47 2.2.3.Trạm TP Vinh, Tỉnh Nghệ An ............................................................... 49 2.2.4.Trạm Kỳ Anh, Tỉnh Hà Tĩnh ................................................................. 51 2.2.5.Trạm Đồng Hới, Tỉnh Quảng Bình ........................................................ 53 2.2.6.Trạm Đông Hà, Tỉnh Quảng Trị ............................................................ 55 2.2.7.Trạm Hương Thủy, Tỉnh T.T.Huế ......................................................... 57 2.2.8.Trạm Tam Kỳ, Tỉnh Quảng Nam .......................................................... 59 2.2.9.Trạm Quảng Ngãi, Tỉnh Quảng Ngãi .................................................... 61 2.2.10.Trạm Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định ....................................................... 63 2.2.11.Trạm Tuy Hòa, Tỉnh Phú Yên ............................................................. 65 2.2.12.Trạm Nha Trang, Tỉnh Khánh Hòa ...................................................... 67 2.2.13.Trạm Buôn Ma Thuột, Tỉnh Đắc Lắc .................................................. 69 2.3. Kết quả quá trình xử lý số liệu, quy luật phân bố của các thông số đầu vào, mức độ ảnh hưởng và lựa chọn kết quả theo độ tin cậythiết kế .................. 72 2.3.1.Quy luật phân bố - giá trị phân phối của các thông số đầu vào ............. 72 2.3.2. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến kết quả tính toán TD(+) và TD(-) ................................................................................................. 73 2.3.3. Kết quả lựa chọn thông số độ chênh lệch nhiệt độ độ dương hữu hiệu (TD(+)) và độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu (TD(-)) theo độ tin cậy (R) ......... 75 2.4. Kết luận chương 2 ....................................................................................... 75 v Chương 3: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO, KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ TRONG TẤM BÊ TÔNG VÀ LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ TÍNH TOÁN TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG THEO AASHTO ... 77 3.1.Cách xác định các thông số tính toán theo AASHTO. .................................. 77 3.1.1. Tổng trục xe tiêu chuẩn dự báo (ESALs), W80 cho cả thời kỳ phục vụ, ở làn xe thiết kế ........................................................................................ 77 3.1.2.Độ tin cậy (R) ........................................................................................ 78 3.1.3. Độ lệch tiêu chuẩn toàn phần S0 ........................................................... 79 3.1.4. Độ tổn thất khả năng phục vụ thiết kế (PSI) ..................................... 79 3.1.5. Tính mô đun phản lực nền hữu hiệu (trị số k). ..................................... 80 3.1.6.Tính Cường độ chịu kéo uốn (Mô đun phá hỏng) của bê tông xi măng poóc lăng (S’c.) ..................................................................................... 89 3.1.7. Tính Mô đun đàn hồi của bê tông, (Ec.) ................................................ 90 3.1.8.Mô đun đàn hồi của lớp móng, (Eb.)...................................................... 90 3.1.9.Hệ số ma sát giữa tấm bê tông xi măng với móng (f) ............................ 92 3.1.10.Chiều dày của lớp móng (Hb) .............................................................. 93 3.1.11. Điều kiện chống đỡ của mép làn xe.(Như mục 1.2.1)......................... 93 3.2. Xác định các thông số tính toán chịu ảnh hưởng của khí hậu khu vực khi thiết kế tấm BTXM mặt đường theo AASHTO. ................................................. 93 3.2.1. Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu của tấm bê tông xi măng ....... 93 3.2.2. Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu của tấm bê tông xi măng ............ 94 3.3. Nghiên cứu lựa chọn hệ số thoát nước ......................................................... 95 3.3.1. Nghiên cứu lựa chọn hệ số thoát nước (Cd) dùng trong trong tính toán độ kênh của tấm BTXM mặt đường.. ..................................................... 95 3.3.2. Kiến nghi lựa chọn hệ số thoát nước Cd cho khu vực miền Trung (Bảng 3.13) và một số cấu tạo thoát nước tham khảo (PL7-2) ..................... 101 3.4. Khảo sát độ chênh lệch nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường trạm Đà Nẵng (PL 6-1)................................................................................................... 102 3.4.1. Sự xuất hiện của các yếu tố: Nhiệt độ, vận tốc gió, lượng mưa trong năm và sự ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đó đến tính toán chênh lệch nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường ................................................... 102 3.4.2.Khảo sát sự chênh lệch nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường ô tô khu vực Miền Trung - TP Đà Nẵng (Mùa hè) .............................................. 105 vi 3.4.3. Kết quả giá trị ∆T (Độ chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của tấm BTXM) tính ra theo các nhóm công thức khác nhau và theo khảo sát:(Bảng 3.22) ............................................................................................. 112 3.5. Hệ số giãn nhiệt của bê tông xi măng và vấn đề bố trí khe giãn trong thiết kế mặt đường BTXM ............................................................................... 112 3.5.1. Hệ số giãn nhiệt của BTXM ............................................................... 112 3.5.2. Vấn đề bố trí khe giãn trong mặt đường BTXM ................................. 113 3.5.3. Thiết kế khe giãn ở một số nước ........................................................ 115 3.6. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 120 Chương 4: TÍNH TOÁN TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM VỚI CÁC THÔNG SỐ LỰA CHỌN ... 122 4.1.Các thông số nghiên cứu lựa chọn cho khu vực miền Trung Việt Nam ...... 122 4.1.1.Các thông số dùng để tính toán chênh lệch nhiệt độ trong tấm bê tông xi măng mặt đường ............................................................................... 122 4.1.2.Hệ số thoát nước Cd dùng trong thiết kế mặt đường BTXM theo AASHTO ...................................................................................................... 124 4.2.Tính toán tấm BTXM mặt đường với các thông số nghiên cứu lựa chọn của luận án ........................................................................................................ 124 4.2.1.Tính toán mặt đường BTXM thông thường có khe nối theo tiêu chuẩn AASHTO (Có thể sử dụng phần mềm để tính) .............................................. 124 4.2.2. Kiểm tra lại kết cấu mặt đường ở trên (chiều dày tấm BTXM tính ra theo AASHTO là 27 cm) theo Quyết định số: 3230/QĐ-BGTVT, ngày 14 tháng 12 năm 2012 của Bộ trưởng Bộ GTVT ............................................... 128 4.3. Kết luận chương 4 ..................................................................................... 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ... 137 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................. 138 PHẦN PHỤ LỤC (ĐƯỢC ĐÓNG THÀNH MỘT CUỐN RIÊNG) vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Ý nghĩa 1 𝑎𝑡 Hệ số hồi quy 2 B Chiều rộng tấm bê tông 3 𝐵𝐿 Hệ số ứng suất nhiệt độ tổng hợp 4 𝑏𝑡 Hệ số hồi quy 5 𝐶𝐿 Hệ số ứng suất uốn vồng do gradien nhiệt độ gây ra trong tấm BTXM mặt đường. 6 CS Cường độ chịu nén, psi (1 psi = 6,89 kPa). 7 𝑐𝑡 Hệ số hồi quy 8 𝐶𝑋 Hệ số phụ thuộcL/l, 9 𝐶𝑌 Hệ số phụ thuộcB/l 10 D Chiều dày tấm BTXM (mm) 11 𝐷𝐷 Hệ số phân bố theo chiều, thay đổi từ 0,3 đến 0,7 phù hợp với khảosát ở hiện trường. 12 𝐷𝐿 Hệ số phân bố theo làn trên mặt cắt ngang 13 E Hệ số điều chỉnh tuỳ vào sự chống giữ ở mép tấm BTXM 14 𝐸𝑏 Mô đun đàn hồi của bê tông (daN/cm 2) 15 𝐸𝐶 Mô đun đàn hồi của BTXM (MPa); 16 𝐸𝑡 Môđuyn đàn hồi của bê tông khi chịu tác dụng của sự chênh lệch nhiệt độ lâu dài (từ 6-9 giờ), thường lấy bằng 0,6.𝐸𝑏 17 18 19 20 𝐸𝑐ℎ𝑚 F f𝐶 f𝑐 ′ Môđuyn đàn hồi chung trên mặt móng,(daN/cm2) Tỉ số giữa ứng suất của tấm khi hệ số ma sát giữa tấm và móng có trị số là f với ứng suất của tấm khi ma sát là hoàn toàn Nhân tố ma sát giữa tấm và móng Cường độ chịu nén của bê tông xi măng, MPa 21 H Chiều dày tấm BTXM (cm) 22 𝐻𝑏 Chiều dầy của lớp móng, mm. 23 ℎ𝐶 Chiều dày tấm BTXM (m); 24 I(ℓ) Bán kính độ cứng của tấm bê tông: viii TT Ký hiệu Ý nghĩa 25 26 k 𝑘𝑔 Mô đun phản lực nền hữu hiệu (hệ số nền) Hệ số giảm cường độ bức xạ mặt trời do đặc điểm của bầu khí quyển. 27 𝐾𝑡 Hệ số ứng suất kéo uốn gây mỏi do nhiệt 28 L Chiều dài tấm bê tông (khoảng cách giữa hai khe co) 29 𝑃1 Chỉ số phục vụ ban đầu của áo đường cứng 30 𝑃2 Chỉ số phục vụ cuối cùng của áo đường cứng 31 r Bán kính độ cứng tương đối của tấm BTXM (m); 32 33 34 𝑆𝐶 Sr SDs Cường độ chịu kéo uốn của bê tông trong qui định thi công,MPa Độ bão hòa của đất dính Độ lệch tiêu chuẩn ước tính của cường độ chịu kéo uốn của bê tông, MPa; 35 36 37 38 𝑆𝐶 ′ 𝑡𝑏𝑚 𝑡𝑘𝑘 𝑡𝑏𝑥 Trị số cường độ chịu kéo uốn của bê tông (Mô đun phá hỏng) kPa. Nhiệt độ bề mặt của mặt đường.(°C) Nhiệt độ không khí (°C) Nhiệt độ tương đương do bức xạ mặt trời đốt nóng thêm bề mặt của mặt đường bê tông xi măng(°C) 39 𝑇𝑔 Gradien nhiệt độ lớn nhất.(°C/cm) 40 𝑊80 Số trục xe tải trọng tương đương trong suốt thời kỳ phục vụ của làn xe thiết kế. 41 80Wˆ Tổng số trục xe tải trọng tương đương trong suốt thời kỳ phục vụ của mặt đường. 42 Z Độ lệch tiêu chuẩn từ bảng phân bố chuẩn tương ứng với độ tin cậy R. 43 44 α 𝛼𝐶 Hệ số giãn dài do nhiệt độ của bê tông Hệ số giãn nở nhiệtcủa BTXM 45 ∆PSI Trị số độ tổn thất khả năng phục vụ 46 ∆T Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm bê tông (°C) 47 T Gradien nhiệt độ trong tấm BTXM.(°C/cm) 48 µ Hệ số Poisson của bê tông. [0,20 đối với thử nghiệm đường của AASHO] [34]. ix TT Ký hiệu Ý nghĩa 49 σ𝑡 Ứng suất uốn vồng theo hướng dọc ở giữa tấm(daN/cm 2) 50 σ𝑛 Ứng suất uốn vồng theo hướng ngang ở giữa tấm (daN/cm 2) 51 σ𝑐 Ứng suất uốn vồng theo hướng dọc ở cạnh tấm (daN/cm 2) 52 σ𝑙 Ứng suất kéo tại chính giữa tấm, chỉ do tác dụng của tải trọng 53 𝑡 ′ Ứng suất kéo tại chính giữa tấm (kPa) do tác dụng của tải trọng và nhiệt độ, với các số liệu đầu vào để thiết kế mặt đường mới. 54 𝑡𝑟 Ứng suất kéo uốn do gradien nhiệt gây mỏi giữa cạnh dọc tấm BTXM 55 𝑡𝑚𝑎𝑥 Ứng suất kéo uốn lớn nhất do gradient nhiệt độ lớn nhất gây ra trong tấm BTXM 56 57 58 59 AASHO AASHTO BĐKH BTXM (American Association of State Highway Officials): Hội Cầu đường Mỹ (American Association of State Highway and Transportation Officials): Hội Cầu đường và Giao thông Mỹ Biến đổi khí hậu Bê tông xi măng 60 CPĐD Cấp phối đá dăm 61 62 CBR CRCP Chỉ số chịu tải Califonia Mặt đường Bê tông cốt thép liên tục 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 DCB ESALs IPCC JPCP JRCP PL PS PRECIP TEMP TD(+) TD(-) WIND Chỉ số xuyên động Tổng số trục xe tiêu chuẩn dự báo cho cả thời kỳ phục vụ trên làn xe thiết kế Ủy ban Liên chính phủ về Thay đổi khí hậu Mặt đường Bê tông xi măng thông thường có khe nối Mặt đường Bê tông xi măng - cốt thép có khe nối Phụ lục PS: số lượng cho phép của mẫu, (%) . Lượng mưa trung bình năm, mm. Nhiệt độ trung bình năm, oC. Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu, oC Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu, oC Tốc độ gió trung bình năm, km/h./. x DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1: Đường kính tối thiểu của thanh truyền lực ............................................... 19 Bảng 1.2: Hệ số thoát nước Cd đã được điều chỉnh.................................................. 20 Bảng 2.1.Tọa độ của các trạm khí tượng chọn thu thập số liệu ................................ 34 Bảng 2.2. Các số liệu đặc trưng năm của nhiệt độ, gió và mưa trạm Đà Nẵng ........ 37 Bảng 2.3. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đà Nẵng ............................ 43 Bảng 2.4. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đà Nẵng ............................ 45 Bảng 2.5. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm TP Thanh Hóa ................... 48 Bảng 2.6. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm TP Thanh Hóa ................... 49 Bảng 2.7. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm TP Vinh ............................. 50 Bảng 2.8. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm TP Vinh ............................. 51 Bảng 2.9. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Kỳ Anh.............................. 52 Bảng 2.10. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Kỳ Anh.............................. 53 Bảng 2.11. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đồng Hới .......................... 54 xi Bảng 2.12. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hư