Luận án Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng

iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .................................................................................... 2 2.1. Mục tiêu chung ......................................................................................... 2 2.2. Mục tiêu cụ thể.......................................................................................... 3 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................... 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 3 3.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 3 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................................. 4 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN ............................................. 4 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN .................................................................................. 5 CHƯƠNG 1 ............................................................................................................ 7 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ NHIỆT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG BẰNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG ............................. 7 1.1. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘ ................................... 7 1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG .................. 10 1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MĂT ĐƯỜNG ............................................................................................................... 12 1.3.1. Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu ......................................................... 12 1.3.2. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu .......................................................... 16 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT TRONG KCMĐ......................... 19 1.4.1. Mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên lý thuyết truyền nhiệt .............................................................................................................. 19 1.4.1.1. Theo phương pháp giải tích ........................................................... 19 1.4.1.2. Theo phương pháp số .................................................................... 20 1.4.1.3. Nhận xét ........................................................................................ 22 1.4.2. Mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................................................... 22 1.4.2.1. Mô hình hồi quy tuyến tính ........................................................... 23 1.4.2.2. Mô hình hồi quy phi tuyến ............................................................ 23 1.4.2.3. Mô hình mạng nơ ron nhân tạo ...................................................... 28 1.4.2.4. Nhận xét ........................................................................................ 29 1.5. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN..................................................... 30 iv 1.5.1. Nhận xét về kết quả nghiên cứu tổng quan của luận án ........................ 30 1.5.2. Các vấn đề luận án tập trung nghiên cứu ............................................. 32 1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 32 CHƯƠNG 2 .......................................................................................................... 34 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG ................................................................................................................ 34 2.1. KHÁI QUÁT VỀ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ NHIỆT LÝ CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG ................................................................................................ 34 2.1.1. Các kết quả nghiên cứu xác định giá trị thông số nhiệt lý của vật liệu kết cấu mặt đường ............................................................................................... 34 2.1.1.1. Trên thế giới .................................................................................. 34 2.1.1.2. Tại Việt Nam................................................................................. 35 2.1.2. Các phương pháp xác định thông số nhiệt lý của vật liệu KCMĐ ......... 36 2.1.3. Nhận xét ............................................................................................... 36 2.2. PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KCMĐ ........................................................................................ 37 2.2.1. Nguyên lý chế tạo thiết bị ..................................................................... 37 2.2.2. Mô tả thiết bị ........................................................................................ 38 2.2.3. Hiệu chuẩn các bộ phận của thiết bị đo................................................ 39 2.2.3.1. Hiệu chỉnh bộ đọc nhiệt độ ............................................................ 39 2.2.3.2. Hiệu chỉnh bộ đọc công suất .......................................................... 42 2.2.4. Thí nghiệm xác định độ dẫn nhiệt (λ) ................................................... 42 2.2.4.1. Trình tự thí nghiệm ....................................................................... 42 2.2.4.2. Tính toán kết quả ........................................................................... 43 2.2.5. Thí nghiệm xác định độ khuếch tán nhiệt () ....................................... 43 2.2.5.1. Trình tự thí nghiệm ....................................................................... 43 2.2.5.2. Tính toán kết quả ........................................................................... 43 2.2.6. Nhận xét ............................................................................................... 44 2.3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA VÀ CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG ............................................ 45 2.3.1. Chuẩn bị mẫu vật liệu thí nghiệm ......................................................... 45 2.3.2. Kết quả thí nghiệm và bàn luận ............................................................ 46 2.3.2.1. Độ dẫn nhiệt () ............................................................................ 46 2.3.2.2. Độ khuếch tán nhiệt (α) ................................................................. 49 2.3.2.3. Tổng hợp kết quả........................................................................... 53 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 54 v CHƯƠNG 3: ......................................................................................................... 56 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUAN TRẮC NHIỆT ĐỘ TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG ............................................................................................................. 56 3.1. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM .............................................................................. 56 3.2. VẬT LIỆU ..................................................................................................... 57 3.2.1. Bê tông nhựa chặt 12,5 ........................................................................ 57 3.2.2. Cấp phối đá dăm gia cố xi măng Dmax31,5 giá cố 4% xi măng ........... 58 3.2.3. Cấp phối đá dăm loại I Dmax 37,5 ....................................................... 59 3.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ............................................................. 61 3.3.1. Thi công kết cấu mặt đường ................................................................. 61 3.3.2. Thiết kế và hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ ..................... 64 3.3.2.1. Cấu tạo thiết bị quan trắc ............................................................... 64 3.3.2.2. Hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ ............................................ 65 3.3.3. Lắp đặt thiết bị ..................................................................................... 65 3.3.3.1. Giai đoạn bảo dưỡng lớp CPĐD GCXM (quan trắc nhiệt độ trong lớp móng CPĐD GCXM) ................................................................................ 65 3.3.3.2. Giai đoạn sau khi thi công và bảo dưỡng (quan trắc nhiệt độ KCMĐ) .................................................................................................................. 66 3.4. KẾT QUẢ QUAN TRẮC VÀ BÀN LUẬN ............................................................ 67 3.4.1. Giai đoạn bảo dưỡng lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng ......... 67 3.4.1.1. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến phân bố nhiệt độ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng ................................................. 67 3.4.1.2. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến cường độ chịu nén và cường độ chịu ép chẻ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng. ..... 72 3.4.1.3. Quan sát vết nứt trên bề mặt lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng .. 74 3.4.2. Phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường ở giai đoạn sau khi thi công và bảo dưỡng ..................................................................................................... 75 3.4.2.1. Phân bố nhiệt theo thời gian .......................................................... 75 3.4.2.2. Phân bố nhiệt theo chiều sâu KCMĐ ............................................. 77 3.4.2.3. Nhận xét ........................................................................................ 81 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 85 CHƯƠNG 4: ......................................................................................................... 87 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ ĐỀ XUẤT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, KIỂM TRA KẾT CẤU MẶT vi ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG ....................................................................... 87 4.1. ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG............................... 88 4.1.1. Thu thập dữ liệu khí hậu ...................................................................... 88 4.1.1.1. Thành phố Đà Nẵng ...................................................................... 88 4.1.1.2. Tỉnh Quảng Nam ........................................................................... 89 4.1.2. Kết quả thu thập dữ liệu khí hậu của khu vực nghiên cứu ..................... 89 4.1.2.1. Nhiệt độ không khí ........................................................................ 90 4.1.2.2. Độ ẩm không khí ........................................................................... 92 4.1.2.3. Tốc độ gió ..................................................................................... 93 4.1.2.4. Lượng mưa .................................................................................... 94 4.1.2.5. Cường độ bức xạ mặt trời .............................................................. 95 4.1.3. Nhận xét - đánh giá .............................................................................. 96 4.2. PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN ĐỘ NHẠY GIỮA CÁC THÔNG SỐ KHÍ HẬU VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG KCMĐ CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................ 97 4.2.1. Kết quả phân tích tương quan giữa thông số khí hậu và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ .................................................................................................. 97 4.2.2. Nhận xét ............................................................................................. 100 4.3. PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG LỚP BTN ......... 100 4.3.1. Mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp hồi quy .................................................................................................................... 100 4.3.1.1. Lựa chọn mô hình phân tích ........................................................ 101 4.3.1.2. Mô hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN (Tpave) ................................................................................................................ 101 4.3.1.3. Đánh giá hiệu quả mô hình .......................................................... 102 4.3.2. Mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp mạng nơ- ron nhân tạo ANN ........................................................................................ 105 4.3.2.1. Xây dựng mô hình cấu trúc mạng ANN ...................................... 105 4.3.2.2. Kết quả dự đoán phân bố nhiệt của các trường hợp theo phương pháp ANN ........................................................................................................ 106 4.4. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS MÔ PHỎNG PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG KCMĐ ........................................................................................................................ 108 4.4.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS .............................................................. 108 4.4.2. Xây dựng mô hình tính ....................................................................... 109 4.4.3. Kết quả phân tích mô phỏng ............................................................... 112 4.4.4. Ảnh hưởng của thông số nhiệt lý vật liệu đến phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường ............................................................................................. 113 vii 4.5. SO SÁNH KẾT QUẢ CÁC MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ ĐÃ PHÁT TRIỂN ........................................................................................................................ 115 4.6. ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY LỚP MẶT BTN ĐẾN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG .................................................. 117 4.7. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THỰC TIỄN CÔNG TÁC KIỂM TRA VÀ THIẾT KẾ KCMĐ CHO KHU VỰC QUẢNG NAM - ĐÀ NẴNG ................................ 121 4.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................ 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 125 1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN ÁN ................................................... 125 2. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ........................................................... 126 3. KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................................... 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 130 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Nứt phản ảnh và cơ chế hình thành nứt phản ảnh trong kết cấu mặt đường có lớp móng gia cố [7] ............................................................................................. 9 Hình 1.2. Minh họa sự truyền nhiệt trong hệ thống môi trường và KCMĐ [11] ..... 10 Hình 1.3. Minh họa cấu trúc mạng ANN [67] ........................................................ 28 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý chế tạo thiết bị độ dẫn nhiệt ......................................... 37 Hình 2.2. Chi tiết thiết bị xác định thông số nhiệt lý của vật liệu ........................... 38 Hình 2.3. Hiệu chỉnh bộ phận đọc nhiệt độ ............................................................ 40 Hình 2.4. Diễn biến nhiệt độ của bình nước từ các phương pháp khác nhau........... 40 Hình 2.5. Xác định tương quan mức điều chỉnh góc mở công suất và giá trị công suất đo được từ thiết bị Lab-Volt .................................................................................. 42 Hình 2.6. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ....................................................................... 45 Hình 2.7. Lắp mẫu vào khuôn đo ........................................................................... 46 Hình 2.8. Diễn biến nhiệt độ tại bề mặt mẫu và vị trí z = 0,041 m của BTN và CPĐD GCXM khi mức nhiệt Q = 1 W và Q = 9,01 W tại mặt mẫu và nhiệt độ ở tấm lạnh đáy mẫu 20oC ........................................................................................................ 47 Hình 2.9. Tương quan giữa độ dẫn nhiệt và nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur .................... 49 Hình 2.10. Diễn biến nhiệt độ BTN và CPĐD GCXM ở độ sâu 0,041 m với nhiệt độ bề mặt cố định ở 50oC và 60oC và đáy mẫu cách nhiệt ........................................... 50 Hình 2.11. Kết quả sai số RMSE giữa nhiệt độ đo và nhiệt độ tính tương ứng các giá trị độ khếch tán tại độ sâu 0,041 m với các mức nhiệt độ bề mặt ........................... 51 Hình 2.12. Tương quan giữa độ khuếch tán nhiệt và nhiệt độ bề mặt Tsur............... 52 Hình 3.1. Mô hình KCMĐ thực nghiệm quan trắc nhiệt độ .................................... 57 Hình 3.2. Đường cong cấp phối hạt vật liệu BTN và CPĐD gia cố xi măng .......... 58 Hinh 3.3 Tương quan khối lượng thể tích khô và độ ẩm của: (a) CPĐD Dmax 37,5 và (b) CPĐD GCXM ............................................................................................. 59 Hình 3.4. Một số hình ảnh thi công KCMĐ mô hình thực nghiệm hiện trường ...... 64 Hình 3.5. Sơ đồ tổng quát hoạt động thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ ................ 65 Hình 3.6. Lắp đặt cảm biến quan trắc nhiệt độ KCMĐ .......................................... 67 Hình 3.7. Diễn biến nhiệt độ theo giờ của các phương pháp bảo dưỡng ở ngày bảo dưỡng đầu tiên ....................................................................................................... 68 Hình 3.8. Mô tả dữ liệu nhiệt độ không khí và nhiệt độ tại các độ sâu lớp CPĐD GCXM theo các phương pháp bảo dưỡng trong thời gian 14 ngày ......................... 69 Hình 3.9. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến diễn biến nhiệt độ trong CPĐD GCXM .................................................................................................................. 71 Hình 3.10. Cường độ chịu nén và chịu ép chẻ của mẫu sau 14 ngày bảo dưỡng theo các phương pháp khác nhau ................................................................................... 73 ix Hình 3.11. Vết nứt xuất hiện trên lớp CPĐD GCXM sau 20 ngày bảo dưỡng bằng phương pháp nhũ tương ......................................................................................... 74 Hình 3.12. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo tháng .......................... 76 Hình 3.13. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo giờ .............................. 77 Hình 3.14. Diễn biến nhiệt tại các độ sâu trong lớp BTN và CPĐD GCXM .......... 78 Hình 3.15. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo độ sâu: (a) dữ liệu toàn bộ; (b) dữ liệu trừ ngày mưa .................................................................................. 80 Hình 4.1. Thu thập dữ liệu khí hậu tại các Trung tâm, Đài khí tượng thủy văn ...... 89 Hình 4.2. Thống kê dữ liệu nhiệt độ không khí theo từng tháng trong năm ............ 90 Hình 4.3. Thống kê dữ liệu nhiệt độ không khí theo giờ trong ngày ....................... 90 Hình 4.4. Diễn biến nhiệt độ trung bình KCMĐ với nhiệt độ không khí theo thời gian .....................................................