(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khai thác của mặt đường btxm đường ô tô và sân bay trong điều kiện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM DUY LINH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH
HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC CỦA MẶT
ĐƯỜNG BTXM ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ SÂN BAY TRONG
ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2021

luan an


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHẠM DUY LINH

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH
HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC CỦA MẶT
ĐƯỜNG BTXM ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ SÂN BAY TRONG
ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG
MÃ SỐ: 9.58.02.05
CHUN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Chữ ký giáo viên hướng dẫn

1.

TS Vũ Đức Sỹ

2.

GS.TS Phạm Cao Thăng

HÀ NỘI – 2021

luan an


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 cơng trình nào khác, ngồi những bài báo và nghiên cứu khoa học mà tác giả và
những người cùng nghiên cứu công bố.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo
đúng quy định.
Tác giả

Phạm Duy Linh

luan an

ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Vũ Đức Sỹ và GS.TS Phạm Cao
Thăng đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt và giúp đỡ tác giả với những chỉ dẫn khoa học giá
trị, đồng thời thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá
trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Giáo Sư, Phó giáo sư, Tiến sỹ, các chuyên gia và
các nhà khoa học trong và ngoài trường Đại học Giao thơng Vận tải đã chỉ dẫn, đóng góp
ý kiến để luận án được hồn thiện.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới trường Đại học Giao thơng Vận tải, phịng
Đào tạo Sau đại học, bộ môn Đường bộ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thơng Vận
tải, Viện kỹ thuật cơng trình đặc biệt và Bộ môn Cầu – đường Sân bay – Học viện Kỹ
thuật Quân sự đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo bộ môn Đường ô tô và Sân Bay và Bộ môn
Đường Bộ – trường Đại học Giao thông Vận tải và các thầy cô giáo đồng nghiệp trong
Bộ mơn đã tạo điều kiện, tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu thực hiện
luận án.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và 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

Phạm Duy Linh

luan an


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ II
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
1.

........................................................................................................... III
............................................................................................................. 1
Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu ....................................................... 1

2.

Mục đích nghiên cứu: ............................................................................ 2

3.

Nội dung nghiên cứu: ............................................................................ 2

4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu: ........................... 2

5.

Bố cục luận án: ...................................................................................... 3

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU
LỚP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG BÁNH XE VÀ NHIỆT ĐỘ MÔI

TRƯỜNG
............................................................................................................. 4
1.1.
Cấu tạo chung mặt đường BTXM .......................................................... 4
1.1.1.

Cấu tạo điển hình mặt đường BTXM ....................................................... 4

1.1.2.

Nguyên nhân gây hư hỏng làm suy giảm chất lượng khai thác mặt đường

BTXM ................................................................................................................ 6
1.2.

Tính tốn tấm BTXM mặt đường hệ nhiều lớp ...................................... 7

1.2.1.

Các phương pháp tính tốn theo quy trình thiết kế của Việt Nam ............ 7

1.2.1.1 Phương pháp tính tốn thiết kế của Việt Nam theo quy trình 22 TCN 22395 [2]

................................................................................................................ 7

1.2.1.2 Phương pháp tính tốn thiết kế theo Quy định tạm thời về thiết kế mặt
đường BTXM thơng thường có khe nối trong xây dựng cơng trình giao thơng QĐ
3230/2012 [1] ....................................................................................................... 7
1.2.1.3 Phương pháp tính tốn thiết kế mặt đường BTXM nhiều lớp mặt đường
sân bay theo TCVN 10907-2015 [3] ..................................................................... 9

1.2.1.4 Một số nghiên cứu tính tốn mặt đường BTXM hệ nhiều lớp tại Việt Nam
[10, 11, 15] ........................................................................................................... 9
1.2.2.

Các phương pháp tính tốn thiết kế mặt đường BTXM hệ hai lớp có khe

nối trên thế giới................................................................................................... 10

luan an


iv
1.2.2.1 Tính tấm BT mặt đường theo phương pháp bán thực nghiệm theo
Westergaard [16, 39].......................................................................................... 10
1.2.2.2 Tính tấm bê tơng mặt đường theo quy trình thiết kế mặt đường cứng nhiều
lớp của Nga [52, 55, 62, 67] ................................................................................ 10
1.2.2.3 Phương pháp tính tốn thiết kế theo AASHTO [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 36, 37]........................................................................................................... 11
1.2.2.4 Phương pháp cơ học thực nghiệm của Mỹ [33, 42, 45] .......................... 12
1.2.2.5 Theo cục hàng không liên bang Mỹ (FAA) [41, 43] .............................. 12
1.2.2.6 Theo phương pháp tính tốn trong quy trình thiết kế của Ấn độ............. 13
1.2.2.7 Theo quy trình thiết kế mặt đường cứng của Trung Quốc JTG D40-2011
[78]

.............................................................................................................. 14

1.2.3.

Một số phần mềm tính tốn kết cấu mặt đường trên nền biến dạng ........ 14

1.2.4.

Nhận xét chung: .................................................................................... 14

1.3.

Tính tốn tấm BTXM dưới ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường ........ 15

1.3.1.

Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ với mặt đường BTXM ..................... 15

1.3.1.1 Gradient nhiệt độ và hiện tượng uốn vồng tấm BTXM do gradient nhiệt 15
1.3.1.2 Tấm BT bị co dãn khi nhiệt độ thay đổi theo mùa trong năm ................. 17
1.3.2.

Các phương pháp tính tốn Gradient nhiệt độ ........................................ 18

1.3.2.1 Phương pháp tính tốn gradient nhiệt theo tiêu chuẩn 22TCN 223-95 [2] ..
.............................................................................................................. 18
1.3.2.2 Phương pháp tính toán gradient nhiệt tấm BTXM theo Quyết định số
3230/QĐ-BGTVT [1] ......................................................................................... 18
1.3.2.3 Phương pháp tính tốn ứng suất nhiệt tấm BTXM cho mặt đường sân bay
theo tiêu chuẩn TCVN 10907-2015 [3] ............................................................... 19
1.3.2.4 Phương pháp tính tốn ứng suất nhiệt tấm bê tơng xi măng có xét ảnh
hưởng nhiệt độ theo Mỹ (Theo tiêu chuẩn AASHTO-1998 [21, 22]) .................. 20
1.3.2.5 Tính tốn ảnh hưởng của nhiệt độ trong tấm bê tơng xi măng mặt đường
theo quy trình thiết kế mặt đường BTXM của Nga [52, 58, 65]........................... 20
1.3.3.

Quy định bố trí khe dãn trên mặt đường BTXM .................................... 23

1.3.3.1 Theo quy định của hiệp hội mặt đường BTXM Mỹ [22, 25, 26, 27, 30, 31,
32, 34, 38, 40, 45] ............................................................................................... 23
1.3.3.2 Theo Cục hàng không liên bang Mỹ [16, 18, 20] ................................... 24

luan an


v
1.3.3.3 Theo quy trình thiết kế mặt đường của Ấn độ [28, 35] ........................... 24
1.3.3.4 Theo quy trình thiết kế mặt đường của một số nước khác [17, 34, 45] ... 24
1.3.3.5 Theo quy trình thiết kế mặt đường BTXM của Nga [52, 53, 55, 56, 62,
63, 65] .............................................................................................................. 25
1.3.3.6 Theo quy trình thiết kế mặt đường cứng của Trung Quốc JTG D40/2011
[78]

.............................................................................................................. 25

1.3.3.7 Trong TCVN 10907/2015 quy định [3]: ................................................ 26
1.3.3.8 Trong QĐ 3230/2012 quy định bố trí các khe co, dãn dãy tấm mặt đường
[1]

.............................................................................................................. 26

1.3.3.9 Trong TCVN 9345/2012 [4], quy định bố trí khe dãn trong tấm BTXM 27
1.3.3.10 Thực tế bố trí khe dãn dãy tấm BTXM mặt đường tại Việt Nam............ 27
1.3.4.

Một số cơng trình, các nghiên cứu khác về gradient nhiệt và khoảng cách

các khe co, dãn mặt đường BTXM ở Việt Nam và trên thế giới .......................... 31
1.3.5.

Nhận xét chung ..................................................................................... 32

1.4.

Những vấn đề cần nghiên cứu làm rõ trong tính tốn thiết kế mặt

đường BTXM trong điều kiện Việt Nam ............................................................ 32
1.4.1.

Ảnh hưởng của lớp cách ly trong kết cấu mặt đường hệ nhiều lớp ......... 32

1.4.2.

Tính tốn trường nhiệt độ theo chiều sâu tấm với các tấm có chiều dày

khác nhau: .......................................................................................................... 32
1.4.3.

Tính tốn sự cần thiết và khoảng cách u cầu đối với khe dãn trên mặt

đường BTXM trong điều kiện khí hậu Việt Nam. ............................................... 33
1.5.

Nội dung nghiên cứu của luận án........................................................ 33

1.6.

Phương pháp nghiên cứu của luận án ................................................. 34

CHƯƠNG II. TÍNH TỐN ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP CÁCH LY
ĐẾN SỰ LÀM VIỆC MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU LỚP ................................ 35
2.1.
Cơ sở lý thuyết tính tốn mặt đường BTXM hệ nhiều lớp có xét ảnh
hưởng của lớp cách ly........................................................................................ 35
2.2.

Khảo sát ảnh hưởng của biến dạng của lớp cách ly đến phân bố nội lực

trong các lớp ...................................................................................................... 40
2.2.1.

Khi sử dụng lớp cách ly có chiều dày theo quy định trong cấu tạo ......... 40

2.2.2.

Tính tốn mặt đường BTXM sử dụng lớp cách ly có chiều dày

lớn...........................................................................................................................42
2.2.2.1. Xây dựng chương trình tính tốn khảo sát biến dạng lớp cách ly ........... 42

luan an


vi
2.2.2.2. Khảo sát đánh giá độ tin cậy của phương pháp tính đề xuất ................... 47
2.2.3.

Khảo sát ảnh hưởng của lớp cách ly có chiều dày khác nhau ................. 53

2.2.3.1. Sử dụng lớp cách ly bằng vật liệu Bitum- cát và Đá cát nhựa (SAMI) ... 53
2.2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp cách ly từ BTNC đến ứng suất biến
dạng trong lớp BTXM khi thay đổi chiều dày lớp cách ly ................................... 67
2.2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng biến dạng lớp cách ly từ BTNC đến ứng suất biến
dạng trong lớp BTXM khi thay đổi nhiệt độ trong lớp cách ly ............................ 74
2.3.

Kết luận chương II ............................................................................... 76

CHƯƠNG III. TÍNH TỐN GRADIENT NHIỆT ĐỘ TRONG TẤM BTXM MẶT
ĐƯỜNG VỚI CÁC CHIỀU DÀY TẤM KHÁC NHAU TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT
NAM
........................................................................................................... 78
3.1.
Tính tốn phân bố nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường trong điều
kiện Việt Nam .................................................................................................... 78
3.1.1.

Nhiệt độ môi trường tác động lên bề mặt tấm bê tông mặt đường .......... 78

3.1.2.

Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm bê tông ......................................... 79

3.2.

Khảo sát hiện trường xác định phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm BT

mặt đường tại khu vực TP Hà Nội..................................................................... 82
3.3.

Tính tốn phân bố trường nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường trong

điều kiện Việt Nam ............................................................................................ 85
3.4.

Xây dựng các cơng thức tính tốn gradient nhiệt độ và nhiệt độ trung

bình trong tấm BTXM mặt đường ................................................................... 103
3.4.1.

Giới thiệu phần mềm Mınitab và Phân tích hồi quy : ........................... 103

3.4.2.

Tính tốn xác định gradient nhiệt trong tấm BT mặt đường với các chiều

dày khác nhau ................................................................................................... 104
3.4.3.

Tính tốn nhiệt độ trung bình theo chiều sâu trong tấm bê tơng mặt

đường

............................................................................................................ 111

3.4.4.

Nhận xét ............................................................................................. 115

3.5.

Tính tốn khe dãn mặt đường BTXM ................................................ 116

3.5.1.

Cơ sở tính tốn sự cần thiết bố trí khe dãn trên mặt đường bê tơng xi

măng

............................................................................................................ 116

3.5.2.

Cơ sở tính tốn khoảng cách khe dãn mặt đường BTXM ..................... 119

3.6.

Kết luận chương III ........................................................................... 121

luan an


vii
CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TỐN MẶT ĐƯỜNG BTXM
TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ............................................................................ 123
4.1.

Tính tốn xác định chiều dày hợp lý lớp cách ly trong điều kiện Việt
Nam

............................................................................................................ 123

4.2.

Khảo sát tính tốn ứng suất nhiệt trong tấm BTXM mặt đường theo

phương pháp xác định giá trị gradient nhiệt đề xuất ...................................... 127
4.2.1.

Tính tốn ứng suất kéo uốn do chênh lệch nhiệt độ gây ra theo (QĐ

3230/2012) ....................................................................................................... 127
4.2.2.

Ứng dụng tính tốn ứng suất kéo uốn trong tấm BT mặt đường do chênh

lệch nhiệt độ gây ra với gradient nhiệt độ xác định theo cơng thức (3.5): .......... 129
4.2.3.

Tính toán ứng suất nhiệt trong tấm BT mặt đường sân bay .................. 130

4.3.

Ứng dụng tính tốn khe dãn mặt đường BTXM ................................ 134

4.3.1.

Tính tốn với mặt đường ơ tơ .............................................................. 134

4.3.1.1. Tính tốn sự cần thiết bố trí khe dãn .................................................... 134
4.3.1.2. Tính tốn khoảng cách khe dãn mặt đường ơtơ .................................... 136
4.3.2.

Tính tốn với mặt đường sân bay......................................................... 137

4.3.2.1. Tính tốn sự cần thiết bố trí khe dãn .................................................... 137
4.3.2.2. Tính tốn khoảng cách các khe dãn mặt đường sân bay ....................... 139
4.4.

Kết luận chương IV ............................................................................ 140

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 141
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH TÁC GIẢ THAM GIA ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN................................................................................... 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 144

luan an


viii
MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.
Cấu tạo chung mặt đường BTXM thường có khe nối [1] ......................... 4
Hình 1.2.
Ứng suất trong tấm BT chịu tải trọng xe và nhiệt độ .............................. 16
Hình 1.3.
Tấm BTXM co dãn khi nhiệt độ thay đổi theo mùa trong năm............... 17

Hình 1.4.
Cấu tạo điển hình khe dãn mặt đường BTXM sân bay Vân Đồn Quảng
Ninh
.............................................................................................................. 26
Hình 1.5.
Hình ảnh nứt vỡ cạnh tấm BT tại cạnh khe dãn mặt đường RBT đường Lê
Văn Lương, TP Hà Nội (2017). ..................................................................................... 28
Hình 1.6.
Hình ảnh nứt vỡ tấm BT tại cạnh khe dãn mặt đường sân bay Tân Sơn
Nhất (7/2018). .............................................................................................................. 28
Hình 1.7.
Hình ảnh nứt vỡ cạnh tấm BT tại cạnh khe dãn mặt đường sân bay Đà
Nẵng (2018). .............................................................................................................. 29
Hình 2.1.
Sơ đồ làm việc mặt đường BTXM hai lớp (có lớp cách ly) .................... 36
Hình 2.2.
Sơ đồ làm việc của hệ hai lớp mặt đường BTXM chịu uốn có lớp cách ly .
.............................................................................................................. 38
Hình 2.3.
Sơ đồ chia lưới sai phân lớp trên ........................................................... 44
Hình 2.4.
Sơ đồ vị trí các điểm nút lưới lớp trên theo PP SPHH ............................ 44
Hình 2.5.
Sơ đồ khối chương trình tính MLCP ...................................................... 46
Hình 2.6.
Mơ phỏng mặt võng lớp trên ................................................................. 51
Hình 2.7.
Mơ phỏng mặt võng lớp dưới ................................................................ 51
Hình 2.8.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu ............................... 52

Hình 2.9.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát
(hcl=0,5cm)
.............................................................................................................. 55
Hình 2.10.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là
bitum-cát (hcl=0,5cm) .................................................................................................... 55
Hình 2.11.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát
(hcl=1,0cm)
.............................................................................................................. 56
Hình 2.12.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là
bitum-cát (hcl=1,0cm) .................................................................................................... 56
Hình 2.13.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát
.............................................................................................................. 57
(hcl=1,5cm)
Hình 2.14.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là
bitum-cát (hcl=1,5cm) .................................................................................................... 57
Hình 2.15.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là bitum-cát
(hcl=2,0cm)
.............................................................................................................. 58
Hình 2.16.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là
bitum-cát (hcl=2,0cm) .................................................................................................... 58
Hình 2.17.
Biểu đồ độ võng lớp BTXM (bitum-cát; hcl=0,5-2,0cm) ....................... 60

Hình 2.18.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn lớp BTXM (bitum-cát; hcl=0,5-2,0cm) ......... 60
Hình 2.19.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI
(hcl=1,5cm)
.............................................................................................................. 62
Hình 2.20.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là
SAMI (hcl=1,5cm) ......................................................................................................... 62
Hình 2.21.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu với lớp cách ly là SAMI (hcl
=2,0 cm)
.............................................................................................................. 63

luan an


ix
Hình 2.22.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu với lớp cách ly là
SAMI (hcl =2,0 cm) ....................................................................................................... 63
Hình 2.23.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI (hcl
=2,5 cm)
.............................................................................................................. 64
Hình 2.24.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là
SAMI (hcl =2,5 cm) ....................................................................................................... 64
Hình 2.25.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là SAMI (hcl

=3,0 cm)
.............................................................................................................. 65
Hình 2.26.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là
SAMI (hcl=3,0 cm) ........................................................................................................ 65
Hình 2.27.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC
(hcl =3,0cm) .............................................................................................................. 69
Hình 2.28.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng
BTNC (hcl=3,0cm) ........................................................................................................ 69
Hình 2.29.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC
(hcl =4,0 cm) .............................................................................................................. 70
Hình 2.30.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng
BTNC (hcl =4,0 cm) ....................................................................................................... 70
Hình 2.31.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng BTNC (hcl
=5,0 cm)
.............................................................................................................. 71
Hình 2.32.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly bằng
BTNC (hcl =5,0 cm) ....................................................................................................... 71
Hình 2.33.
Biểu đồ độ võng trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là BTNC (hcl
=6,0 cm)
.............................................................................................................. 72
Hình 2.34.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong các lớp của kết cấu khi lớp cách ly là

BTNC (hcl =6,0 cm) ....................................................................................................... 72
Hình 2.35.
Biểu đồ ứng suất kéo uốn trong lớp BTXM với các mức nhiệt độ bề mặt
khác nhau(ứng các chiều dày lớp cách ly từ 3-6 cm) ...................................................... 75
Hình 3.1.
Sơ đồ lưới sai phân tính nhiệt độ lan truyền trong tấm BT. .................... 81
Hình 3.2.
Mơ hình thiết bị và cách bố trí thiết bị đo trong tấm BT......................... 82
Hình 3.3.
Một số hình ảnh về hệ thống đầu đo và đồ gá ........................................ 82
Hình 3.4.
Một số hình ảnh chuẩn bị lắp đặt thiết bị đo. ......................................... 83
Hình 3.5.
Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị đo. ........................................................ 83
Hình 3.6.
Một số hình ảnh dây đo được đưa ra hộp kỹ thuật.Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.7.
Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 40cm thay đổi theo các giờ trong ngày
ở các độ sâu khác nhau. ................................................................................................. 88
Hình 3.8.
Phân bố nhiệt theo chiều sâu tấm 40 cm ở các giờ khác nhau trong ngày. .
.............................................................................................................. 89
Hình 3.9.
Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 22cm thay đổi theo các giờ trong ngày
ở các độ sâu khác nhau. ................................................................................................. 92
Hình 3.10.
Phân bố nhiệt theo chiều sâu tấm 22cm ở các giờ khác nhau trong ngày.93
Hình 3.11.
Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 26cm thay đổi theo các giờ trong ngày

ở các độ sâu khác nhau. ................................................................................................. 95
Hình 3.12.
Phân bố nhiệt theo chiều sâu tấm 26cm ở các giờ khác nhau trong ngày.96
Hình 3.13.
Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 30 cm thay đổi theo các giờ trong ngày
ở các độ sâu khác nhau. ................................................................................................. 98

luan an


x
Hình 3.14.
Phân bố nhiệt theo chiều sâu tấm dày 30 cm ở các giờ khác nhau trong
ngày.
.............................................................................................................. 99
Hình 3.15.
Trường nhiệt độ trong tấm BT dày 36 cm thay đổi theo các giờ trong ngày
ở các độ sâu khác nhau. ............................................................................................... 101
Hình 3.16.
Phân bố nhiệt độ theo chiều xâu trong tấm BTXM dày 36 cm trong các
giờ khác nhau trong ngày. ........................................................................................... 102
Hình 3.17.
Biểu đồ quan hệ gradient nhiệt với chiều dày tấm BT .......................... 108
Hình 3.18.
Biểu đồ quan hệ gradient nhiệt với chiều dày tấm BT .......................... 109
Hình 3.19.
Biểu đồ so sánh gradinet nhiệt đơn vị của hai phương pháp tính theo đề
xuất và theo QĐ 3230 .................................................................................................. 110
Hình 3.20.
Biểu đồ quan hệ nhiệt độ trung bình Ttb trong tấm với chiều dày tấm BT

0
(với Tbm=65 C) ........................................................................................................... 114
Hình 3.21.
Cấu tạo khe dãn theo [75] . .................................................................. 116
Hình 3.22.
Hiện tượng chèn kích đẩy trồi tấm bê tơng mặt đường tại Mỹ [74] ...... 119
Hình 4.1.
Biểu đồ so sánh ứng suất kéo uốn do nhiệt độ gây ra ........................... 130
Hình 4.2.
Đồ thị xác định hệ số Cx,Cy ................................................................. 133

luan an


xi
MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1.
Kết quả thí dụ tính gradient nhiệt đơn vị Tg ........................................... 22
Bảng 1.2.
Bảng quy định khoảng cách khe dãn ...................................................... 25
Bảng 2.1.
Kết quả tính tốn độ võng tại các nút lưới của lớp trên (cm). ................. 49
Bảng 2.2.
Kết quả tính tốn độ võng tại các nút lưới của lớp dưới (cm): ................ 50
Bảng 2.3.
Kết quả tính toán độ võng và ứng suất các lớp: ...................................... 51
Bảng 2.4.
So sánh kết quả tính ứng suất kéo uốn lớn nhất tại đáy giữa tấm BTXM
bằng các phương pháp khác nhau: ................................................................................. 52
Bảng 2.5.

Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly Bitum – Cát (hcl =0.5 cm) .............................................................. 55
Bảng 2.6.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly Bitum – Cát (hcl =1,0 cm) .............................................................. 56
Bảng 2.7.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly Bitum – Cát (hcl =1,5 cm) .............................................................. 57
Bảng 2.8.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly Bitum – Cát (hcl =2,0 cm) .............................................................. 58
Bảng 2.9.
Bảng tổng hợp kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng
Bitum- cát đến ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM ........................................................ 59
Bảng 2.10.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng Bitum- cát
đến độ võng và ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM ....................................................... 59
Bảng 2.11.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly SAMI (hcl=1,5 cm) ........................................................................ 62
Bảng 2.12.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly là SAMI (hcl =2,0 cm).................................................................... 63
Bảng 2.13.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly là SAMI (hcl =2,5 cm).................................................................... 64
Bảng 2.14.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly là SAMI (hcl =3,0 cm).................................................................... 65
Bảng 2.15.

Bảng tổng hợp kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng
SAMI đến ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM .............................................................. 66
Bảng 2.16.
Kết quả tính tốn khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng
SAMI đến độ võng và ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM ............................................ 66
Bảng 2.17.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly BTN (hcl =3,0 cm) ......................................................................... 69
Bảng 2.18.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly là BTNC (hcl =4,0 cm) ................................................................... 70
Bảng 2.19.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly là BTNC (hcl =5,0 cm) ................................................................... 71
Bảng 2.20.
Kết quả tính độ võng và ứng suất kéo uốn tại tâm tải trọng các lớp trên và
dưới với lớp cách ly là BTNC (hcl =6,0 cm) ................................................................... 72
Bảng 2.21.
Bảng tổng hợp kết quả khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng
BTNC đến ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM .............................................................. 73
Bảng 2.22.
Kết quả tính tốn khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp cách ly bằng
BTNC đến độ võng và ứng suất kéo uốn trong tấm BTXM............................................ 73
Bảng 2.23.
Tính tốn mơ đun đàn hồi BTN phụ thuộc với nhiệt độ bề mặt .............. 74

luan an


xii

Bảng 2.24.
Ứng suất kéo uốn trong lớp BTXM (ứng với nhiệt độ bề mặt) theo chiều
dày lớp cách ly bằng BTNC ........................................................................................... 75
Bảng 3.1.
Số liệu bức xạ mặt trời và nhiệt độ trung bình của khơng khí tại một số địa
phương ở Việt Nam (QCVN 2:2009). ............................................................................ 79
Bảng 3.2.
Kết quả thực nghiệm hiện trường tấm BTXM dày 40 cm trung bình 7
ngày nóng nhất trong năm 2018 ....................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.3.
Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 40 cm. .................................... 87
Bảng 3.4.
Bảng so sánh chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy tấm BTCM 40 cm
và gradient nhiệt giữa tính tốn và khảo sát thực tế ....................................................... 90
Bảng 3.5.
Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 22 cm và phân bố theo giờ trong
ngày
.............................................................................................................. 91
Bảng 3.6.
Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 26 cm và phân bố theo giờ trong
ngày
.............................................................................................................. 94
Bảng 3.7.
Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 30 cm và phân bố theo giờ trong
ngày
.............................................................................................................. 97
Bảng 3.8.
Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm dày 36 cm và phân bố theo giờ trong
ngày
............................................................................................................ 100

Bảng 3.9.
Bảng thống kê chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy tấm cho các tấm
BTXM có chiều dày khác nhau khu vực TP Hà Nội..................................................... 105
Bảng 3.10.
So sánh gradient nhiệt tính tốn (3.5) và QĐ 3230/2012 ...................... 109
Bảng 3.11.
Bảng nhiệt độ trung bình trong tấm BTXM tại Hà Nội ........................ 112
Bảng 3.12.
Bảng so sánh kết quả nhiệt độ trung bình trong tấm BTXM tại Hà Nội
tính theo cơng thức (3.14) và tính theo QĐ 3230/2012 ................................................. 114
Bảng 3.13.
Trình bày kết quả so sánh theo hai công thức (3.30) và công thức (1.27)
trong [32], trong tính tốn sử dụng ván gỗ chèn khe có mơ đun đàn hồi 7Mpa và cường
độ nén 3Mpa. Tấm BTXM có chiều dày 24cm. Tính cho khí hậu khu vực Hà Nội....... 121
Bảng 4.1.
Kết quả so sánh ứng suất kéo uốn lớn nhất tại đáy tấm BTXM bằng các
phương pháp tính khác nhau ........................................................................................ 125
Bảng 4.2.
Kết quả tính tốn lưu lượng trục xe còn lại cho phép trên mặt đường
BTXM
............................................................................................................ 126
Bảng 4.3.
Bảng kết quả tính tốn σt,max với ∆t tính theo QĐ 3230 ........................ 128
Bảng 4.4.
Bảng kết quả tính tốn σt,max với ∆t tính theo (3.5) ............................... 129
Bảng 4.5.
So sánh kết quả tính ứng suất nhiệt uốn vồng σ t,max (Mpa) theo hai
phương pháp ............................................................................................................ 129
Bảng 4.6.
Tính tốn ứng suất nhiệt uốn vồng tấm theo TCVN10907. .................. 133

Bảng 4.7.
Bảng kết qủa tính tốn kích thước tấm phù hợp mức giới hạn cường độ
30%.
............................................................................................................ 133
Bảng 4.8.
Bảng kết quả kiểm toán sự cần thiết bố trí khe dãn cho mặt đường BTXM
(đường ô tô) với điều kiện nhiệt độ TP Hà Nội ............................................................ 135
Bảng 4.9.
Bảng kết quả kiểm toán sự cần thiết bố trí khe dãn cho mặt đường BTXM
(đường ơ tơ) với điều kiện nhiệt độ khu vực khác ........................................................ 136
Bảng 4.10.
Kết quả tính tốn khoảng cách khe dãn cho mặt đường BTXM đường ô tô
với điều kiện thời tiết tại Hà Nội .................................................................................. 137
Bảng 4.11.
Kết quả tính tốn sự cần thiết bố trí khe dãn cho mặt đường BTXM sân
bay với điều kiện thời tiết tại Hà Nội ........................................................................... 138
Bảng 4.12.
Kết quả tính tốn sự cần thiết bố trí khe dãn cho mặt đường BTXM ( sân
bay) với điều kiện thời tiết khu vực khác ..................................................................... 138

luan an


xiii
Bảng 4.13.
Kết quả tính tốn khoảng cách khe dãn cho mặt đường BTXM sân bay với
điều kiện thời tiết tại Hà Nội ........................................................................................ 139

luan an

xiv
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BTXM
BT
XM
BTN
BTNC

Bê tông xi măng
Bê tông
Xi măng
Bê tông nhựa
Bê tông nhựa chặt
(Stress absorbing membrane interlayer) Lớp vật liệu có
SAMI
khả năng hấp thụ và phân bố lại ứng suất (trong luận án sử
dụng dạng thức đá cát nhựa)
(Califomia Bearing Ratio) Chỉ số biểu thị sức chịu tải của
CBR
đất và vật liệu
QĐ
Quyết định
BGTVT
Bộ Giao Thông Vận Tải
(ACPA)
Hiệp hội Mặt đường xi măng Mỹ
FHWA
Cục Đường bộ liên bang Mỹ

International Civil Aviation Organization (Tổ chức Hàng
(ICAO)
không dân dụng quốc tế)
GTVT
Giao thông vận tải
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
TCXD
Tiêu chuẩn xây dựng
TCN
Tiêu chuẩn ngành
American Association of State Highways and
AASHTO Transportation Officials (Hiệp hội Những người làm
đường và vận tải toàn nước Mỹ)
( Federal Aviation Administration) Cục Hàng không liên
FAA
bang Mỹ
Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (Hướng
ME PDG
dẫn thiết kế mặt đường theo Cơ học thực nghiệm)
SPHH
Sai phân hữu hạn
PTHH
Phần tử hữu hạn
Giáo sư
GS
Tiến sỹ
TS
Tiến sỹ khoa học
TSKH

luan an


1
MỞ ĐẦU
1.

Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu

Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) là một trong các loại kết cấu áo đường cấp cao
mang nhiều ưu điểm nổi bật như sau: Bền vững, tuổi thọ có thể tới 25-30 năm; Cường độ
cao, thích hợp với tất cả các phương tiện; Cường độ mặt đường ít chịu tác động bởi việc
thay đổi nhiệt độ như mặt đường nhựa; Có khả năng chống bào mòn tốt, hệ số bám giữa
bánh xe và mặt đường cao; Ổn định cường độ đối với ẩm và nhiệt, cường độ không
những không bị giảm mà cịn tăng theo thời gian, ít có hiện tượng bị lão hóa như mặt
đường bê tơng nhựa; Chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp. Mặt khác đây là loại kết cấu mặt
đường mà chúng ta có thể chủ động được nguồn nguyên liệu, công nghệ thi công không
quá phức tạp.
Với những ưu điểm như trên mặt đường BTXM có thể áp dụng rộng rãi làm kết cấu
áo đường cho các tuyến đường cấp cao, làm mặt đường trong sân bay và trên các trục
đường ơ tơ có lưu lượng trục xe lớn và nhiều xe tải trọng nặng lưu hành.
Ở Việt Nam hiện nay trong tính tốn thiết kế mặt đường cứng đường ô tô và sân bay
đang sử dụng quy trình tạm thời thiết kế mặt đường BTXM đường ô tô theo QĐ
3230/2012 và TCVN 10907/2015. Tuy nhiên trong thực tế khai thác tại Việt Nam với
nhiều nguyên nhân khác nhau, mặt đường đã xuất hiện một số dạng hư hỏng gây ảnh
hưởng nhất định đến chất lượng khai thác của kết cấu mặt đường ô tô và sân bay. Trong
đó có các hiện tượng nứt vỡ tấm, nứt tại các cạnh tấm cạnh các khe dãn do ứng suất nhiệt.
Các hư hỏng trên làm suy giảm chất lượng tấm BT, suy giảm chất lượng khai thác mặt
đường.

Do các quy trình hiện tại đang được sử dụng tại Việt Nam khơng hồn tồn do
chúng ta tự biên soạn, mà trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn của nước ngoài (quy định
tạm thời theo QĐ 3230/2012 được biên soạn trên cơ sở tham khảo từ quy trình của Trung
Quốc JTG D40-2011 và TCVN 10907/2015 thiết kế mặt đường sân bay, được biên soạn
trên cơ sở tham khảo quy trình thiết kế sân bay của Nga). Đây là các tiêu chuẩn kỹ thuật
phù hợp với điều kiện thực tế của Trung Quốc và của Nga về vật liệu, về điều kiện khí
hậu, trình độ cơng nghệ thi cơng của Trung Quốc và của Nga. Để các quy định về kỹ
thuật trong các quy trình trên phù hợp với điều kiện cụ thể của Việt Nam, liên quan đến
điều kiện vật liệu, điều kiện khí hậu thời tiết, cần tiến hành các nghiên cứu hiệu chỉnh, bổ
sung một số yêu cầu kỹ thuật cho phù hợp với điều kiện của Việt Nam.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế cùng những phân tích nêu trên, đề tài “Nghiên
cứu đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng khai thác của mặt đường
BTXM đường ô tô và sân bay trong điều kiện Việt Nam”, trong luận án chọn hướng
nghiên cứu về một số vấn đề kỹ thuật liên quan sử dụng có hiệu quả lớp cách ly trong kết
cấu mặt đường cứng hệ nhiều lớp và đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến sự
làm việc của tấm BT, là lĩnh vực nghiên cứu cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

luan an


2
2.

Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu làm rõ ảnh hưởng của lớp cách ly trong kết cấu hệ nhiều lớp mặt đường
BTXM đến sự làm việc của mặt đường, từ đó đưa ra các kiến nghị cần thiết về cấu tạo
hợp lý của lớp cách ly trong điều kiện Việt Nam.
Nghiên cứu tính tốn xác định trường nhiệt độ theo chiều sâu và gradient nhiệt độ
giữa bề mặt và đáy tấm BT mặt đường trong điều kiện khí hậu của Việt Nam, phụ thuộc

chiều dày tấm BTXM, trong đó có các tấm BTXM mặt đường có chiều dày lớn như mặt
đường sân bay.
Nghiên cứu tính tốn sự cần thiết phải bố trí khe dãn và tính tốn khoảng cách bố trí
khe dãn trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
3.

Nội dung nghiên cứu:

Nghiên cứu tổng quan các phương pháp tính tốn mặt đường BTXM hệ nhiều lớp
(trường hợp sử dụng lớp móng cứng tham gia chịu kéo uốn cùng mặt đường hoặc trường
hợp tăng cường tấm BTXM trên mặt đường BTXM cũ) có xem xét đến ảnh hưởng của
lớp cách ly và nhiệt độ mơi trường;
Nghiên cứu tính tốn đánh giá ảnh hưởng của lớp cách ly đến phân bố nội lực trong
các lớp mặt đường BTXM, khuyến nghị lựa chọn chiều dày hợp lý lớp cách ly trong điều
kiện Việt Nam;
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp nghiên cứu thực nghiệm hiện trường, xác định trường
nhiệt độ phân bố theo chiều sâu trong tấm BTXM;
Nghiên cứu tính tốn xác định trường nhiệt độ theo chiều sâu và gradient nhiệt độ và
nhiệt độ trung bình theo trong tấm BTXM theo chiều dày tấm, phục vụ tính tốn ứng suất
nhiệt trong tấm BT và tính tốn sự cần thiết bố trí khe dãn của dãy tấm BT mặt đường
ơtơ và sân bay;
Nghiên cứu tính tốn thử nghiệm số, đánh giá lượng hóa ảnh hưởng của lớp cách ly
và nhiệt độ môi trường đến sự làm việc của tấm BTXM mặt đường ôtô và sân bay trong
điều kiện khí hậu khu vực miền Bắc Việt Nam.
4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu:

Ý nghĩa khoa học:

Xây dựng phương pháp tính tốn có thể đánh giá ảnh hưởng của chiều dày và cường
độ lớp cách ly đến sự làm việc của mặt đường BTXM hệ nhiều lớp.
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đo đạc hiện trường đã xác định
phân bố trường nhiệt độ theo chiều sâu tấm BT mặt đường và gradient nhiệt trong tấm
cho từng chiều dày tấm khác nhau. Nghiên cứu xác định sự cần thiết phải bố trí khe dãn
cho dãy tấm BT mặt đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn:

Tính toán kiến nghị chọn loại vật liệu và chiều dày lớp cách ly, phù hợp với điều
kiện khai thác và điều kiện nhiệt độ của Việt Nam;

luan an


3
Tính tốn, xây dựng và đề xuất các cơng thức tính tốn gradient nhiệt và nhiệt độ
trung bình theo chiều sâu trong tấm BT phụ thuộc chiều dày tấm, phục vụ tính tốn ứng
suất nhiệt và xác định khoảng cách giữa các khe dãn dãy tấm, trong điều kiện khí hậu khu
vực TP Hà Nội và các khu vực có điều kiện tương tự ở miền Bắc Việt Nam.
5.

Bố cục luận án:

Nội dung luận án bao gồm các phần như sau:
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan về tính tốn mặt đường BTXM.
Chương 2: Nghiên cứu tính tốn đánh giá sự ảnh hưởng của lớp cách ly đến mặt
đường BTXM hệ nhiều lớp
Chương 3: Nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến sự
làm việc của mặt đường BTXM trong điều kiện Việt Nam

Chương 4: Ứng dụng tính tốn mặt đường BTXM trong điều kiện Việt Nam
Kết luận và kiến nghị

luan an


4
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN MẶT ĐƯỜNG BTXM HỆ NHIỀU
LỚP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG BÁNH XE VÀ NHIỆT ĐỘ
MÔI TRƯỜNG
Mặt đường BTXM một trong hai loại kết cấu mặt đường cấp cao được sử dụng phổ
biến cho đường ô tô và sân bay trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng. Tuy
nhiên trong quá trình khai thác kết cấu mặt đường BTXM cho đường ô tô và sân bay tại
Việt Nam vẫn xuất hiện những hư hỏng, xuống cấp làm ảnh hưởng đến chất lượng khai
thác của loại kết cấu mặt đường này. Chương I đi vào giới thiệu và phân tích sự làm việc
của mặt đường BTXM hệ nhiều lớp dưới tác dụng của tải trọng bánh xe và ảnh hưởng
của nhiệt độ môi trường và các nguyên nhân dẫn đến các hiện tượng hư hỏng xuống cấp
của kết cấu mặt đường có gây ảnh hưởng đến chất lượng khai thác mặt đường BTXM làm
cơ sở để tiếp tục nghiên cứu ở các chương tiếp theo.
1.1.

Cấu tạo chung mặt đường BTXM

1.1.1. Cấu tạo điển hình mặt đường BTXM
Mặt đường BTXM có cấu tạo chung bao gồm các bộ phận cụ thể như hình sau:

Hình 1.1.

Cấu tạo chung mặt đường BTXM thường có khe nối [1]

1. Tấm BTXM lớp trên
Đây là bộ phận chính của kết cấu mặt đường bằng BTXM thường. Chiều dày tấm và
kích thước tấm được xác định theo tính toán (chiều dày tối thiểu là 18cm) theo điều kiện
chịu tải trọng khai thác và ứng suất do nhiệt độ;
BTXM làm lớp mặt trên có cường độ chịu kéo uốn theo u cầu tính tốn có cường
độ nén tối thiểu đối với đường ô tô là 30 MPa và đối với kết cấu mặt đường sân bay là
35Mpa. Lớp mặt BTXM có thể có một hoặc nhiều lớp, tùy theo yêu cầu khai thác.

luan an


5
Để tránh nứt vỡ tấm do ứng suất nhiệt độ môi trường gây ra, mặt đường BT được
phân chia thành các tấm nhỏ bằng các khe co ngang và dọc.
2. Lớp cách ly
Mặt đường BTXM có thể là mặt đường một lớp hoặc nhiều lớp (khi xây dựng mới
nhưng lớp BT có chiều dày lớn, phải thi cơng thành từng lớp hoặc khi tăng cường lớp BT
mới trên lớp BT hiện hữu). Giữa các lớp thường có bố trí lớp cách ly, lớp cách ly là lớp
có vai trị tạo phẳng và cách ly để đảm bảo tấm BTXM có thể di chuyển với lớp móng khi
có thay đổi về nhiệt độ gây co dãn tấm, nhằm hạn chế lực ma sát, thường được làm bằng
1-2 lớp giấy dầu, cát trộn nhựa; đá cát nhựa (SAMI) hoặc BTN.
3. Lớp móng trên
Lớp này theo quy định tại các tài liệu tham khảo [1, 3] được làm từ BT nghèo, cát
gia cố XM hoặc đá dăm gia cố XM có tham gia chịu kéo uốn với lớp mặt là tấm BTXM
(cá biệt đối với trường hợp nhu cầu giao thông rất thấp có thể làm bằng CPĐD khi đó lớp
này khơng tham gia chịu kéo với tấm BTXM)
Lớp móng bê tơng được làm bằng BT nghèo mác 10 ÷ 15 MPa hoặc bằng cát- đá gia
cố XM. Lớp móng BT nghèo sẽ cùng tham gia chịu kéo uốn với lớp mặt. Lớp móng cátđá gia cố XM, theo các tài liệu tham khảo [49, 55, 56] khi hàm lượng xi măng cao (trên
7%) lớp móng sẽ cùng tham gia chịu kéo uốn với lớp mặt.
4. Lớp móng dưới

Tùy thuộc vào quy mơ giao thơng thiết kế có thể bố trí thêm lớp móng dưới (lớp đáy
móng) để đảm bảo khả năng thốt nước và khả năng chịu lực của nền đường tránh sự phá
hoại do tải trọng trong nền đường, thường được làm bằng các vật liệu rời rạc như đá dăm,
hỗn hợp cát sỏi.
5. Nền đất
Đối với lớp trên của nền đường vật liệu đắp cần đạt tối thiểu sức chịu tải CBR > 6 và
độ chặt K≥ 98 đối với 30 hoặc 50 (cm) trên cùng của nền tùy thuộc vào cấp đường.
6. Các khe nối trong mặt đường BTXM
Trên mặt đường BTXM thường, được bố trí các loại khe co và khe dãn, mục đích là
để giảm thiểu ảnh hưởng của ứng suất nhiệt xuất hiện trong tấm BTXM.
Các khe co gồm các khe dọc và các khe ngang:
− Khe co dọc được bố trí khoảng cách bằng chiều rộng làn xe, có loại sử dụng
khe co kiểu ngàm hoặc có loại sử dụng thép liên kết để tránh chuyển dịch ngang của tấm.
− Khe co ngang được bố trí theo tính tốn, khe có sử dụng thép truyền lực để
truyền tải trọng sang tấm liền kề, có hai loại khe co ngang là khe co giả và khe thi công
(khe co suốt).

luan an


6
Khe dãn theo phương ngang dãy tấm. Mục đích của khe dãn là tại điều kiện để dãy
tấm có thể dãn dài khi nhiệt độ tăng. Cấu tạo của khe dãn là khoảng hở giữa hai mép tấm
từ 2-2,5 (cm) là không gian để tấm dãn nở. Khe sử dụng thép tuyền lực, bằng thép trơn,
một đầu thép có bố trí mũ nhựa để thép co dãn.
1.1.2. Nguyên nhân gây hư hỏng làm suy giảm chất lượng khai thác mặt
đường BTXM
Chất lượng khai thác mặt đường BTXM theo quy định trong [1,3,55] là tấm BTXM
có cường độ và độ bằng phẳng bề mặt và các yêu cầu cấu tạo khác, đáp ứng yêu cầu trong
suốt quá trình khai thác của mặt đường theo quy định của thiết kế. Trong thực tế khai

thác, dưới tác dụng của tải trọng và điều kiện khí hậu, mặt đường BTXM thường bị xuất
hiện một số hư hỏng sau: Nứt tấm (nứt dọc, nứt ngang), vỡ ở góc và cạnh tấm. Khi xuất
hiện hư hỏng này xuất hiện sẽ làm suy giảm chất lượng khai thác của mặt đường BTXM.
Các nguyên nhân chính gây ra tình trạng hư hỏng xuống cấp của mặt đường BTXM bao
gồm các nguyên nhân sau:
Do tải trọng xe: Dưới tác dụng của xe chạy, do tấm bê tông xi măng có độ cứng lớn
nên tấm sẽ bị uốn, khi ứng suất kéo uốn trong tấm BT khi vượt quá cường độ kéo uốn cho
phép của tấm, có thể gây nứt tấm BTXM. Mặt khác dưới tác dụng trực tiếp của bánh xe
mặt đường BTXM cịn có thể xuất hiện một số dạng thức hư hỏng khác như bị mài mòn,
bong bật mất mát vật liệu.
Do điều kiện khí hậu: sự thay đổi nhiệt độ theo các mùa trong năm sẽ làm nhiệt độ
bản thân tấm BTXM tăng hoặc giảm đều và nếu tấm không dãn hoặc co tự do được thì sẽ
phát sinh ứng suất nhiệt rất lớn; sự biến đổi nhiệt độ trong ngày sẽ dẫn đến chênh lệch
nhiệt độ giữa bề mặt và đáy tấm gây ra hiện tượng uốn vồng vào ban ngày khi nhiệt độ bề
mặt tấm BTXM cao hơn nhiệt độ đáy tấm và hiện tượng uốn võng vào ban đêm khi nhiệt
độ bề mặt tấm BTXM thấp hơn nhiệt độ đáy tấm. Khi quá trình uốn tấm bị cản trở bởi
trọng lượng bản thân tấm BTXM hoặc do lực ma sát đáy tấm, có thể gây ra nứt trong tấm
BTXM do ứng suất nhiệt. Ngoài ra chế độ mưa cũng là một nhân tố có thể ảnh hưởng đến
tính bền vững của kết cấu nền và mặt đường BTXM.
Điều kiện khai thác, thi công cũng là một nguyên nhân gây hư hỏng suy giảm chất
lượng khai thác cho mặt đường BTXM trong đó bao gồm các yếu tố chính: Chất lượng
vật liệu mặt đường BTXM phải làm việc trong điều kiện thường xuyên chịu những tác
dụng khắc nghiệt của tải trọng và các yếu tố mơi trường. Do đó để đảm bảo mặt đường
BTXM đủ bền vững thì bản thân hỗn hợp vật liệu BTXM phải tốt, phải có đủ các phẩm
chất cần thiết về cường độ, về khả năng chịu bào mòn, về khả năng chống nứt, về khả
năng chống xâm thực và cả khả năng dính bám với cốt thép. Vật liệu làm mặt đường
BTXM khơng đảm bảo được các tính chất trên sẽ gây hư hỏng, phá hoại kết cấu mặt
đường; Chất lượng thi công xấu gây ảnh hưởng nhiều đến bộ bền vững của kết cấu mặt
đường BTXM.

luan an


7
Một nguyên nhân khác gây hư hỏng làm suy giảm chất lượng khai thác mặt đường
BTXM có thể kể đến là các giải pháp kỹ thuật được áp dụng trong thiết kế chưa phù hợp
với điều kiện khai thác và điều kiện khí hậu thực tế của kết cấu áo đường, sẽ là nguyên
nhân gây ra các hư hỏng sớm trong các lớp kết cấu mặt đường BTXM, đặc biệt đối với hệ
nhiều lớp: lựa chọn chiều dày các lớp chưa phù hợp với phân bố nội lực giữa các lớp (có
lớp thì phải chịu đựng phân bố ứng suất lớn hơn so với cường độ cho phép trong khi tồn
tại những lớp có ứng suất nhỏ hơn rất nhiều cường độ cho phép), bố trí cấu tạo lớp cách
ly chưa phù hợp với vai trò chỉ là lớp cấu tạo của hệ nhiều lớp, khi bố trí chiều dày lớp
cách ly lớn hơn quy định theo cấu tạo, sẽ gây ra phân bố lại nội lực trong các lớp, làm
tăng ứng suất cho lớp BTXM, hoặc lựa chọn kích thước tấm, khoảng cách các khe co dãn
chưa phù hợp với điều kiện nhiệt độ tại khu vực,....
Trong luận án, tập trung nghiên cứu một số vấn đề liên quan đến đánh giá ảnh
hưởng của lớp cách ly trong mặt đường BTXM thơng thường có khe nối nhiều lớp dưới
tác dụng của tải trọng và ảnh hưởng của nhiệt độ mơi trường trong tính tốn thiết kế có
thể ảnh đến chất lượng khai thác của mặt đường BTXM mặt đường ô tô và sân bay trong
điều kiện khí hậu Việt Nam.
1.2.

Tính tốn tấm BTXM mặt đường hệ nhiều lớp

1.2.1. Các phương pháp tính tốn theo quy trình thiết kế của Việt Nam
1.2.1.1
Phương pháp tính tốn thiết kế của Việt Nam theo quy trình
22 TCN 223-95 [2]
Phương pháp thiết kế mặt đường BTXM của Việt Nam theo tiêu chuẩn 22TCN 22395 là phương pháp lý thuyết xuất phát từ bài toán tính ứng suất của tấm trên nền bán
khơng gian vơ hạn đàn hồi theo mơ hình hệ hai lớp (lớp 1- lớp mặt BTXM; lớp 2- lớp nền

móng tương đương) dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và ảnh hưởng của nhiệt độ tính tốn
với các thơng số ở trạng thái bất lợi nhất.
Trong phương pháp thiết kế mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn 22TCN 223-95 chưa
xem xét tính tốn lớp móng cứng chịu kéo uốn cùng với tấm BTXM mặt đường khi sử
dụng lớp móng cứng (từ cát đá gia cố trên 6-8% XM, hoặc từ lớp BT nghèo) nên quy đổi
ln lớp móng cùng nền là mơ đun đàn hồi chung trên mặt lớp móng, dẫn đến tấm BTXM
sẽ có chiều dày thiết kế lớn hơn so với u cầu thực tế.
1.2.1.2
Phương pháp tính tốn thiết kế theo Quy định tạm thời về thiết kế mặt
đường BTXM thông thường có khe nối trong xây dựng cơng trình giao thông QĐ
3230/2012 [1]
QĐ 3230/2012 quy định các yêu cầu và cung cấp các chỉ dẫn cần thiết để thiết kế
kết cấu mặt đường BTXM thơng thường có khe nối trên các đường ơ tơ làm mới có cấp
hạng khác nhau (bao gồm cả đường cao tốc). Quyết định này được biên soạn cơ bản dựa
theo quy trình thiết kế mặt đường cứng của Trung Quốc (JTG D40-2011).

luan an


8
Mơ hình tính tốn:
Tùy theo loại tầng mặt và loại tầng móng sẽ sử dụng các mơ hình tính tốn về
mặt cơ học như sau:
- Mơ hình tấm một lớp trên nền đàn hồi nhiều lớp áp dụng cho trường hợp tấm
BTXM đặt trên lớp móng trên bằng vật liệu hạt khơng có chất liên kết.
- Mơ hình tấm hai lớp tách rời trên nền đàn hồi nhiều lớp áp dụng cho trường
hợp tấm BTXM đặt trên lớp móng bằng BT nghèo, BT đầm lăn hoặc bằng vật liệu hạt có
gia cố chất liên kết và quy định giữa các lớp phải bố trí lớp cách ly bằng láng nhựa hoặc
lớp BTNC.
Các trạng thái giới hạn tính tốn:

γ r (σ pr + σ tr ) ≤ f r ;

(1.1)

γ r (σ p max + σ t max ) ≤ f r ;

(1.2)

γ rσ bpr ≤ fbr ,

(1.3)

trong đó:
σpr: Ứng suất kéo uốn gây mỏi do tác dụng xe chạy tại vị trí tấm BTXM dễ
bị phá hoại mặc định (MPa);
σtr: Ứng suất kéo uốn gây mỏi do tác dụng của gradient nhiệt độ gây ra tại
vị trí tấm BTXM dễ bị phá hoại mặc định (MPa);
σpmax: Ứng suất kéo uốn do tải trọng trục xe nặng nhất gây ra tại vị trí tấm
BTXM dễ bị phá hoại mặc định (MPa);
σtmax: Ứng suất kéo uốn lớn nhất gây ra tại vị trí tấm BTXM dễ bị phá hoại
mặc định khi xuất hiện gradient nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm BTXM (MPa);
σbpr: Ứng suất kéo uốn gây mỏi do tải trọng xe gây ra trong lớp móng liền
khối (MPa);

fr :

f br :

γr:

Cường độ kéo uốn thiết kế của BTXM (MPa);
Cường độ kéo uốn thiết kế của vật liệu lớp móng liền khối (MPa);
Hệ số độ tin cậy lấy tùy theo cấp đường (lấy từ 1,04- 1,5).

Nhận xét:
Khi sử dụng lớp cách ly cho phép sử dụng vật liệu là lớp nhựa cát (h≥ 6mm) hoặc
lớp BTNC dày tối thiểu 30mm hoặc láng nhựa tối thiểu 10mm. Trong tính tốn, dù lớp
cách ly từ BTNC có chiều dày lớn trên 30mm, nhưng chỉ xét lớp BTNC với vai trò cấu
tạo là lớp cách ly, không xét ảnh hưởng biến dạng của lớp cách ly đến phân bố lại nội lực
trong các lớp của mặt đường BTXM.

luan an


9
1.2.1.3
Phương pháp tính tốn thiết kế mặt đường BTXM nhiều lớp mặt đường
sân bay theo TCVN 10907-2015 [3]
Theo tiêu chuẩn TCVN 10907- 2015 được xây dựng trên cơ sở tham khảo quy trình
thiết kế mặt đường sân bay của Nga [54, 55, 56] trong đó lớp cách ly được quy định dùng
1-2 lớp giấy dầu, hoặc láng cát nhựa có chiều dày khơng q 5mm.
Khi tính tốn thiết kế mặt đường tấm 2 lớp theo tiêu chuẩn TCVN 10907 [3], trên cơ
sở các quy trình [55, 56], do quy định sử dụng lớp cách ly có chiều dày mỏng nên độ nén
ép lớp cách ly rất nhỏ vì vậy có thể chấp nhận giả thiết độ võng các lớp mặt và lớp móng
trên là bằng nhau. Trường hợp tăng cường mặt đường hiện hữu, trong tiêu chuẩn quy định
nếu lớp BT cũ có các hư hỏng, gồ ghề, nứt vỡ cần tổ chức sửa chữa tạo phẳng bằng vật
liệu xi măng cát.
Khi sử dụng lớp cách ly có chiều dày mỏng trị số mô men uốn trong các lớp được
xác định phụ thuộc độ cứng kháng uốn của từng lớp. Trong trường hợp thiết kế trùng khe,
tính mơ men uốn các lớp theo cơng thức sau:

+ Thí dụ với mơ men uốn tính tốn lớp trên mdt:
mdt =

k .mc , max
,
Dd
1+
Dt

(1.4)

trong đó:
m c,max - là mơ men uốn tối đa khi đặt tải trọng tại tâm của tấm một lớp có
độ cứng chống uốn bằng tổng độ cứng chống uốn các lớp Dt+Dd;
Dt, Dd - độ cứng chống uốn tương ứng của tấm lớp trên và tấm lớp dưới;
k : là hệ số có xét đến liên kết truyền lực:
Khi đó chiều dày tấm BT được xác định từ điều kiện:
mtt ≤ mgh,t,
(1.5)
với
mtt- mơ men uốn tính tốn lớp BT tính theo (1.4);
mgh,t- mơ men uốn giới hạn cho phép của lớp BT có xét ảnh hưởng của nhiệt
độ và trùng phục tải trọng.
Nhận xét:
Quy định sử dụng lớp cách ly giữa các lớp mặt đường cứng nhiều lớp bằng 1-2 lớp
giấy dầu hoặc bằng lớp bitum cát mỏng 3-5mm, lớp vải sợi polimer,... Trong tính tốn
chấp nhận giả thiết độ võng lớp trên bằng với độ võng lớp dưới để tính tốn nội lực trong
các lớp theo ngun lý mô men trong các lớp tỉ lệ với độ cứng kháng uốn của các lớp.
1.2.1.4
Một số nghiên cứu tính tốn mặt đường BTXM hệ nhiều lớp tại Việt Nam

[10, 11, 15]
Trong [11], GS.TSKH Nguyễn Văn Liên đã giới thiệu phương pháp tính tốn dầm
và tấm BT một lớp và nhiều lớp chịu uốn trên nền đàn hồi theo phương pháp sai phân hữu
hạn (SPHH). Trong sơ đồ tính, đã tính cho kết cấu hệ nhiều lớp, song trong sơ đồ tính chỉ

luan an