Báo cáo khoa học: "ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD tính toán mô đun đàn hồi lớp của vật liệu kết cấu áo đ-ờng mềm" docx

ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD
tính toán mô đun đn hồi lớp của vật liệu
kết cấu áo đờng mềm

NCS. Trần thị kim đăng
Bộ môn Đờng bộ
Khoa Công trình - Trờng ĐHGTVT

Tóm tắt: Thí nghiệm không phá huỷ mặt đờng FWD (Falling Weight Deflectometer) hiện
nay đang đợc sử dụng rộng rãi để đánh giá kết cấu áo đờng. Khi thực hiện thí nghiệm, ngời
ta sẽ biết đợc độ võng, hình dạng chậu võng của mặt đờng, từ đó suy ra mô đun đn hồi thực
tế của mặt đờng v có thể căn cứ vo đó để đánh giá kết cấu áo đờng. Từ độ võng đo đợc
bằng thí nghiệm FWD có thể tính đợc giá trị mô đun lớp kết cấu áo đờng. Thiết bị thí nghiệm
FWD v khả năng ứng dụng số liệu độ võng mặt đờng đo đợc bằng thí nghiệm FWD để tính
toán mô đun lớp vật liệu lm kết cấu áo đờng l nội dung chúng tôi muốn đề cập trong bi báo
ny. Kết quả tính toán có thể cho giúp chúng ta có đợc những nhận xét, đánh giá về mặt định
tính giá trị thông số mô đun đn hồi khi tính toán kết cấu áo đờng mềm xét đến điều kiện chịu
tải trọng thực tế của vật liệu.
Summary: Non-destructive test herein FWD (Falling Weight Deflectometer) has been
used widely to evaluate the structure adequacy of pavement. Surface deflections and deflection
basin are major testing results that describe pavement strength and remaining life of existing
pavement. The deflections also could be [used to determine the layer moduli through
backcalculation. FWD equipment and ability of using deflection data from FWD is the main
content of this particle. The backcalculation results will be basic to analysis reasonable value of
layer elastic module to be used in pavement structure design by multi - layer elastic,
homogeneous and isotropic system method.
i. Thí nghiệm FWD
a. Nguyên tắc hoạt động chung của
thiết bị:
Tải trọng va đập tác dụng lên mặt đờng

do vật nặng có khối lợng nhất định từ độ cao
định trớc xuống hệ thống đệm cao su và
truyền tải trọng xuống mặt đờng trong
khoảng thời gian từ 0.025 đến 0.04 giây. Đầu
đo tải trọng gắn tại tâm truyền tải xác định tải
trọng P tác dụng xuống mặt đờng. Chuyển vị
đứng tại tâm tấm truyền tải và tại các điểm
cách tâm truyền tải các khoảng cách nhất
định đợc ghi lại bằng các đầu đo chuyển vị
hoạt động trên nguyên tắc bộ chuyển đổi vận
tốc. Tải trọng đợc điều chỉnh theo chiều cao
rơi của vật nặng và độ võng trên bề mặt
Hình 1:
Thiết bị thí nghiệm FWD


đờng đợc tính toán từ số liệu đầu ra của các
bộ chuyển đổi vận tốc [1].
Thiết bị thí nghiệm FWD (xem hình 1)
bao gồm: Rơ mooc FWD, bộ xử lý hệ thống
9000, máy tính/máy in.
Sơ đồ thí nghiệm FWD và phạm vi vùng ứng
suất trong kết cấu đợc thể hiện trong hình 2
Hình 2. Vùng ứng suất trong kết cấu áo đờng dới
tác dụng của tải trọng FWD

Các số liệu có đợc đối với mỗi điểm đo FWD[2]:
Các số liệu chung: lý trình, thời gian,
nhiệt độ
Tải trọng và độ võng tại các đầu đo cảm biến

Mô đun độ cứng mặt đờng và tình trạng
kết cấu
Biểu đồ mô đun độ cứng chung tại các vị
trí khác nhau theo chiều sâu.
Một ví dụ về file số liệu đầu ra của thí
nghiệm FWD cho trong hình 3.
5301,0,0,2,3, Km 0 + 00 ', 0,1, 'Phai
',2001,12,25,08,22
5302,0,1,2,2,0,0,0,0,
5303,0, 18.0, 19.0, 20.0
1, 536, 262, 172, 108, 76, 56, 43, 34
2, 542, 247, 167, 107, 76, 56, 43, 35
3, 543, 247, 167, 108, 77, 57, 45, 35
4, 536, 240, 164, 108, 77, 57, 45, 35
Hình 3. File số liệu kết quả thí nghiệm FWD
Kết quả hiện thị trên màn hình của thí
nghiệm FWD với các độ võng và đồ thị mô đun
chung ứng tại chiều sâu tơng đơng các
khoảng cách đo độ võng đợc cho trong hình 4.
Hình 4. Mn hình hiển thị của thí nghiệm FWD
Căn cứ vào số liệu độ võng, có thể vẽ
đợc phễu lún trên mặt đờng cho mỗi vị trí
đo và xử lý để có đợc đờng cong phễu lún
cho mỗi đoạn đo.

Sensor đo độ
võng từ 1 đến 7
Bê tông sphalt

Móng cấp

phối đá dăm

Đ
ất nền
Phạm vi vùng ứng
suất trong kết cấu
nền mặt đờng
2

3

4

5 6 71
Chậu võng đặc trng KM4-KM5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 30 60 90 120 150 180 210
Khoản
g
cách từ các đầu đo đến tâm tải trọn

g
(cm)
Độ võng (m)
Hình 5. Hình dạng phễu lún vẽ đợc từ số liệu thí
nghiệm FWD

II. Sử dụng kết quả đo độ võng mặt
đờng để xác định mô đun lớp vật
liệu
a. Nguyên lý tính toán
- Tính toán trên cơ sở phân tích phạm vi
vùng ứng suất trong kết cấu áo đờng dới
tác dụng của tải trọng FWD.
Xét hình 2, với giả thiết đờng nét đứt là

phạm vi vùng ứng suất. Do cảm biến từ vị trí 4
trở ra nằm ngoài phạm vi vùng ứng suất chịu
ảnh hởng của lớp bê tông asphalt và lớp
móng cấp phối, các độ võng tại cảm biến
4,5,6,7 chỉ phụ thuộc vào mô đun của đất nền
mà không phụ thuộc vào mô đun của lớp bê
tông asphalt và lớp cấp phối. Do vậy, có thể
giả thiết mô đun lớp cho hỗn hợp bê tông
asphalt và móng cấp phối, thay đổi mô đun
của đất nền để tính toán độ võng mặt đờng
cho đến khi độ võng tính toán tại vị trí 4,5,6,7
khớp với các giá trị độ võng đo đợc tại đó,
chúng ta sẽ có mô đun nền đất. Độ võng tại
cảm biến 3 tơng tự phụ thuộc vào mô đun
của nền đất và của móng cấp phối đá dăm

mà không phụ thuộc vào mô đun của lớp bê
tông asphalt. Lấy giá trị mô đun của nền đất
đã đợc xác định, thay đổi mô đun lớp cấp
phối đá dăm cho đến khi giá trị của độ võng
tính toán và thực đo tại vị trí cảm biến 3 khớp
nhau. Chúng ta lại có mô đun lớp móng cấp
phối đá dăm. Cũng áp dụng phơng pháp
tơng tự nh vậy với độ võng đo đợc ở đầu
đo 1 và đầu đo 2 sẽ xác định đợc mô đun lớp
của bê tông asphalt [3].
- Phơng pháp tính lặp thử dần
Cho các bộ giá trị mô đun lớp khác nhau
trong một phạm vi xác định, với các thông số
cần thiết khác nh tải trọng tác dụng, chiều
dày các lớp và hệ số Poisson để tính toán các
giá trị độ võng tại các vị trí tơng ứng với các
vị trí đặt cảm biến đo độ võng thực tế. Sau đó
so sánh giá trị độ võng tính toán đợc với độ
võng thực tế để tìm ra bộ giá trị mô đun lớp
cho sai số nằm trong phạm vi dung sai xác
định trớc hay bộ giá trị mô đun lớp cho sai số
nhỏ nhất. Quá trình tính lặp đợc mô tả nh
trong hình 6 [4].
Ngoài cách sử dụng độ võng đo bằng
thiết bị FWD, có thể xác định mô đun đàn hồi
lớp bằng cách lắp đặt thiết bị đo ứng suất và
chuyển vị tại các vị trí nhất định trong kết cấu
mặt đờng, các giá trị đo đợc này cũng đợc
so sánh với các giá trị ứng suất và chuyển vị
tính toán nhờ một phần mềm tính toán kết cấu

áo đờng mềm có sẵn để tìm ra các bộ giá trị
mô đun lớp cho kết quả tính toán thống nhất
giữa giá trị tính toán và giá trị thực đo [5].
Phần mềm thiết lập trên cơ sở bài toán
lặp khi sử dụng kết quả thí nghiệm FWD sẽ
cần các số liệu đầu vào:
Tải trọng (là tải trọng dùng trong thí
nghiệm FWD);
Các khoảng giá trị của các bộ mô đun lớp
và gia số thay đổi ;
Hình 6. Quá trình tính thử dần
Chiều dày các lớp vật liệu của kết cấu áo
đờng;
Hệ số Poisson;
Số liệu độ võng thực đo;
% sai số để dừng chơng trình tính toán;
Sau khi vào các số liệu, bằng cách gọi
các số liệu độ võng tính toán có sẵn (là kết
quả của chơng trình đợc lập cho các bài
toán tính kết cấu áo đờng có sẵn: nh

ALIZE, BISAR ) để so sánh với các giá trị độ
võng đo đợc, nếu tổng sai số lớn hơn dung
sai đã xác lập thì chơng trình lại bắt đầu lại

quá trình tính toán bằng cách gọi các giá trị độ
võng ứng với một bộ số liệu mô đun lớp khác
ứng với một gia số độ võng nhất định.
Hàm mục tiêu thiết lập cho bài toán thử
dần đại diện cho sự sai khác giữa giá trị độ

võng đo đợc và độ võng tính toán. Các hàm
mục tiêu thông thờng trong trờng hợp này
có thể là:
- Sai số tuyệt đối trung bình giữa độ võng
thực đo và độ võng tính toán
i
m
i
c
n
1i
d)h,E(d
n
1
)h,E(f =

=

- Sai số tơng đối trung bình giữa độ
võng thực đo và độ võng tính toán

=

=
n
1i
i
m
i
m

i
c
d
d)h,E(d
n
1
)h,E(f

- Sai số bình phơng trung bình giữa độ
võng thực đo và độ võng tính toán
[
]

=
=
n
1i
2
i
m
i
c
d)h,E(d
n
1
)h,E(f

- Sai số tơng đối bình phơng trung bình
giữa độ võng thực đo và độ võng tính toán

=









=
n
1i
2
i
m
i
m
i
c
d
d)h,E(d
n
1
)h,E(f

trong đó:
d
c
i

(E,h) = độ võng tính toán tại vị trí i theo
E và h
E =
{E
1
, E
2
, E
3
, , E
M
, } - các mô đun lớp
cha biết
h =
{h
1
, h
2
, h
3
, , h
M-1
, } - các chiều dày
lớp có thể cha biết
Mỗi hàm mục tiêu đợc xác định trên có
các điểm thuận lợi và bất lợi riêng. Chơng
trình tính lặp đợc thực hiện với hàm mục tiêu
là sai số tơng đối bình phơng trung bình có
thuật toán nh sau:

Begin
Vào các độ võng tiêu chuẩn d
i
m
k = 1

Xuất n dãy số liệu độ võng
tính toán d
i
c
=

(E, h) t
ừ
chơng trình BISAR

Gọi các độ võng tính
toán thứ 1, d
i
c

=

=
n
1i
2
m
i
m
i
c
i
1
d
d)h,E(d
n
1
)h,E(
k = k + 1
Gọi các độ võng tính
toán thứ k, d
i
c

=

=
n
1i
2
m
i
m
i
c
i
k
d
d)h,E(d
n
1
)h,E(

k
<

1

1
=

k

k < n

Bộ giá trị E, h ứng với
dãy các độ võng cho

1

End
đ
s


áp dụng tính toán [6]: Tính toán đợc tiến
hành sử dụng các số liệu đo FWD đợc lấy từ
nguồn số liệu đo thử nghiệm thiết bị Dynatest
8000 tại Quốc lộ 39 của Viện Khoa học Công
nghệ Giao thông vận tải. Kết cấu mặt đờng:

Các khoảng giá trị của mô đun lớp đề nghị:
Mô đun đàn hồi của mặt đờng cũ thay
đổi từ 50 - 500 MPa với số gia là 4.5 MPa.
Mô đun đàn hồi lớp móng cấp phối đá
dăm thay đổi từ 70 MPa đến 701 MPa với số
gia là 6.3 MPa.
Mô đun đàn hồi lớp mặt bê tông asphalt
thay đổi từ 500 MPa đến 2500 MPa với số gia
là 200 MPa.
Phần mềm tính thử dần ở đây đợc thiết
lập trên cơ sở tính các chậu võng giới hạn tiêu
chuẩn (một đờng cận trên và một đờng cận
dới) phụ thuộc vào chậu võng đặc trng cho

mỗi từng Km của Quốc lộ 39, và một khoảng
sai số lựa chọn. Khoảng sai số này giảm dần
cho đến khi không còn bộ số liệu nào trong
các bộ số liệu đầu vào cho chậu võng tính
toán nằm lọt trong khoảng tiêu chuẩn ứng với
sai số đó. Khoảng sai số trớc đó sẽ là sai số
nhỏ nhất để chậu võng thực đo và chậu võng
tính toán phù hợp nhất với nhau. Các bộ số
liệu mô đun lớp ứng với khoảng sai số nhỏ
nhất sẽ là bộ số liệu của mô đun lớp cần xác
định.
Kết quả tính toán với sai số về độ võng
15 %
iii. Nhận xét về phơng pháp v
kết quả tính
Kết quả tính lặp theo phơng pháp trên
cho giá trị mô đun lớp phù hợp nhất (ứng với
sai số của chậu võng là 15%) là:
- Mô đun lớp của vật liệu bê tông asphalt:
(1900 2500) MPa
- Mô đun lớp cấp phối đá dăm: Khoảng
300 - 350 MPa
- Mặt đờng cũ: khoảng 150 - 200 MPa.
Các giá trị mô đun lớp trên có các đặc
điểm nh sau:
Mô đun lớp của móng và mặt đờng cũ
gần với khoảng giá trị mô đun đàn hồi tĩnh,
còn mô đun lớp của vật liệu bê tông asphalt
cao hơn mô đun tĩnh rất nhiều.
Sai số giữa chậu võng thực đo và chậu

võng tính toán theo lý thuyết lớn.
Nguyên nhân chủ yếu là do sự sai khác
giữa đặc tính vật liệu thực đo và các giả
thiết trong tính toán. Vật liệu nền - mặt
đờng là vật liệu đàn hồi - dẻo nhng
mô hình tính toán là hệ nhiều lớp đàn
hồi
Chiều dày mặt đờng là một thông
số rất quan trọng trong tính toán kết cấu
mặt đờng cũng nh trong bài toán
ngợc xác định mô đun lớp.
Việc sử dụng chiều dày mặt đờng
Các độ võng tính toán cho sai s
ố

với chậu võng thực tế

15% tại KM4- KM5 ; quốc lộ 39
Các độ võng tính toán (m) tại các
điểm có khoảng cách (m)

Mô đun
lớp BT
asphalt
(MPa)
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.8 2.1
1900.0 353.5 228.0 132.7 91.0 68.1 53.9 44.6
2100.0 348.0 226.9 132.5 90.9 68.0 53.9 44.6
2300.0 343.1 225.9 132.4 90.8 67.9 53.8 44.5
2500.0 338.6 225.0 132.3 90.7 67.9 53.8 44.5

BTN
Loại kết
cấu 2

h
1
=12 cm
h
2
=30 cm
Mặt đờng cũ
CP
Đ
Chậu võng thực đo và các chậu võng tính toán
0
50
100
0 30 60 90 120 150 180 210
Khoảng cách từ tâm tải trọng đến các đâu đo (cm)
150
200
250
300
350
400
Gía trị độ võng ( m)
E1=1900
E1=2100
E1=2300
E1=2500

KM4 KM5
Hình 6. Chậu võng thực đo v chậu võng giới hạn
tron
g
khoản
g
sai số 15% t
ạ
i Km4
-
Km5

theo hồ sơ thiết kế để thực hiện bài toán
ngợc sẽ có khả năng cho sai số lớn. Vấn đề
có thể khắc phục bằng cách sau khi đo độ
võng, tiến hành khoan lõi mặt đờng tại vị trí
thí nghiệm để xác định chiều dày lớp bê tông
asphalt và đào hố xác định chiều dày lớp
móng, tiến hành thí nghiệm DCP để thu thập
số liệu đất nền. Các thông số này sẽ cho
phép chúng ta tiến hành bài toán xác định mô
đun lớp vật liệu mặt đờng đơn giản và chính
xác hơn.
Giá trị mô đun đàn hồi của bê tông
asphalt rải mới tính từ số liệu độ võng đo đợc
bằng thí nghiệm FWD tại quốc lộ 39 năm
12/2001 nằm trong khoảng từ 1900 đến 2500
MPa.

Tài liệu tham khảo

[1]. R. Clark Graves and Vincent P. Drnevich.
Calculating Pavement Deflection with Velocity
Transducers, 1990.
[2]. Hớng dẫn sử dụng thiết bị FWD - Dynatest
International, 1990.
[3]. Ioannides, A.M., E.J. Barenberg, and J.A. Lary.
"Interpretation of Falling Weght Deflectometer
Results Using Principles of Dimensional Analysis"-
Proceeding, 4
th
International Conference on
Concrete Pavement Design and Rehabilitation,
Purdue University, 1989.
[4]. N. Sivanewaran, Steven L. Kramer, and Joe P.
Mahoney. Advanced Backcalculation Using a
Nonlinear Least Squares Optimation Technique, 1991.
[5]. Scullion, T.,J. Uzan and M.Paredes. " Modulus:
A Microcomputer - Based Backcalculation System".
Transportation Research Record 1260, 1990 - pp
180 -191.
[6]. Nguyễn Hữu Hng, Nguyễn Mạnh Hùng,
GVHD. Trần Thị Kim Đăng. Đề tài NCKHSV "Tính
toán mô đun lớp vật liệu từ độ võng mặt đờng đo
đợc bằng thiết bị FWD". Trờng ĐHGTVT, 2003