Báo cáo khoa học: "Nghiên cứu thực nghiệm chỉ tiêu mô đun đàn hồi của một số loại đất làm nền đ-ờng ôtô d-ới tác dụng của tải trọng động (Mr)" pps

Nghiên cứu thực nghiệm chỉ tiêu
mô đun đn hồi của một số loại đất
lm nền đờng ôtô dới tác dụng
của tải trọng động (M
r
)

ThS. Nguyễn Đình Thạo
i. đặt vấn đề
Khi tính toán thiết kế kết cấu áo đờng, trị
số môđun đàn hồi của nền đất và vật liệu áo
đờng đóng vai trò quan trọng. Hiện tại có 2
phơng pháp xác định trị số mô đun đàn hồi
của nền đất: tác dụng tải trọng lâu dài (tải
trọng tĩnh) và dùng tác dụng tải trọng trong
thời gian rất ngắn (tải trọng động). Do phơng
thức tác dụng tải trọng khác nhau nên trị số
môđun đàn hồi đạt đợc cũng khác nhau vì
đất là một hệ phức tạp.
Ngày nay, với xu thế hội nhập với các
nớc trong khu vực và trên thế giới, nớc ta
cũng sử dụng một số phơng pháp thiết kế áo
đờng khác nhau mà có dùng trị số môđun
đàn hồi động của đất nền để tính toán. Do đó
việc lựa chọn lập mô hình và tiến hành thí
nghiệm xác định trị số này trong phòng thí
nghiệm là rất cần thiết.
Bộ môn Đờng ôtô v sân bay
Khoa Công trình - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Trong phạm vi bi báo ny, tác giả đề cập phơng pháp thí nghiệm trong phòng
xác định trị số môđun đn hồi của một số loại đất lm nền đờng ôtô xét đến điều kiện tác dụng
tải trọng động của xe chạy thực tế trên đờng. Bi báo bao gồm các nội dung: phân tích lựa
chọn các loại đất nghiên cứu, các tiêu chuẩn thí nghiệm lựa chọn, mô hình thí nghiệm v các
kết quả đạt đợc. Kết quả thí nghiệm đã chỉ rõ rằng môđun đn hồi của đất dới tác dụng của
tải trọng động cao hơn nhiều so với môđun đn hồi của đất dới tác dụng của tải trọng tĩnh, tỉ
số ny thay đổi từ 1,4 đến 3 lần tuỳ thuộc vo từng loại đất.
Summary: The article presents an experimenting method in laboratory to determine the
resilient modulus of several construction soils under repeated loads. The results have shown
that for a certain type of soil the resilient modulus M
R
is really higher than the static modulus E.
The ratio M
R
/E of different soils varies from 1,4 times to 3 times.

ii. nội dung
1. Phân tích, lựa chọn một số loại đất
điển hình làm nền đờng ôtô ở Việt Nam
để nghiên cứu
Do quá trình hình thành, tồn tại của đất
mà mỗi địa phơng, mỗi khu vực địa lý khác
nhau có những loại đất xây dựng nền đờng
khác nhau. Với mục đích ban đầu có những
khái quát tơng đối rõ nét, việc lựa chọn mẫu
đất nghiên cứu thiên theo hớng chọn những
loại đất rất khác biệt nhau về thành phần hạt,
đồng thời trong những điều kiện có thể thu
thập thêm nhiều loại đất mà các địa phơng

khác nhau ở khu vực phía Bắc thờng dùng
để đắp nền đờng và thêm nữa là tận dụng
các dự án xây dựng đờng đang đợc triển
khai một số tuyến đờng nh QL1, QL5,
Đờng Vành đai III Hà nội, thu thập các
mẫu đất tại các mỏ đất đợc khai thác dùng
cho các dự án đó nhằm có thể lợi dụng hiện
trờng thực tế để kiểm nghiệm và hiệu chỉnh
các kết quả thí nghiệm trong phòng.
Các mẫu đất đợc thu thập mang về để
nghiên cứu bao gồm các mẫu đất đang dùng
làm nền đờng trên công trình đờng Vành
đai III - Hà Nội. Đây cũng là những loại đất
khá điển hình đợc dùng trong xây dựng nền
đờng ở khu vực phía Bắc nói chung và trên
địa bàn Hà Nội nói riêng gồm:
Đại diện cho nhóm đất rời: Mỏ cát Nam
Thăng Long, thuộc Quận Tây Hồ.
Đại diện cho nhóm đất sỏi sạn: Mỏ đất
Dây Diều, thuộc Huyện Sóc Sơn.
Đại diện cho nhóm đất dính: Đất sét
nguyên thổ, thuộc Huyện Từ Liêm.
Thông qua các thí nghiệm tiến hành theo
chu trình phân loại đất do TCVN 5747 - 1993
qui định, kết quả phân loại các mẫu đất đã thu
thập nh sau:
2. Phạm vi nghiên cứu và các tiêu
chuẩn thí nghiệm lựa chọn

a. Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu đợc giới hạn trong
một số loại đất làm nền đờng ôtô trên địa
bàn Hà Nội. Với mỗi loại đất sẽ tiến hành thí
nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất và
chế bị các mẫu đầm nén ở trạng thái độ chặt
K = 1.0 theo tiêu chuẩn AASHTO T180 - 97
để xác định môđun đàn hồi động của đất.
b. Các tiêu chuẩn thí nghiệm lựa chọn
Để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm các
loại đất trên, tác giả đã lựa chọn các tiêu
chuẩn thí nghiệm sau:
Phơng pháp phân loại đất trong phòng
thí nghiệm theo TCVN 5747 - 1993.
Phơng pháp đầm nén đất theo tiêu
chuẩn AASHTO T180 - 97 để xác định độ
chặt tiêu chuẩn, độ ẩm tốt nhất và chế bị các
mẫu thí nghiệm.
Phơng pháp thí nghiệm xác định môđun
đàn hồi của đất dới tác dụng của tải trọng
động (M
R
) dựa trên mô hình thí nghiệm tác
dụng tải trọng lặp lên mẫu đất hình trụ trong
điều kiện không nở hông.
3. Lập mô hình thí nghiệm và thí
nghiệm xác định mô đun đàn hồi của đất
dới tác dụng của tải trọng động (M
r
)
a. Lập mô hình thí nghiệm

Đối với kết cấu nền mặt đờng thì điều
kiện làm việc thực tế là chịu
tác dụng của tải trọng động
(tải trọng tác dụng trong
khoảng thời gian rất ngắn)
làm cho đất bị biến dạng và
phá hoại theo những quy
luật nhất định. Các tải trọng
tác dụng lên nền đất có thể
phân thành hai loại là tải
trọng xung và tải trọng rung,
đối với điều kiện làm việc
của nền mặt đờng thì chủ yếu là chịu tác
dụng của tải trọng xung.
Bảng 2.1. Kết quả phân loại đất
Mỏ đất
Vị trí
lấy mẫu
Ip
Hàm
lợng sét
Môđun
độ lớn
Tên gọi
Mỏ đất Dâ
y

Diều
24.8 % 17%
Đặc trng chủ yếu của tải trọng xung là

tính chất tác dụng trong thời gian ngắn và
khoảng cách giữa các lần tác dụng là khá lớn,
-
Hỗn h
ợ
p
sỏi s
ạ
n và
á sét nặng
Đất nền nguyên
thổ khu v
ự
c
Yên Hoà,
Mỹ Đình
26.3 % 50% -
Đ
ất sét
dẻo
Mỏ cát Nam
Thăng Long
Đờng
vành đai
III
Đoạn
Nam
Thăng
Long đi
Láng -

Hoà Lạc
- - 0,9
Cát h
ạ
t
nhỏ

làm cho thời gian tồn tại của trạng thái ứng
suất phụ thêm trong đất ngắn hơn rất nhiều so
với thời gian cần thiết để biến dạng của đất
dới tải trọng đó có thể hoàn thành. Loại tải
trọng này phổ biến là tải trọng của xe ôtô chạy
trên đờng.
Vì thời gian tác động của tải trọng xung
ngắn hơn rất nhiều so với thời gian cần thiết
để đất hoàn thành biến dạng lún dới các ứng
suất phụ thêm do tải trọng ấy gây ra, nên độ
lún của đất ứng với mỗi lần xung kích chỉ bằng
một phần nhỏ của độ lún toàn bộ xảy ra trong
đất trong trờng hợp nếu tải trọng ấy tác dụng
trong một thời gian lâu dài [3].
Hầu hết các vật liệu làm mặt đờng đều
không phải là vật liệu đàn hồi tuyệt đối nghĩa
là vẫn có một phần biến dạng không hồi phục
sau mỗi lần chịu tác dụng của tải trọng. Tuy
nhiên, nếu tải trọng nhỏ so với cờng độ vật
liệu và đợc lặp lại với số lợng lớn thì biến
dạng sau mỗi lần tác dụng lặp lại gần nh là
đợc hồi phục hoàn toàn và tỉ lệ với tải trọng
và nh vậy có thể coi nh là đàn hồi [4]. Mô

đun đàn hồi tính theo biến dạng có khả năng
hồi phục sau những lần tải trọng tác dụng lặp
gọi là môđun đàn hồi hữu hiệu - Resilient
Modulus đợc định nghĩa là:
M
R
=
r
d
E
S
, kPa (2.1)
trong đó:
- S
d
: ứng suất dọc trục trong thí nghiệm
nén không nở hông hay là ứng suất dọc trục
trội hơn áp lực hông trong thí nghiệm nén ba
trục, kPa.
- E
r
: Biến dạng đàn hồi dọc trục tơng
đối của mẫu dới tác dụng của ứng suất
S
d
, mm/mm.
Khi thí nghiệm xác định M
R
, một vấn đề
quan trọng là phải xác định đợc các thông số

của tải trọng cho phù hợp. Dạng và thời gian
gia tải đợc sử dụng trong thí nghiệm gia tải
động cần mô phỏng điều kiện chịu lực thực tế
của vật liệu nền mặt đờng. Khi tải trọng xe
tác dụng tại một khoảng cách đủ lớn tính từ
một điểm nào đó trong kết cấu nền mặt
đờng, ứng suất tại điểm đó bằng 0. Khi tải
trọng tác dụng trực tiếp trên điểm đó thì ứng
suất tại điểm đó đạt trị số lớn nhất. Do đó
dạng ứng suất tác dụng là dạng hình sin hay
hình tam giác, thời gian gia tải phụ thuộc vào
tốc độ xe chạy và chiều sâu của điểm đang
xét so với bề mặt của mặt đờng.
Về thời gian tác dụng của tải trọng phụ
thuộc vào tốc độ xe chạy, căn cứ các số liệu
thu đợc từ thí nghiệm của AASHO, Barksdale
(1971) [11] đã tìm ra mối quan hệ giữa thời
gian gia tải lặp phụ thuộc vào tốc độ xe chạy
và chiều sâu điểm đang xét trong kết cấu nền
mặt đờng. Theo kết qủa nghiên cứu này cho
thấy nếu điểm xem xét nằm càng sâu so với
mặt tiếp xúc của bánh xe thì thời gian tác
dụng càng tăng lên và nói chung thời gian tác
dụng của tải trọng tỉ lệ nghịch với tốc độ xe
chạy.

Hình 2.1: Thời gian tác dụng của ứng suất do lực
tác dụng lặp theo phơng thẳng đứng
theo Barksdale [11]
McLean [12] cũng xác định thời gian gia

tải cho tải trọng lặp dạng hình chữ nhật thể
hiện trong đồ thị quan hệ sau:


Hình 2.2: Thời gian tác dụng của tải trọng
với dạng sóng hình chữ nhật

Trong hớng dẫn thiết kế kết cấu mặt
đờng của AASHTO [9], môđun đàn hồi hữu
hiệu của nền đất M
R
đợc xem là trị số đặc
trng cho cờng độ và đợc dùng để tính
toán, thiết kế kết cấu áo đờng. Đối với thí
nghiệm trong phòng, M
R
đợc xác định dựa
trên nguyên tắc là: tác dụng một ứng suất dọc
trục có độ lớn, thời gian tác dụng và tần số
quy định lên một mẫu đất hình trụ; trong khi
chịu tác dụng trùng phục của độ lệch ứng suất
theo phơng thẳng đứng, mẫu còn phải chịu
một ứng suất tĩnh xung quanh nó do buồng áp
lực của thiết bị nén ba trục tạo ra. Thiết bị
truyền tải trọng là một nguồn cung cấp tải
trọng ngoài bất kỳ có khả năng tạo ra tải trọng
trùng phục với thời gian tác dụng của tải trọng
tuỳ thuộc vào tốc độ thiết kế xe chạy trên
đờng và chiều sâu của nền đất tính từ mặt
đờng (bảng 2.2). Dạng sóng của tải trọng tác

dụng có dạng gần với biến đổi hình sin.
Bảng 2.2. Thời gian tác dụng của
tải trọng lên nền đất
Thời gian tác dụng của tải trọng (giây)
Chiều sâu kể từ bề mặt của
mặt đờng
Tốc độ thiết kế
của xe chạy
trên mặt đờng
(km/h)
508 mm
> 508 mm
72
0,1 0,15
> 72
0,05 (có thể
bằng 0,1)
0,1
ở nớc ta hiện nay, cha chế tạo đợc
cũng nh cha nhập đợc thiết bị đồng bộ để
xác định M
R
theo đúng quy định thí nghiệm
của AASHTO. Do đó, tác giả kiến nghị sử
dụng mô hình thí nghiệm tác dụng tải trọng
lặp lên mẫu đất hình trụ trong điều kiện
không nở hông.
Các thông số của thí nghiệm đề nghị sử
dụng trong nghiên cứu cho trong bảng sau:
Bảng 2.3. Các thông số chính của

mô hình thí nghiệm

Thông số Đặc điểm
Máy thí
nghiệm
Máy nén khí có khả năng tác dụng
một lực xung trong một phạm vi
tần số, thời gian tác dụng lực và
độ lớn của lực.
Thiết bị đo
biến dạng
Thiết bị LVTD đo biến dạng theo
chiều đứng.
Dạng sóng
tải trọng
Hình Sin
Thời gian
tác dụng lực
Thời gian gia tải 0.1 giây, thời gian
1 chu kỳ 1.0 giây.
Mẫu thí
nghiệm
Mẫu chế bị trong phòng.
Bảng 2.4. Trình tự thí nghiệm
áp lực tác dụng
dọc trục
Giai đoạn
thí nghiệm
Trình
tự

kPa daN/cm
2
Số chu
kỳ tác
dụng
Sơ bộ 1 21 0.21 1080
2 21 0.21 120
3 34 0.35 120
4 48 0.49 120
5 69 0.70 120
Thí nghiệm
chính thức
6 103 1.05 120







van

PLC

Khuyếch
đại

ADC

Hình 2.3. Sơ đồ tổng thể của hệ thống thiết bị

Thiết bị thí nghiệm là một hệ thống gồm
2 phần:

Phần cứng:
Bao gồm các bộ phận sau: máy
nén khí, bộ khung thiết bị, bộ khung
lắp gá mẫu, thiết bị gia tải và điều
khiển tải trọng lặp, thiết bị đo lực,
thiết bị đo biến dạng, thiết bị điều
khiển đóng mở van khí theo chu kỳ
PLC, bộ khuyếch đại tín hiệu, bộ
chuyển đổi ADC, máy tính.
Phần mềm:
Là các chơng trình điều khiển
hoạt động cho phần cứng, các
chơng trình thu nhận và xử lý số
liệu; chúng đợc nạp sẵn vào máy
tính và bộ PLC. Thông qua phần
mềm này, ta có thể thiết lập các
phơng thức tác dụng tải trọng khác
nhau (thời gian tác dụng tải trọng, thời gian 1
chu kỳ, độ lớn của lực) cũng nh cách thức
thu thập và xử lý số liệu cũng đợc thiết lập
tuỳ theo ngời sử dụng.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
thiết bị: Tải trọng xung đợc cung cấp nhờ
máy nén khí. Máy tính điều khiển hoạt động
của PLC theo chơng trình lập sẵn. Khi PLC
hoạt động sẽ đóng mở van khí theo chu kỳ
xác định. Khi van khí mở đẩy Piston hoạt động

tạo lực tác dụng lên mẫu. Tải trọng trùng phục
tác dụng lên mẫu qua hệ thống khung truyền
tải độc lập thông qua tấm gia tải. Tấm truyền
tải làm bằng thép cứng có đờng kính 150
mm để sử dụng cho mẫu có
đờng kính 152 mm (mẫu đất
đợc chế bị trong cối CBR).
Trị số lực tác dụng và chuyển
vị đợc theo dõi nhờ vào hộp tế
bào điện tử Electrical Load - cell
và các Sensor, chúng đợc đa
qua bộ khuyếch đại và bộ chuyển
đổi ADC. Tín hiệu đợc chuyển
đổi từ tín hiệu tơng tự sang tín
hiệu số đợc đa vào máy tính
nhờ phần mềm lấy số liệu. Số liệu
thu đợc đa vào chơng trình xử
lý ra đợc kết quả thí nghiệm là
giá trị lực tác dụng, giá trị biến
dạng đàn hồi của mỗi chu kỳ tác dụng tải
trọng. Ngoài ra, giá trị biến dạng tích luỹ qua
120 lần tác dụng lặp đợc tính toán và ghi lại.
T
T1 T2
P
E
L
ự
c

t
á
c

d
ụ
n
g
Thời gian
Thời gian
t
h
ẳ
n
g

đ
ứ
n
g
đ

n

h
ồ
i
B
iế
n

d
ạ
n
g
T1 - Thời gian tác dụng của lực trong một chu kỳ
T2 - Thời gian nghỉ (không có lực tác dụng)
T - Thời gian của một chu kỳ tác dụng lực
P - Lực tác dụng
E - Biến dạng đn hồi trong một chu kỳ tác dụng lực
Hình 2.4. Mô hình tác dụng lực v biến dạng đn hồi tơng ứng
Kết quả thí nghiệm
Thí nghiệm xác định môđun đàn hồi động
đợc thực hiện trên hệ thống thiết bị thí
nghiệm tác dụng tải trọng lặp lên mẫu đất
hình trụ trong điều kiện không nở hông. Trị số
môđun đàn hồi động ở đây đợc xác định
trong điều kiện tác dụng tải trọng lặp 120 chu
kỳ tơng ứng với áp lực tác dụng dọc trục là
21kPa ; 34kPa; 48kPa ; 69 kPa ; 103 kPa. Tải
trọng tác dụng có dạng hình Sin với thời gian
1 chu kỳ là 1 giây và thời gian tải trọng tác
dụng trong mỗi chu kỳ là 0.1 giây.
Kết quả thí nghiệm đ
ợc tổng hợp trong
bảng 2.5; bảng 2.6 và bảng 2.7.
Môđun đàn hồi động
Thời gian ngâm nớc
M1-C M2-C M3-C
Trung bình

psi psi psi psi daN/cm2
0 giờ (sau chế bị) 16883 16864 16721
16823 1183
96 giờ 15296 15365 15116
15259 1073
Môđun đn hồi động (
daN/cm2
)
1183
1073
0
500
1000
1500
2000
Môđun đàn hồi (daN/cm2)
Ngâm nớc 96 giờKhông ngâm nớc
Bảng 2.5. Kết quả thí nghiệm xác định môđun
đn hồi đ
ộ
n
g
Cát đen Sôn
g
Hồn
g

iii. Kết luận
Mô hình thí nghiệm nh trên đã bớc đầu
mô phỏng đợc điều kiện chịu lực thực tế của

đất nền đờng. Với mô hình và phơng pháp
thí nghiệm trong phòng đề nghị, số liệu
môđun đàn hồi thu đợc kết hợp với các kết
quả hiện trờng sẽ tạo điều kiện xác định
đợc thông số tính toán hợp lý của đất nền
đờng phục vụ việc thiết kế, tính toán kết cấu
nền mặt đờng ô tô.
Tài liệu tham khảo
[1]. Trần Đình Bửu, Nguyễn Quang Chiêu, Nguyễn
Quang Toản. Khai thác đánh giá và
sửa chữa đờng ô tô, Tập 1, NXB
Đại học và Trung học CN, 1984.
[2]. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
5747 - 1993. Đất xây dựng. Phân loại.
NXB Xây dựng, 1993.
[3]. Bùi Anh Định, Cơ học đất. Trờng
Đại học GTVT, 1997.
[4]. Bộ giao thông vận tải. Tiêu chuẩn
thiết kế mặt đờng mềm
22TCN 274 - 01. NXB Giao thông vận
tải, 2001.
[5]. Vũ Đình Hiền. Luận án Thạc sỹ
khoa học kỹ thuật 1997.
[6]. NCS. Trần Thị Kim Đăng.
Chuyên đề 2 - Các phơng pháp
xác định và giá trị mô đun đàn hồi
của Bê tông asphalt trong phòng
thí nghiệm, 2002.
[7]. Nguyễn Đình Thạo. Luận án Thạc
sỹ khoa học kỹ thuật 2003.

[8]. Lục Đỉnh Trung, Trình Gia Câu.
Đại học Đồng tế. Công trình nền -
mặt đờng. NXB Giao thông vận tải,
1996.
Môđun đàn hồi động
Thời gian ngâm nớc M1-S M2-S M3-S
Trung bình
psi psi psi psi daN/cm2
0 giờ (sau chế bị) 17997 18196 18545
18246 1283
96 giờ 3347 3338 3077
3254 229
[9]. AASHTO: AASHTO guide for Design of
Pavement Structures.
[10]. Mathematical Modeling of Pavement
Performance.
[11]. Barksdale, R.G. Compressive Stress Pulse
Times in Flexible Pavement for Use in Dynamic
Testing Highway Research Record 345, Highway
Research Board, 1971.
[12]. McLean, D.B. Permanent Deformation
Characteristic of Asphalt Concrete, Ph.D
Dissertation, University of Carlifornia, Berkeley,
1974

1283
229
0
500
1000

1500
2000
Môđun đàn hồi (daN/cm2)
Ngâm nớc 96 giờKhông ngâm nớc
Môđun đn hồi động (
daN/cm2
)
Bảng 2.6. Kết quả thí nghiệm xác định
môđun đn hồi động đất sé
t
Môđun đàn hồi động
Thời gian ngâm nớc M1-CPD M2-CPD M3-CPD
Trung bình
psi psi psi psi daN/cm2
0 giờ (sau chế bị) 24344 24541 24676
24520 1724
96 giờ 5038 5032 4927
4999 351
Môđun đn hồi Động (
daN/cm2)
1724
351
0
500
1000
1500
2000
2500
Môđun đàn hồi (daN/cm2)
Ngâm nớc 96 giờKhông ngâm nớc

Bảng 2.7. Kết qủa thí nghiệm xác định môđun
đn hồi động đất cấp phối đồ
i