Luận văn Thạc sỹ Tính toán bề dầy tấm bê tông xi măng tăng cường trên mặt đường bê tông xi măng cũ theo Phương pháp phần tử hữu hạn

1
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
BỘ GIÁO GIỤC VÀ ĐÀO TẠO
o0o
LUẬN VĂN THẠC SỸ
ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN BỀ DẦY TẤM BÊ TÔNG
XI MĂNG TĂNG CƯỜNG TRÊN MẶT ĐƯỜNG
BÊ TÔNG XI MĂNG CŨ THEO PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
Năm 2014
2
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
BT : Bê tông
BTXM : Bê tông xi măng
C
tđ
: Hệ số nền tương đương
C
2
: Hệ số phản lực của mặt đường bê tông xi măng tăng cường
FAA : Cục hàng không Liên Bang Mỹ
MĐTC : Mặt đường tăng cường
MĐC : Mặt đường bê tông xi măng cũ
NCHRP :Chương trình nghiên cứu sửa chữa đường bộ quốc gia Mỹ
(National Cooperative highway research Program)
PTCB : Phương trình cân bằng
3
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang

Bảng 1.1: Các kích thước của ngàm 3
Bảng 1.2: Khoảng cách giữa các khe 4
Bảng 1.3: Bề dầy tối thiểu của tấm BTXM 5
Bảng 1.4: Các chỉ tiêu cường độ và mô đun đàn hôi của bê tông
làm đường 6
Bảng 1.5: Phân cấp hư hỏng của mặt đường BTXM đường sân bay 7
Bảng 3.1: Các đặc trưng của tải trọng trục tiêu chuẩn 32
Bảng 4.1: Dự báo lưu lượng xe 52
Bảng 4.2: Quy đổi trục xe về trục tiêu chuẩn 53
4
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Mặt cắt ngang mặt đường BTXM đổ tại chỗ 1
Hình 1.2: Sơ đồ bố trí khe trong mặt đường BTXM 2
Hình 1.3: Các laọi khe trong mặt đường BTXM 3
Hình 1.4: Cấu tạo mặt cắt ngang tấm BTXM 5
Hình 1.5: Vết nứt dọc và ngang tấm ở giữa tấm BTXM 8
Hình 1.6: Vết nứt dọc và ngang ở góc tấm BTXM 9
Hình 1.7: Bong bật vật liệu bề mặt tấm BTXM 10
Hình 2.1: Mô hình kết cấu mặt đường tăng cường 22
Hình 3.1: Mô hình kết cấu khi bỏ qua lớp bê tông lót và lớp tạo phẳng. . 29
Hình 3.2: Vệt bánh xe, CourtesyTekscan, Inc 31
Hình 3.3: Mô hình tải trọng bánh xe 31
Hình 3.4: Các vị trí tính toán của bánh xe trên tấm BTXM 32
Hình 3.5: Mô hình rời rạc của tấm BTXM tăng cường 32
Hình 3.6: Phần tử tấm MĐ tăng cường 33
Hình 3.7: Hệ toạ độ địa phương và hệ toạ độ tổng thể 43
Hình 3.8: Phần tử tấm BTXM mặt đường cũ 47
Hình 4.1: Mô hình kết cấu ví dụ tính toán 58

Hình 4.2: Sơ đồ phân chia phần tử 59
Hình 4.3: Các vị trí tính toán của bánh xe 60
Hình 4.4: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở tâm tấm 61
Hình 4.5: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở tâm tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 61
Hình 4.6: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở cạnh tấm 62
5
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Hình 4.7: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở cạnh tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 63
Hình 4.8: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở góc tấm 63
Hình 4.9: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở góc tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 64
Hình 4.10: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở tâm tấm 65
Hình 4.11: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở tâm tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 65
Hình 4.12: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở cạnh tấm 66
Hình 4.13: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở cạnh tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 67
Hình 4.14: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở góc tấm 67
Hình 4.15: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải
trọng bánh xe đặt ở góc tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 68
6
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

MỤC LỤC
Trang
Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ
Mục lục
PHÀN MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG
MẶT ĐƯỜNG BTXM 1
1.1.Mặt đường BTXM và các hư hỏng 1
1.1.1. Cấu tao chung của mặt đường bê tông xi măng 1
1.1.2. Các hư hỏng của mặt đường BTXM 7
1.2.Các phương pháp tăng cường mặt đường BTXM 11
1.3.Các phương pháp tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt
đường BTXM cũ hiện có 13
1.3.1. Theo hướng dẫn trong quy trình tính toán mặt đường cứng
của Liên Xô cũ 15
1.3.2. Theo tiêu chuẩn của Cục hàng không liên Bang Mỹ FAA 19
1.3.3. Theo phương pháp Cơ học - thực nghiệm của chương trình
NCHRP của Mỹ 20
1.4.Phạm vi và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn 20
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN LÝ THUYẾT TÍNH
TOÁN TĂNG CƯỜNG MẶT ĐƯỜNG BTXM 22
2.1.Mô hình bài toán và các tiêu chuẩn tính toán 22
2.2.1. Mô hình bài toán 22
2.2.2. Các tiêu chuẩn tính toán 23
2.2.Xây dựng thuật toán 23
7
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
2.2.1Các giả thiết tính toán 23

2.2.2Các phương trình cơ bản 25
2.2.3Các điều kiện biên 26
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
TRÊN MÁY TÍNH 29
3.1.Phương pháp giải 29
3.2.Thuật toán phần tử hữu hạn 32
3.2.1. Tính toán lớp mặt đường tăng cường 32
3.2.2. Tính toán lớp mặt đường cũ 47
3.3.Chương trình tính toán trên máy tính 49
3.3.1Sơ đồ thuật toán 49
3.3.2Chương trình tính toán trên máy tính bằng ngôn ngữ Matlab 50
CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN BẰNG SỐ 51
4.1. Ví dụ tính toán 51
4.2. Tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường theo quy trình Liên Xô cũ 52
4.3. Tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường theo chương trình TCMĐ 58
4.4. Nhận xét – đánh giá 69
KẾT LUẬN 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
8
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
PHẦN MỞ ĐẦU
Tính đến cuối năm 2014, cả nước ta có 221.115 km đường bộ, trong đó
có 17.295 km đường quốc lộ (theo số liệu của cục đường bộ Việt nam, trích
tạp chí GTVT 12/2004). Giao thông vận tải nói chung, và giao thông đường
bộ nói riêng có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự phát triển của kinh tế xã
hội, nó được ví như những "huyết mạch" của nền kinh tế quốc dân. Do đó
trong những năm gần đây, Đảng và nhà nước ta đã quan tâm đến việc đầu tư
xây dựng và phát triển hệ thống giao thông đường bộ, đã ban hành nhiều chủ
trương chính sách nhằm từng bước phát triển và mở rộng hệ thống giao thông

đường bộ với phương châm nhà nước, các tổ chức, thành phần kinh tế và toàn
dân cùng xây dựng và phát triển giao thông vận tải. Các dự án lớn liên tiếp
được đầu tư, hoàn thành từng bước nhằm hoàn thiện mạng lưới đường quốc
gia, trong đó có các dự án lớn như QL1, đường Xuyên Á, đường Hồ Chí
Minh, QL5, QL 10, QL 18 được đầu tư xây dựng đã tạo nên một sự phát
triển nhảy vọt cho mạng lưới đường bộ quốc gia.
Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Tuy nhiên, một vấn đề gặp phải đối với hệ thống đường ô tô của nước ta đã
được xây dựng trước đây là khi số trục xe thông qua vượt quá số trục tương
đương thiết kế hay khi mặt đường xe chạy bị hư hỏng nghiêm trọng do nhiều
nguyên nhân khác nhau, đã gây ảnh hưởng rất lớn đối với sự an toàn cũng
như tính tiện nghi khi chạy xe, ngoài ra còn gây nên những hậu quả tiêu cực
về mặt xã hội như: ách tắc giao thông, nạn kẹt xe, tai nạn giao thông Trong
khi đó nguồn vốn, nguồn kinh phí cho việc xây dựng mới mạng lưới đường
bộ của nước là còn rất hạn hẹp, các dự án đầu tư xây dựng đường bộ mới đều
là các nguồn vốn vay của nước ngoài
9
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Do vậy, việc bảo dưỡng, sửa chữa và thiết kế tăng cường cho mạng lưới giao
thông đường bộ, để có thể đáp ứng được sự phát triển của nền kình tế trong
giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá ở nước ta hiện nay đang trở nên hết
sức cần thiết và cấp bách.
Nội dung nghiên cứu
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Tính toán bề
dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt đường BTXM cũ theo phương pháp
phần tử hữu hạn” làm nội dung nghiên cứu trong luận văn với mục đích áp
dụng một phương pháp tính toán còn khá mới mẻ trong cơ học kỹ thuật vào
trong tính toán tăng cường mặt đường BTXM đường ô tô, trên cơ sở giải
quyết bài toán bài toán tấm hai lớp trên nền đàn hồi chịu tải trọng tĩnh, bằng
phương pháp phần tử hữu hạn.

Phương pháp nghiên cứu
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhảy vọt của kỹ thuật máy tính – tin
học đã mang lại những công cụ hữu ích cho các ngành khoa học kỹ thuật nói
chung và ngành cơ học kỹ thuật nói riêng. Rất nhiều bài toán cơ học mà
trước đây nếu chỉ sử dụng các phương pháp giải tích sẽ gặp khó khăn, thì nay
có thể thực hiện được bằng các phương pháp số trên máy tính điện tử, trong
đó nổi bật là phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Trên cơ sở các nguyên
lý năng lượng, sử dụng phép nội suy qua các hàm xấp xỉ chuyển vị, điều kiện
cân bằng phân tố được thay thế bằng điều kiện cân bằng của phần tử có kích
thước hữu hạn, với số bậc tự do hữu hạn, từ đó thay các phương trình vi phân
cân bằng bằng hệ phương trình đại số tuyến tính, các quan hệ vật lý được biểu
diễn dưới dạng ma trận phù hợp với ngôn ngữ của máy tính. Do có tính tổng
quát cao nên nó đã nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi, nhiều bộ chương
trình rất mạnh dùng để tính toán kết cấu hệ thanh, hệ tấm, vỏ … theo các
thuật toán của các phương pháp này đã được các tác giả trong nước và trên
10
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
thế giới xây dựng tương đối hoàn chỉnh. Trong điều kiện như vậy, việc tính
toán kết cấu tấm (hay tổng quát hơn là vỏ) không còn gặp nhiều khó khăn như
trước do các hạn chế về hình dạng, tải trọng hay điều kiện biên phức tạp gây
ra. Nhiều mô hình kết cấu hỗn hợp gồm hai hay nhiều loại phần tử thanh, tấm,
vỏ làm việc đồng thời đã được xây dựng để giải các bài toán tĩnh, động lực
hay ổn định đàn hồi …
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Sử dụng phương pháp phàn tử hữu hạn để xây dựng thuật toán và chương
trình máy tính để giải bài toán tấm 2 lớp trên nền đàn hồi chịu tác dụng của tải
trọng tĩnh. Từ đó, áp dụng cho tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên
mặt đường BTXM cũ theo các tiêu chuẩn tính toán.
Nội dung của luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: giới thiệu tổng quan về mặt đường BTXM (đường ô tô và

đường sân bay), các phương pháp tính toán bề dầy tấm BTXM tăng
cường trên mặt đường BTXM cũ hiện có.
Chương 2: trình bày mô hình của bài toán bao gồm: mô hình cơ học,
các tiêu chuẩn tính toán, các giả thiết tính toán, các phương trình cơ
bản và các điều kiện biên.
Chương 3: trình bày thuật toán PTHH và chương trình tính toán trên
máy tính cho bài toán tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt
đường BTXM cũ.
Chương 4: trình bày các ví dụ tính toán bằng số.
11
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
TĂNG CƯỜNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
1.1.Mặt đường bê tông xi măng và các hư hỏng
1.1.1. Cấu tạo chung của mặt đường bê tông xi măng
Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) được sử dụng trên các đường ô tô cấp
cao, đường cao tốc, đường đô thị, đường sân bay và đường trong các khu
công nghiệp có tải trọng trục xe lớn. Mặt đường BTXM được chia thành các
loại như: mặt đường BTXM đổ tại chỗ và mặt đường BTXM lắp ghép, mặt
đường BTXM không cốt thép và có cốt thép, mặt đường BTXM cốt thép
thường và BTXM ứng suất trước.
Ưu điểm chủ yếu của mặt đường BTXM là có cường độ cao, thích hợp với
các loại xe có tải trọng trục nặng, có độ bằng phẳng, độ nhám và ổn định nhiệt
tốt, niên hạn sử dụng dài (từ 20 – 30 năm hoặc lâu hơn).
Nhược điểm chủ yếu là thi công phức tạp (do phải làm nhiều khe), dễ bị hư
hỏng và thấm nước ở vị trí khe, dễ bị nứt gẫy khó xử lý khi đặt nền móng
không tốt và bị lún không đều.
Tuỳ thuộc vào cấp hạng đường, mật độ xe cộ mà cấu tạo của mặt đường được
tính toán cho phù hợp. Trong trường hợp tổng quát, mặt đường BTXM có cấu
tạo thành nhiều lớp như hình 1.1, trong đó:

Hình 1.1: Mặt cắt ngang của mặt đường BTXM đổ tại chỗ
1- Lớp mặt (tấm BTXM); 2- Lớp tạo phẳng
3- Lớp móng nhân tạo; 4 - Nền đất
12
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
B: Bề rộng phần xe chạy; b: Dải an toàn hoặc lề gia cố
C: Bề rộng lề; B
m
: Bề rộng móng; d: Bề rộng thêm của móng
1.Lớp mặt của mặt đường BTXM được cấu tạo từ các tấm BTXM có bề
dầy từ 18 – 24 cm, là bộ phận chịu lực chủ yếu của kết cấu mặt đường, chịu
tác dụng trực tiếp của tải trọng bánh xe. Các tấm BTXM cấu tạo lớp mặt được
bố trí trên mặt bằng như hình 1.2.
Hình 1.2: Sơ đồ bố trí khe trong mặt đường BTXM
Các khe giữa các tấm bê tông được chia làm hai loại: khe dọc và khe ngang.
Khe dọc và khe ngang thẳng góc với nhau và khe ngang trên hai làn xe thẳng
hàng với nhau. Ở các đoạn có nhánh đường rẽ chéo thì đầu khe ngang của làn
rẽ và đầu khe ngang của làn đi thẳng được bố trí trùng nhau. Khe ngang lại
được chia làm hai loại: khe dãn và khe co. Hình thức của các loại khe được
mô tả như hình 1.3.
Các khe dọc được bố trí dọc theo tim đường hoặc song song với tim đường,
khoảng cách giữa hai khe thường bố trí bằng bề rộng một làn xe ( luôn ≤
Khe ngang
Lề đường
Lề đường
Khe dọc Khe dọc
Thanh
truyền
lực
Chiều dài tấm

13
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
4.5
m
). Khe dọc thường được làm theo kiểu khe ngàm (hình 1.3c) hoặc kiểu có
thanh truyền lực (hình 1.3d). Các thanh truyền lực của khe dọc thường có
đường kính từ 10 – 12 mm, chiều dài 75 cm và đặt cách nhau 75 cm.
Hình 1.3: Các loại khe trên mặt đường BTXM
a. Khe dãn có thanh truyền lực b.Khe co giả
c.Khe dọc kiểu ngàm d. Khe dọc có thanh truyền lực
Trường hợp khe dọc làm theo khe kiểu ngàm thì kích thước của ngàm được
xác định như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Các kích thước của ngàm
Chiều dày tấm
bê tông (cm)
Các kích thước của ngàm
A B c l
δ
18
20
22
24
26
28
30
6
7
7.5
8
9

9.5
10
6
6
7
8
8
9
10
6
7
7
8
9
9.5
10
3.5
4
4
4
4.5
4.5
5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5

14
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Các khe ngang (dãn, co) được bố trí thẳng góc với tim đường, trong đó các
khe dãn thường được bố trí theo kiểu thanh truyền lực (hình 1.3a), còn các
khe co thường làm theo kiểu khe giả (hình 1.3b). Khoảng cách giữa các khe
ngang được lấy như trong bảng 1.2.
Bảng 1.2: Khoảng cách giữa các khe ngang (mét)
Loại kết cấu mặt đường và kiểu khe
Chiều dày
tấm bê tông
(mm)
Nhiệt độ không khí khi đổ bê tông
(
0
C)
5 - 15 16 – 25
≥ 26
Mặt đường bê tông không cốt thép
trên móng cát và hỗn hợp cát sỏi:
- Khe dãn
- Khe co
24
20 – 22
18
20 – 24
18
48
36
25
6

5
60
42
30
6
5
cuối ca thi công
42
40
6
5
Mặt đường bê tông không cốt thép
trên móng cát gia cố xi măng và các
loại móng gia cố các chât liên kết vô
cơ khác
- Khe dãn
- Khe co
24
20 – 22
18
20 – 24
18
54
42
25
6
5
72
54
35

6
5
cuối ca thi công
45
6
5
*Chiều rộng của khe dãn được tính theo công thức:
b = β.α.L.∆t.1000 (cm) (1-1)
trong đó: ∆t là hiệu số giữa nhiệt độ ngoài trời cao nhất nơi làm đường với
nhiệt độ lúc đổ bê tông.
β là hệ số ép co của vật liệu chèn khe. Khi chèn khe bằng matít
thì lấy β = 2.0
L là khoảng cách giữa hai khe giãn tính theo mét
α là hệ số dãn nở của bê tông, thường lấy α = 0,00001
15
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
*Chiều rộng của khe co thường lấy từ 8 –12
mm
Mặt cắt ngang của tấm bê tông mặt đường có bề dày không đổi và được làm
theo một trong hai kiểu: có dùng cốt thép tăng cường mép tấm hoặc không
tăng cường mép tấm bằng cốt thép, được mô tả như hình 1.4.
Hình 1.4: Cấu tạo mặt cắt ngang tấm BTXM
a.Có dùng cốt thép tăng cường mép tấm
b.Không dùng cốt thép tăng cường mép tấm
Bề dày của tấm BTXM được tính toán theo điều kiện cường độ của mặt
đường. Theo kinh nghiệm khai thác thì bề dày tối thiểu của tấm bê tông được
xác định như trong bảng 1.3.
Bảng 1.3: Bề dày tối thiểu của tấm BTXM
Vật liệu lớp móng
Bề dày tấm BTXM tối thiểu (cm) tuỳ thuộc lưu lượng xe tính toán

(xe/ngày đêm)
> 10000
7000 –
10000
5000-7000 3000-5000 2000-3000 1000-2000
- Đá, cát, đất gia cố chất
liên kết vô cơ
- Đá dăm, xỉ, sỏi, cuội
- Cát, cấp phối
24
-
-
22
-
-
22
22
-
20
20
22
18
18
20
18
18
18
Về vật liệu, bê tông làm tầm BTXM phải có cường độ chịu uốn giới hạn ≥ 40
daN/cm
2

và cường độ chịu nén giới hạn ≥ 300 daN/cm
2
. Đối với đường cấp
cao (cấp I, II) thì cường độ chịu uốn giới hạn phải ≥ 45 daN/cm
2
và cường độ
chịu nén giới hạn phải ≥ 350 daN/cm
2
.
Các chỉ tiêu về cường độ và mô đun đàn hối của bê tông làm đường được yêu
cầu như trong bảng 1.4.
h
1
Cốt thép
a)
h
2
b)
16
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Bảng 1.4: Các chỉ tiêu cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông làm đường
Các lớp kết cấu
Cường độ giới hạn sau 28 ngày (daN/cm
2
)
Mô đun đàn hồi E
(daN/cm
2
)
Cường độ chịu kéo uốn Cường độ chịu nén

Lớp mặt
50
45
40
400
350
300
35.10
4
33.10
4
31,5.10
4
Lớp móng của mặt
đường bê tông nhựa
35
30
25
250
200
170
29.10
4
26,5.10
4
23.10
4
2.Lớp tạo phẳng (Lớp ngăn cách) được bố trí giữa lớp mặt và lớp móng
có bề dầy từ 2 ÷ 5 cm, có tác dụng tạo phẳng cho lớp móng, khắc phục
những chỗ lồi lõm trên mặt lớp móng , làm giảm nhỏ ma sát và lực dính bám

giữa lớp mặt và lớp móng, làm cho các tấm bê tông có thể co hoặc dãn tự
nhiên hơn, và do đó có thể làm giảm ứng suất nhiệt trong các tấm bê tông.
Ngoài ra, lớp tạo phẳng còn đóng vai trò như một lớp kín nước, ngăn không
cho nước từ trên lớp mặt thấm qua các khe xuống nền đất. Lớp tạo phẳng có
thể làm bằng cát trộn nhựa dày từ 2÷3cm hoặc bằng giấy dầu hoặc các loại
vật liệu dạng màng pôlime …
3.Lớp móng nhân tạo được bố trí ngay dưới lớp tạo phẳng để giảm ứng
suất do tải trọng truyền xuống nền đất và cùng tham gia chịu lực với tấm
BTXM mặt đường, nhằm hạn chế nước mặt ngấm qua khe xuống nền đất để
giảm tích luỹ biến dạng ở góc, cạnh tấm (nơi tấm dễ gẫy vỡ), tạo điều kiện
bảo vệ độ bằng phẳng, ổn định, nâng cao cường độ và khả năng chống nứt,
kéo dài tuổi thọ của mặt đường. Lớp móng nhân tạo phải đảm bảo cho ô tô và
máy rải bê tông chạy trên lớp móng trong thời gian thi công nên bề rộng lớp
móng thường lớn hơn bề rộng mặt đường, nó được xác định tuỳ thuộc vào
17
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
phương pháp và tổ hợp máy thi công, nhưng trong mọi trường hợp bè rộng
lớp móng cần rộng hơn mặt đường từ 0,3 ÷ 0,5m về mỗi bên.
Lớp móng nhân tạo có thể làm một lớp hoặc hai lớp tuỳ thuộc vào cấp hạng
của đường. Vật liệu sử dụng làm lớp móng có thể bằng bê tông nghèo, cấp
phối đá dăm gia cố xi măng, cát gia cố xi măng, đất gia cố xi măng hoặc gia
cố vôi. Với các đường địa phương hoặc đường nội bộ, ít xe tải trọng nặng
chạy thì có thể làm móng bằng đá dăm, xỉ hoặc cát hạt lớn.
4.Nền đất dưới kết cấu áo đường BTXM có thể là nền đắp hoặc nền đất
tự nhiên. Trong mọi trường hợp, 50cm nền đất trên cùng (tính từ đáy áo
đường xuống dưới) phải được đầm nén chặt đạt hệ số đầm nén k = 100%, tiếp
50cm này trở xuống (nhưng không quá 1.20m tính từ mặt đường) phải đạt hệ
số đầm nén K = 95÷98%. Tại các đoạn nền đường có điều kiện địa chất, địa
chất thuỷ văn không tốt thì phải có các biện pháp xử lý kỹ thuật đặc biệt như:
thay đất, dùng giếng cát, hoặc bấc thấm, hay các biện pháp gia tải trước, thoát

nước thẳng đứng để gia cường nền đất yếu đạt yêu cầu về cường độ và độ
biến dạng.
1.1.2 Các hư hỏng của mặt đường BTXM
Mặc dù có nhiều ưu điểm như cường độ cao, độ ổn định về mặt cường độ với
nhiệt và với nước tốt nhưng mặt đường BTXM trong quá trình khai thác, sử
dụng vẫn xảy ra các hư hỏng (mặt đường bị phá hoại). Nguyên nhân chính và
trực tiếp gây phá hoại đến kết cấu mặt đường BTXM là tác dụng động của tải
trọng bánh xe, mà đặc điểm của tác dụng động này là: đột ngột, tức thời và
trùng phục. Ngoài ra, còn do ảnh hưởng của môi trường thiên nhiên mà chủ
yếu là tác động của sự biến đổi nhiệt độ theo mùa và theo chu kỳ ngày đêm,
cũng như tác dụng xâm nhập của các nguồn ẩm …
Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe chạy, do tấm BTXM có độ cứng lớn hơn
nhiều so với móng và nền đất, nên tấm sẽ bị uốn theo hai phương dọc và
18
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
ngang của mặt đường. Nếu tấm BTXM không đảm bảo cường độ (bề dầy) thì
tấm sẽ bị nứt dọc hoặc nứt ngang ở giữa tấm, hay ở góc và cạnh tấm ( hình
1.5). Đặc biệt là hay nứt ngang ở góc và cạnh tấm vì tại đó khi bánh xe thông
qua, ứng suất kéo uốn do tải trọng bánh xe gây ra lớn hơn so với khi bánh xe
đặt ở giữa tấm. Thêm vào đó, nước mặt có thể xâm nhập qua các khe của tấm
xuống móng và nền làm cường độ móng và nền bị giảm dẫn đến phát sinh
biến dạng tích luỹ ở lân cận góc và cạnh tấm, tạo ra sự tiếp xúc không tốt giữa
tấm và móng gây ra hiện tượng tấm bị cập kênh, bị hiệu ứng công xon.
Hình 1.5: Vết nứt dọc và ngang giữa tấm BTXM
Tác dụng trùng phục của bánh xe chạy cũng thúc đẩy quá trình tích luỹ biến
dạng dẻo khiến cho cường độ chịu kéo uốn và tuổi thọ của bê tông bị giảm đi
và tấm sẽ bị phá hoại vì nứt sau khi chịu đựng số lần xe chạy nhất định. Sự
giảm cường độ này tuân theo công thức thực nghiệm sau:
.log
ku

ku
N
R
σ
α β
= −
(1-2)
trong đó: R
ku
là cường độ chịu kéo uốn giới hạn dưới tác dụng của tải trọng
1 lần.
ku
σ
là ứng suất kéo uốn do tải trọng trùng phục gây ra trong tấm
bê tông.
19
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
N là số lần tác dụng của tải trọng trùng phục
,
α β
là các hệ số hồi quy thực nghiệm (thường lấy
0.691, 0.063
α β
= =
).
Nếu
0.75
ku
ku
R

σ
<
thì tần suất tác dụng cuả tải trọng không có ảnh hưởng gì đến
sự giảm cường độ nói trên.
Hình 1.6: Vết nứt dọc và ngang ở góc tấm BTXM
Ngoài ra lực ngang giữa bánh xe và mặt đường cũng gây ra các tác dụng phá
hoại mặt đường, như tác dụng bào mòn lâu dần sẽ làm bong tróc bề mặt tấm
bê tông, dẫn đến bong bật các hạt cốt liệu (hình 1.7) khiến việc đi lại của các
phương tiện không được êm thuận, gây tiếng ôn và bụi, đồng thời giảm cường
độ của tấm bê tông.
20
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Hình 1.7: Bong bật vật liệu bề mặt tấm BTXM
Sự thay đổi của nhiệt độ cũng có thể gây ra những ảnh hưởng bất lợi tới sự
làm việc của các tấm bê tông nếu như việc tính toán bề dày, hoặc bố trí các
khe co giãn không được hợp lý. Ngoài ra, do sự tồn tại của lực ma sát giữa
tấm bê tông và bề mặt lớp móng, nên các tấm bê tông sẽ chịu kéo lệch tâm khi
bê tông giãn nở về mùa hè. Tấm bê tông có kích thước càng lớn thì trị số ứng
suất kéo càng lớn và tấm có thể bị phá hoại do uốn dọc.
Hơn nữa, sự thay đổi nhiệt độ giữa ban ngày và đêm còn làm chênh lệch nhiệt
độ giữa mặt trên và và mặt dưới của tấm bê tông, cụ thể là về ban ngày, nhiệt
độ tăng nhanh khiến cho mặt trên của tấm bê tông có nhiệt độ cao hơn mặt
dưới, còn về ban đêm nhiệt độ giảm xuống nhanh khiến cho nhiệt độ của mặt
trên thấp hơn nhiệt độ mặt dưới của tấm. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên
và mặt dưới của tấm bê tông gây ra hiện tượng uốn nhiệt. Nếu tấm bê tông bị
hạn chế về khả năng co giãn thì ứng suất kéo lớn nhất do hiện tượng uốn
nhiệt, được tính theo công thức:
2
. .
2(1 )

b
E t
α
σ
µ
∆
=
−
(1-3)
trong đó: E
b
là mô đun đàn hồi của bê tông
α là hệ số nở nhiệt của bê tông
21
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
∆t là chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm bê tông
trong một chu kỳ ngày đêm
µ là hệ số Poát xông
có khả năng vượt quá cường độ chịu kéo uốn của bê tông, và có thể gây nứt
bề mặt tấm. Hiện tượng uốn nhiệt diễn ra liên tục theo chu kỳ ngày đêm làm
cho ứng suất uốn nhiệt luôn thay đổi dấu và có thể làm cho tấm bê tông bị
mỏi nhiệt. Do vậy, một số nhà nghiên cứu đã xem sự biến đổi nhiệt độ giữa
ngày và đêm như một loại tải trọng trùng phục có thể làm cho tấm bê tông bị
phá hoại.
Đối với mặt đường BTXM đường sân bay, sự hư hỏng của mặt đường được
phân thành các cấp độ như bảng 1.5:
Bảng 1.5: Phân cấp hư hỏng mặt đường BTXM đường sân bay
Cấp
hư
hỏng

Số lượng tấm, % có
Bong tróc bề
mặt chiều sâu
trên 1cm
Sứt mẻ
cạnh, góc
tấm
Đường nứt suốt
(dọc hoặc ngang )
Sứt mẻ cạnh, góc, nứt suốt
theo đường chéo và các
đường nứt suốt dọc, ngang
I < 10 - - -
II
10 ÷ 30
< 30 < 30 -
III > 30
≥ 30 20 ÷ 30
< 20
IV
Không quy định
>30
≥ 20
1.2. Các phương pháp tăng cường mặt đường BTXM
Phạm vi áp dụng: Việc tăng cường mặt đường BTXM cũ được thực hiện khi:
có nhu cầu phải tăng cường khả năng chịu tải của mặt đường, do mặt đường
đã có những hư hỏng (bong tróc bề mặt, sứt mẻ, biến dạng, mài mòn tấm),
không đảm bảo sự an toàn và êm thuận cho các phương tiện qua lại mà không
thể khắc phục các hư hỏng đó bằng các phương pháp sửa chữa thường xuyên
22

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
hoặc khi có nhu cầu nâng cấp mặt đường do có sự gia tăng về tải trọng trục
trên đường.
Các phương pháp tăng cường: Việc tăng cường được thực hiện bằng cách
thiết kế một lớp tăng cường bên trên mặt đường cũ. Lớp tăng cường đó có thể
bằng bê tông asphalt hoặc bê tông xi măng.
Trường hợp lớp tăng cường bằng bê tông asphalt thì có thể cấu tạo bằng một
hoặc hai lớp asphalt mịn, chặt, và có thể bố trí lớp bù vênh khi độ gồ ghề vượt
quá 3cm. Trước khi thi công, mặt đường BTXM cũ phải được làm sạch, để
lớp bê tông asphatl tăng cường có thể dính bám tốt hơn, ngoài ra có thể quét
một lớp nhựa bi tum lỏng với hàm lượng 0.6 ÷ 0.8 kg/m
2
trên mặt đường bê
tông cũ để tăng khả năng dính bám. Nếu mặt đường cũ có nhiều đường nứt,
và các tấm bê tông bị sứt mẻ cạnh, góc nhiều thì sử dụng lưới thép hàn từ thép
sợi có đường kính φ2 ÷ φ3, với bước lưới từ 10x10 cm hoặc 7.5x7.5 cm đặt
trên toàn bộ mặt tấm cũ và cách tấm cũ một khoảng 1.5cm. Chiều dày của lớp
asphalt tăng cường không được nhỏ hơn 7cm.
Trường hợp lớp tăng cường bằng bê tông thì có thể sử dụng BTXM thường
không cốt thép hoặc có cốt thép, hoặc BTXM lưới thép, hoặc bê tông cốt thép
ứng suất trước lắp ghép. Khi đó việc thi công có thể được thực hiện bằng
phương pháp đổ trực tiếp hoặc phương pháp đổ bê tông có sử dụng lớp cách
ly. Trong trường hợp đổ trực tiếp thì phải đảm bảo điều kiện dính bám tốt
giữa mặt đường cũ và lớp tăng cường, và đảm bảo sự trùng khe giữa các lớp
để tránh hiện tượng nứt tấm tăng cường tại vị trí khe của mặt đường cũ. Còn
khi tăng cường mặt đường bằng phương pháp đổ bê tông qua lớp cách ly thì
không yêu cầu phải trùng khe giữa hai lớp bê tông.
Khi mặt đường cũ có độ gồ ghề trên 0.5cm thì ngoài việc bố trí lớp cách ly thì
cần làm thêm lớp bù vênh. Khi chiều sâu độ gồ ghề dưới 2cm thì lớp bù vênh
có thể làm bằng vữa cát – xi hoặc bi tum – cát, còn khi độ gồ ghề trên 2cm thì

23
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
lớp bù vênh làm bằng bê tông cát. Chiều dày lớp bù vênh cần lớn hơn 1 – 2cm
chiều sâu độ gồ ghề của mặt đường cũ, nhưng không quá 6cm. Khi chiều sâu
độ gồ ghề vượt quá 5cm thì trước khi thi công lớp bù vênh thì phải làm phẳng
sơ bộ mặt đường cu bằng bê tông cát hoặc bê tông xi măng cốt liệu nhỏ.
Các lớp tăng cường có dạng tấm hình vuông hoặc hình chữ nhật. Cấu tạo lớp
tăng cường tương tự như đối với tấm BTXM, bê tông xi măng lưới thép và bê
tông xi măng cốt thép. Khi tăng cường mặt đường trên các vùng có điều kiện
địa chất công trình phức tạp thì kích thước của tấm bê tông tăng cường không
được lớn hơn 5m khi chiều dày dưới 30cm, và 7,5m khi chiều dày tấm lớn
hơn 30cm; 10m đối với bê tông lưới thép khi có biên độ dao động nhiệt theo
năm là trên 45
0
C; 15m khi biên độ dao động nhiệt theo năm nhỏ hơn 45
0
C.
1.3.Các phương pháp tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt
đường BTXM cũ hiện có.
Hiện nay vấn đề tính toán thiết kế tăng cường áo đường cứng trong nước chưa
có hướng dẫn cụ thể trong tiểu chuẩn thiết kế (tiêu chuẩn 22TCN233-95). Tuy
nhiên trong một số tài liệu trong và ngoài nước, một số tác giả có đưa ra một
số gợi ý hướng dẫn về phương pháp tính toán tăng cường, dựa trên kết quả bài
toán tính tấm nhiều lớp trên nền đàn hồi
Trước khi thiết kế tăng cường mặt đường cần tiến hành khảo sát tình trạng
thực tế của mặt đường cũ nhằm xác định các tham số thiết kế như: tình trạng
hư hỏng của mặt đường (số lượng và chiều dài các đường nứt suốt chiều dọc,
ngang, cạnh và góc tấm, độ gồ ghề của mặt đường), các yếu tố hình học của
mặt đường cũ (bề rộng làn, kích thước tấm, độ dốc dọc, dốc ngang, kích
thước và cấu tạo của các khe trên mặt đường), và đặc biệt là các yếu tố về

cường độ của mặt đường cũ trong đó phải kể đến như: cường độ kéo - uốn và
mô đun đàn hồi kéo - uốn của tấm BTXM mặt đường cũ, chiều dày tấm
24
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
BTXM mặt đường cũ, mô đun đàn hồi tương đương của bề mặt tầng móng
nhân tạo.
Cường độ kéo uốn và mô đun đàn hồi kéo uốn của mặt đường cũ được xác
định thông qua thí nghiệm ép chẻ mẫu BTXM hình trụ lấy từ mặt đường cũ
bằng thiết bị khoan lấy mẫu, và được tính theo công thức sau:
f
b cũ
= 0.621.f
cũ
+ 2.64 (1-4)
trong đó: f
b cũ
là cường độ kéo - uốn của BTXM mặt đường cũ (MPa)
f
cũ
là cường độ ép chẻ của mẫu hình trụ của BTXM mặt đường
cũ, xác định bằng thí nghiệm mẫu lấy từ từ hiện trường về (Mpa)
4
b cu
1.10
E =
0,9634
0.0915
cu
f
+

%
%
(1-5)
trong đ ó: E
b cũ
là mô đun đàn hồi kéo - uốn của mặt đường BTXM cũ
(Mpa).
f
cũ
là cường độ kéo - uốn của BTXM mặt đường cũ (Mpa).
Chiều dày tấm BTXM mặt đường cũ được tính theo công thức sau:
h
t cũ
=
h
t cũ
- S (1-6)
trong đó:
h
t cũ
là chiều dày trung bình của tấm BTXM mặt đường cũ.
h
t cũ
=
1 2 n
h h h
n
+ + +
(1-7)
với h

1
, h
2
, … h
n
là chiều dày thực tế khoan lấy mẫu trên mặt đường cũ
S là sai số tiêu chuẩn của các giá trị điều tra chiều dày tấm mặt đường
cũ (tính theo phương pháp bình phương nhỏ nhất).
Mô đun đàn hồi tương đương của bề mặt tầng móng nhân tạo được xác định
thông qua thí nghiệm tấm ép cứng đặt trực tiếp trên bề mặt tầng móng, được
xác định theo công thức:
2
m
tt
tđ
0.8 0.8
t cu b cu
E
E
0,001718.h .E
 
=
 ÷
 
% %
(1-8)
25
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
với E
tt

là mô đun đàn hồi tính toán trên bề mặt tầng móng nhân tạo nằm dưới
mặt đường BTXM cũ (Mpa), được tính theo công thức:
2 2
0
tt ( )
( )
πD pα(1-μ )
E
4
d
d
l
l
=
(1-9)
trong đó: p là áp lực trên tấm ép cứng (Mpa).
D là đường kính tấm ép (m).
( )d
l
là trị số độ võng đàn hồi thực đo của điểm cách tâm bản nén
một khoảng bằng D (cm).
( )d
l
là hệ số đo độ võng.
α
là hệ số đặc trưng tính đàn hồi của mặt đường BTXM cũ
( )
( )
1/ 3
2

tt b
2
t cu
b cu 0
6E 1μ
1
α =
h
E 1μ
 
−
 
−
 
 
%
%
(1-10)
trong đó:
b o
μ ,μ
là hệ số Poát xông của bê tông mặt đường cũ và hệ số Poát
xông tổng hợp của nền đất - lớp móng nhân tạo (thường lấy
o
μ 0.3=
)
1.3.1.Tính toán bề dầy tấm BT tăng cường theo quy trình tính toán mặt
đường cứng của Liên Xô cũ (tiêu chuẩn СНИП 2-05-08-85).
- Trường hợp lớp mặt đường tăng cường dính chặt với lớp mặt đường cũ thì
khả năng chịu tải của mặt đường tăng cường không có gì khác so với mặt

đường liền khối. Do vậy, việc tính toán có thể áp dụng như tính toán mặt
đường BTXM một lớp.
- Trường hợp giữa lớp mặt đường tăng cường và lớp mặt đường cũ không có
liên kết (tức là giữa chúng có lớp cách ly):
+ Nếu lớp mặt tăng cường là bê tông asphalt thì theo [5] bề dày cần
thiết của lớp bê tông asphalt là: