Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam (tt)

1
MỞ ĐẦU
*Đặt vấn đề nghiên cứu
Mặt đường BTXM - mặt đường cứng cùng với mặt đường mềm là hai loại hình mặt đường chính được
sử dụng cho giao thông đường bộ và sân bay, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nên mạng lưới giao
thông của các khu vực, lãnh thổ và xuyên quốc gia. Tại Việt Nam, việc kiểm soát chất lượng thi công chưa tốt,
chưa đánh giá đúng sức chịu tải của mặt đường sau khi thi công, trong khi lượng xe tải, xe nặng và các xe vượt
tải ngày càng tăng kết hợp với các yếu tố môi trường ngày càng khắc nghiệt làm mặt đường nhanh chóng bị
xuống cấp. Hiện nay, các thí nghiệm biến dạng không phá hủy (Nondestructive deflection test - NDT) đang được
sử dụng rộng rãi để đánh giá kết cấu áo đường. Đặc điểm của thí nghiệm này là khắc phục những nhược điểm
của các thí nghiệm phá hoại kết cấu như việc lấy mẫu, khoan, cắt, đào,… làm ảnh hưởng đến khả năng làm việc
của mặt đường; cần nhiều thời gian thực hiện , không thể thực hiện thường xuyên…Chính vì vậy đề tài :
“Nghiên cứu một số thông số đặc trưng đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô bằng
phương pháp không phá hủy ở Việt Nam” được hình thành, bước đầu góp phần hoàn thiện quy trình đánh giá chất
lượng mặt đường BTXM là hoàn toàn có cơ sở khoa học, đáp ứng được đòi hỏi của thực tiễn.
*Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu được tiến hành với mục đích đưa ra các kết quả nhằm ứng dụng có hiệu quả phương pháp
đánh giá chất lượng mặt đường BTXM tại Việt Nam với các vấn đề:
- Tổng quan về các tham số đặc trưng cho mặt đường BTXM, phương pháp xác định.
- Thiết kế chế tạo bộ thiết bị đo đạc bổ sung phục vụ nghiên cứu thực nghiệm
- Xây dựng tương quan giữa cường độ chịu kéo khi uốn và mô đun đàn hồi của BTXM phục vụ cho việc
kiểm toán trạng thái giới hạn.
- Xây dựng tương quan giữa mô đun đàn hồi động và mô đun đàn hồi tĩnh nền đường.
- Thông qua các thí nghiệm đo đạc mô hình trong phòng thí nghiệm, trên đoạn đường thi công phục vụ thử
nghiệm, trên đoạn đường đang khai thác sẽ phân tích đánh giá số liệu, cách xử lý số liệu, từ đó đề xuất phương
pháp đánh giá sức chịu tải của mặt đường BTXM phù hợp với điều kiện Việt Nam.
* Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
- Mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông.
- Thiết bị đo đạc đánh giá mặt đường BTXM hiện có hoặc có khả năng chế tạo tại Việt Nam.
- Các phương pháp đánh giá phù hợp với điều kiện Việt Nam.
*Phƣơng pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: kết hợp lý thuyết với thực nghiệm trên mô hình và thực nghiệm kiểm chứng ngoài
hiện trường nhằm hoàn thiện phương pháp đánh giá chất lượng mặt đường BTXM.
* Nội dung nghiên cứu bao gồm:
-Nghiên cứu mô hình tính toán kết cấu mặt đường BTXM, xác định tham số chính cần đo đạc.
- Nghiên cứu đặc tính của tấm BTXM mặt đường từ đó thiết kế, chế tạo thiết bị đo đạc phù hợp.
- Thực nghiệm đo đạc trên mô hình trong phòng thí nghiệm, trên đoạn đường thi công phục vụ thử nghiệm, trên
đoạn đường đang khai thác.
- Tổng hợp và phân tích các kết quả thí nghiệm, thử nghiệm nhằm đưa ra các chỉ dẫn định hướng về phương
pháp đánh giá chất lượng mặt đường BTXM.
*Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu xác định các tham số chính quan trọng, từ đó lựa chọn thiết bị đo phù hợp để
tiến hành thử nghiệm. Phân tích kết quả đo được để đánh giá phân loại được đối tượng đo, giúp cho việc khai thác sử
dụng phù hợp và hiệu quả.
- Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu chế tạo thiết bị phù hợp với điều kiện Việt Nam, xây dựng phương pháp đánh
giá sức chịu tải mặt đường trước và trong khi khai thác.
* Kết cấu luận án: Gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chương, phần kết luận, kiến nghị và định hướng nghiên cứu tiếp
theo, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục.


2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG SỐ ĐẶC TRƢNG ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƢỢNG KHAI THÁC MẶT ĐƢỜNG BTXM
1.1. Các thông số đặc trƣng cho khả năng khai thác của kết cấu mặt đƣờng bê tông xi măng.
Hiện nay, trên Thế giới có rất nhiều phương pháp đánh giá mặt đường bê tông xi măng khác nhau làm cơ
sở cho việc duy tu, bảo dưỡng và thiết kế nâng cấp. Mỗi phương pháp dựa trên các thông số khác nhau. Có thể
phân thành hai nhóm chính:
1.1.1. Nhóm 1: Đánh giá theo kinh nghiệm
Việc đánh giá khả năng khai thác của kết cấu dựa vào số liệu thị sát và thí nghiệm vật liệu hoặc dựa vào sự
hư hại của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng. Bằng các kinh nghiệm đúc kết được trong suốt quá trình xây
dựng, khai thác và sửa chữa, nâng cấp mà đề ra các giải pháp thiết kế tăng cường hoặc duy tu và sửa chữa. Ví dụ

như:
Căn cứ vào các số liệu đánh giá tình trạng hư hỏng bề mặt,tình trạng thoát nước, số liệu thí nghiệm trên
mẫu khoan và thí nghiệm vật liệu, từ đó đề ra các biện pháp sửa chữa hoặc tăng cường.
Căn cứ vào các số liệu thống kê số lượng tải trọng mà kết cấu đã phục vụ cùng với sự thay đổi các đặc trưng
cơ lý của vật liệu để đánh giá mức độ hư hỏng của kết cấu.
Dựa vào mức độ hư hỏng hiện tại của kết cấu, khả năng phục vụ còn lại của kết cấu sẽ được ước tính và so
sánh lượng xe tương lai có đáp ứng được hay không hoặc phân loại lại cấp hạng của đường, làm cơ sở để chọn
các thông số tính toán cho mặt đường hiện hữu khi tăng cường, sửa chữa.
1.1.2. Nhóm 2: Các thông số dựa trên cơ sở bài toán cơ học
Hiện nay, trên thế giới tồn tại rất nhiều phương pháp tính toán kết cấu mặt đường bê tông xi măng và
mỗi nước dùng một phương pháp thích hợp cho điều kiện của nước mình.
Có thể thấy rằng, các phương pháp tính toán mặt đường bê tông xi măng chủ yếu dựa trên hai bài toán
cơ học cơ bản đó là: các phương pháp dựa trên bài toán “tấm trên nền đàn hồi” và bài toán “hệ đàn hồi nhiều
lớp”.
Với các phương pháp thiết kế mặt đường bê tông xi măng dựa trên lý thuyết của bài toán “tấm trên nền
đàn hồi” của môn cơ học kết cấu với giả thiết xem tấm bê tông xi măng là vật liệu đàn hồi đẳng hướng và tuân
theo giả thuyết tiết diện phẳng và có kích thước vô hạn đặt trên nền đàn hồi với các giả thiết khác nhau về “mô
hình nền”.
Theo mô hình nền bán không gian đàn hồi, tính chất đàn hồi của nền đã được Gorbunov Poxadov giải với
các thông số đặc trưng cho sức chịu tải của mặt đường bê tông xi măng là mô đun đàn hồi của tấm bê tông xi
măng Ebt, mô đun đàn hồi của nền đất E0.
Theo mô hình hệ số nền của Winkler, lời giải của Westergaard đối với tải trọng đặt ở giữa, cạnh và góc tấm
với các thông số đặc trưng cho sức chịu tải của mặt đường bê tông xi măng là mô đun đàn hồi của tấm bê tông xi
măng Ebt,mô đun phản lực nền k.
Một nhân tố có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng khai thác cũng như sự bền vững của kết cấu đó là khả
năng truyền tải của khe nối. Do vậy, việc đánh giá khả năng truyền tải của khe nối luôn được coi là một phần của
quá trình đánh giá sức chịu tải chung của mặt đường bê tông xi măng.
Từ các phân tích ở trên, đặc trưng cho sức chịu tải của mặt đường bê tông xi măng bao gồm các thông số
chính như sau : Mô đun đàn hồi của tấm bê tông xi măng Ebt, mô đun đàn hồi của nền đất E0 hoặc mô đun phản
lực nền k với mô hình hệ số nền của Winkler, khả năng truyền tải của khe nối.

1.2. Phân tích tổng quan kết quả nghiên cứu
1.2.1. Một số nghiên cứu của tác giả nước ngoài
Hiện nay, các thí nghiệm không phá hủy (NDT) đang được sử dụng rộng rãi để đánh giá kết cấu áo
đường. Đặc điểm của thí nghiệm này là khắc phục những nhược điểm của các thí nghiệm phá hoại kết cấu như
việc lấy mẫu, khoan, cắt, đào,… làm ảnh hưởng đến khả năng làm việc của mặt đường; thời gian thực hiện lâu,
không thể thực hiện thường xuyên… Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu đề cập đến vấn đề này và đã thu được
những kết quả quan trọng.
-Nghiên cứu của Priyanka S. và các cộng sự [50]
Nghiên cứu này được thực hiện tại Illinois _ Hoa Kỳ. Theo đó, tại Illinois, mô hình cơ học kinh nghiệm
ME (Mechanistic-Empirical) được sử dụng để thiết kế chiều dày kết cấu áo đường tăng cường trên mặt đường


3
cũ, đặc biệt là trong một số trường hợp không sử dụng vật liệu truyền thống (ví dụ vật liệu tái chế). Khi đó, rất
cần phải đánh giá các đặc trưng cơ lý của mặt đường cũ cũng như mặt đường sau khi tăng cường, đồng thời dự
báo tuổi thọ của mặt đường trong tương lai. Các thí nghiệm NDT bằng thiết bị FWD theo hướng dẫn của
AASHTO 1993 đã được áp dụng để thí nghiệm cho 20 đoạn đường với các loại kết cấu và lưu lượng giao thông
khác nhau.
Kết quả thí nghiệm kết hợp với việc áp dụng mô hình ME trong thiết kế lớp mặt đường tăng cường cho
thấy hiệu quả kinh tế rõ rệt. Trên 20 đoạn đường thí nghiệm, nếu dùng phương pháp thí nghiệm, đánh giá và
thiết kế truyền thống của Bang Illinois, tất cả đều phải tăng cường ngay bằng lớp mặt trên với chiều dày từ 5 đến
10cm; nếu theo phương pháp NDT của AASHTO 1993 thì chỉ phải tăng cường cho 10 đoạn đường. Nếu dùng
NDT kết hợp với mô hình kinh nghiệm ME thì chỉ phải tăng cường cho 7 đoạn.
-Nghiên cứu của L. Khazanovich, A. Gotlif [47]
Nghiên cứu này đề cập tới việc sử dụng thí nghiệm NDT để xác định khả năng truyền lực tại khe nối
(Load Transfer Efficiency -LTE) của mặt đường bê tông xi măng tại Hoa Kỳ, thuộc chương trình LTPP
(LongTerm Pavement Performance).
Đặc điểm thiết kế và điều kiện xây dựng, loại thanh truyền lực, khoảng cách khe nối, khoảng cách thanh
truyền lực, hàm lượng cốt thép trong khe nối, hướng của khe nối (so với tim tuyến), chiều dày tấm, thời tiết.
Tuổi thọ mặt đường và chất lượng khe nối.

- Nghiên cứu của L.P. Priddy, D.W. Pittman, and G.W. Flintsch [46]
Nghiên cứu này đề cập tới việc sử dụng phương pháp NDT để đánh giá phần mặt đường BTXM sân bay
đã được sửa chữa theo phương pháp sửa chữa sâu (Full Depth Repair FDR).Cụ thể, khi tấm bị hư hỏng, phải đào
bỏ và đổ lại tấm mới.Khi đó, phương pháp NDT cũng được sử dụng để đánh giá chất lượng của tấm thay thế
này.
Nghiên cứu đã đưa ra được ảnh hưởng của các thông số tới hệ số truyền lực LTE tại khe nối giữa tấm
thay thế với tấm cũ theo cho các điều kiện khác nhau
1.2.2. Một số nghiên cứu của tác giả trong nước
Việc nghiên cứu thử nghiệm đánh giá mặt đường BTXM cũng đã được nhiều nhà khoa học trong nước
quan tâm nghiên cứu từ rất sớm có thể kể đến như:
- Tác giả Nguyễn Xuân Đào và các đồng nghiệp [13] tại Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải
đã nghiên cứu chế tạo thiết bị rơi tạo ra xung lực động tác dụng lên bề mặt đường và máy ghi chấn động dùng để
ghi lại độ võng của bề mặt đường dưới tác dụng của xung lực. Ứng dụng nghiên cứu thực nghiệm này lần đầu
tiên áp dụng tại đường BTXM trước Lăng Bác. Nghiên cứu này đã bước đầu cho được kết quả so sánh giữa tấm
thi công chất lượng tốt và tấm có lỗi trong quá trình thi công, giúp cho tư vấn có quyết định đúng đắn. Tuy nhiên
thiết bị đo đạc còn đơn giản, tốc độ lấy mẫu thấp, độ chính xác chưa cao, phần mềm tính toán tự động chưa hoàn
thiện. Đo đạc độ võng mới chỉ thực hiện tại tâm gia tải và không có các đầu đo khác.
- Tác giả Vũ Đình Phụng, [ 30] đã nghiên cứu phương pháp tính toán mặt đường cứng, khả năng chịu tải
của mặt đường bê tông. Nghiên cứu thực nghiệm sự phá hỏng tấm BTXM mặt đường. Nghiên cứu chưa đề cập
nhiều đến các phương pháp không phá hủy đánh giá ở trạng thái đàn hồi.
- Tác giả Phạm Cao Thăng, [28] đã nghiên cứu phân tích từ kết quả đo chậu võng mặt đường xác định hệ
số nền và mô đun đàn hồi. Chưa đề cấp đến kết quả đo đạc thực tế khả năng truyền tải trọng giữa các tấm trên
mặt đường bê tông xi măng.
1.3. Phân tích tổng quan ứng dụng phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng BTXM trên thế giới.
1.3.1. Phương pháp sử dụng tải trọng tĩnh đánh giá sức chịu tải
Việc sử dụng các thiết bị thử nghiệm bằng tải trọng tĩnh như hình 1.5 để đánh giá sức chịu tải mặt đường
BTXM đã được các nhà khoa học Nga nghiên cứu ứng dụng từ rất sớm trên các sân bay[33]. Nguyên tắc của
phương pháp là sử dụng kích thủy lực và tải trọng của các quả tải tác dụng lực tĩnh xuống mặt đường, đo đạc độ
võng mặt đường. Độ võng mặt đường đo được nhờ hệ giá đỡ có gắn các đồng hồ chuyển vị.
1.3.2. Phương pháp sử dụng tải trọng động đánh giá sức chịu tải

Phương pháp sử dụng tải trọng động khắc phục được những nhược điểm của phương pháp sử dụng tải
trọng tĩnh, hơn nữa công nghệ đo lường tự động hóa ngày càng phát triển hỗ làm cho ưu điểm của phương pháp
này càng nổi trội hơn. Một trong những công nghệ có thể kể đến như:


4
- Công nghệ tải trọng điều hòa:
Từ giữa những năm 1950, Cục Hàng không liên bang Hoa Kỳ (FAA) đã nghiên cứu các thiết bị tải trọng
rung để đánh giá mặt đường sân bay và ô tô. Phương pháp này xác định mô đun độ cứng động (DSM) từ quan hệ
“Tải trọng động- độ võng động”.
Hiện nay hệ thiết bị rung này được chế tạo theo 3 kiểu gồm Dynaflect, Road Rater, Rolling Dynamic
Deflectometer (RDD)
+ Kiểu Dynaflect là một thiết bị điện tạo ra dao động hình sin với biên độ 5kN, tần số 8Hz bởi động cơ
điện có gắn quả nặng lệch tâm. Các cảm biến gia tốc, vận tốc thu nhận số liệu liên tục. Tuy nhiên do biên độ tải
trọng khá nhỏ chỉ phù hợp đối với kết cấu mặt đường chịu tải trọng nhẹ.
+ Kiểu Road Rater là một thiết bị tạo ra dao động hình sin với biên độ lên đến 35kN, tần số có thể thay
đổi bởi nguồn thủy lực nâng hạ khối thép tác động lên tấm ép.
+ Kiểu Rolling Dynamic Deflectometer (RDD)
Sử dụng 2 bộ bánh xe kép gia tải động xuống mặt đường. Độ võng được đo thông qua cảm biến đo gia
tốc. Xe chạy với tốc độ 5 km/h vừa đi vừa đo. Máy rung thủy lực lắp trên xe truyền dạng hình sin trong khoảng
5-100 Hz
- Phương pháp FWD, HWD :
Nguyên tắc hoạt động của các loại thiết bị tạo tải trọng va đập (quả rơi) như sau: Quả nặng rơi từ một độ
cao nhất định theo trục dẫn hướng tác dụng lên mặt đường qua tấm ép. Để kéo dài thời gian tác dụng của tải
trọng cho giống với tải trọng của bánh xe khi chuyển động, người ta dùng hệ thống giảm chấn là các lò xo hay
tấm đệm cao su. Các thông số dao động của công trình được các cảm biến ghi nhận và được ghi lại dưới dạng
file dữ liệu. Ở các nước phát triển người ta đã chế tạo các thiết bị và phương pháp tính toán tương ứng với loại
thiết bị đó sử dụng cho việc kiểm tra đánh giá chất lượng mặt đường, gọi chung là phương pháp FWD (Falling
Weight Deflectometer).
1.3.3. Phương pháp truyền sóng xác định đặc tính cơ học.

- Công nghệ Radar phát sóng với tần số rất cao để đánh giá độ đồng nhất, lỗ hổng nền đường phía dưới
tấm BTXM. Nguyên lý cơ bản dựa trên việc truyền đi các sóng điện từ vào các lớp vật liệu mặt đường và nhận
lại các sóng điện tử phản xạ ngược trở về. Các sóng trả về này về bản chất đã bị ảnh hưởng bởi các thông số như
hằng số điện môi, độ từ thẩm, độ dẫn liệu, thông qua bộ xử lý tín hiệu, xử lý ảnh, nhờ đó chúng ta có thể hình
ảnh hóa các đặc tính về điện của các cấu trúc vật thể.
- Công nghệ truyền sóng bề mặt SASW (Spectral Analysys of Surface Wawes)
Nguyên lý của phương pháp này là dùng một nguồn lực gây kích động làm cho công trình dao động, các
tham số dao động (vận tốc, gia tốc, chuyển vị) sẽ được các đầu đo gắn trên công trình ghi nhận và truyền về máy
phân tích. Các chương trình phân tích và xử lý (ví dụ phân tích Fourier nhanh) sẽ cho ta các đặc trưng dùng đánh
giá chất lượng công trình.
- Công nghệ truyền sóng biến dạng kiểm tra chiều dày, khuyết tật mặt đường BTXM
Nguyên lý cơ bản của phương pháp là sử dụng va đập cơ học trong thời gian ngắn để tạo sóng ứng suất
nhanh và sử dụng bộ chuyển đổi thu tín hiệu, phân tích tính toán vận tốc truyền trong vật liệu qua đặc tính này
xác định được tính chất cơ học của vật liệu
1.4. Các phƣơng pháp đánh giá chất lƣợng mặt đƣờng BTXM hiện đang áp dụng tại Việt Nam
Hiện nay tại Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTXM chỉ mới
đang sử dụng Quyết định tạm thời [1].
Tiêu chuẩn TCVN 11365: 2016 đối với mặt đường sân bay- xác định số phân cấp mặt đường bằng FWD
hoặc HWD. Tiêu chuẩn này mới chỉ biên dịch từ tài liệu của FAA, các hệ số thực nghiệm vẫn sử dụng như tài
liệu gốc, chưa có nghiên cứu hiệu chỉnh phù hợp với loại vật liệu cũng như điều kiện của Việt Nam, chưa có ví
dụ tính toán để áp dụng.
1.5. Phân tích lựa chọn vấn đề nghiên cứu
Phân tích công tác đo đạc thực nghiệm đánh giá mặt đường BTXM hiện đang áp dụng còn tồn tại những
vấn đề cần tập trung nghiên cứu:
- Chiều dày lớp kết cấu thông thường lấy từ hồ sơ thiết kế hoặc thông qua hố đào tại hiện trường.Tại hố
đào sẽ phá hủy kết cấu mặt đường nên tần suất kiểm tra sẽ rất thưa, độ tin cậy thấp. Do vậy nếu áp dụng thêm


5
phương pháp không phá hủy để xác định được chiều dày sẽ tăng thêm độ chính xác. Nghiên cứu sinh nghiên cứu

đề xuất bổ sung phương pháp dựa trên nguyên lý truyền sóng xác định chiều dày lớp mặt đường BTXM và sẽ
được trình bày ở chương 3
- Hiện nay đã có nhiều phần mềm viết sẵn kèm theo thiết bị để xử lý tính toán. Những phần mềm này
chưa nêu rõ phương pháp tính toán, mô hình tính toán do vậy cần phải làm rõ cơ sở nguyên tắc đo đạc, xử lý số
liệu nhằm đảm bảo tính thống nhất.
- Phương pháp đo đạc FWD cho kết quả là mô đun đàn hồi động, trong khi các tính toán, kiểm toán mặt
đường BTXM đang sử dụng mô đun đàn hồi tĩnh. Nghiên cứu sinh tiến hành đo đạc thực nghiệm xác định tương
quan giữa mô đun đàn hồi động và tĩnh đối với lớp vật liệu làm móng đường.
- Đo đạc thực nghiệm và xử lý số liệu tính toán ra được mô đun đàn hồi các lớp kết cấu. Trong khi đó
kiểm toán mặt đường BTXM còn phải kiểm toán ứng suất dưới đáy tấm. Nghiên cứu sinh thực nghiệm xây dựng
tương quan giữa mô đun đàn hồi BTXM và cường độ chịu kéo khi uốn của loại bê tông thông thường sử dụng
cho mặt đường BTXM tại Việt Nam.
- Ngoài ra đo đạc khả năng truyền tải trọng của các tấm BTXM là vấn đề cần quan tâm. Nghiên cứu sinh
chế tạo thiết bị hỗ trợ đo đạc độ cập kênh của tấm khi chịu tác động của tải trọng.
Qua phân tích ở trên cho thấy việc kiểm soát chất lượng, đánh giá sức chịu tải mặt đường là cần thiết đã
được các nước phát triển trên thế giới cũng như các nhà khoa học trong nước quan tâm nghiên cứu từ rất sớm.
Xu hướng sử dụng phương pháp động để đánh giá sức chịu tải mặt đường BTXM là hướng đi chính. Tại Việt
Nam tập trung nghiên cứu,thử nghiệm, đầu tư thiết bị thí nghiệm động theo kiểu FWD. Do vậy nghiên cứu sinh
cũng tiếp tục lựa chọn hướng nghiên cứu này và tập trung làm rõ hơn về cơ sở khoa học ứng dụng phương pháp,
thực nghiệm phân tích kiểm chứng kết quả đo đạc.
1.9. Kết luận chƣơng 1
Ứng dụng công nghệ đo đạc hiện đại (tự động, không phá hủy, phần mềm phân tích xử lý, tính toán trên
máy tính) đánh giá chất lượng mặt đường BTXM được các nước phát triển tập trung nghiên cứu. Từ những
nghiên cứu của các nhà khoa học, các hãng sản xuất thiết bị đã chế tạo và thương mại nhiều thiết bị đo đạc hiện
đại phục vụ công tác đánh giá có thể kể đến như: FWD, HWD, RDD, IMPact-Echo, Road Rater, Dyaflect…
Qua nghiên cứu tổng quan cho thấy chất lượng mặt đường BTXM thực tế thi công tại Việt Nam chưa
tương xứng với khả năng thực sự đáng có của nó.Nguyên nhân có rất nhiều nhưng phải kể đến nguyên nhân
đánh giá, kiểm soát chất lượng thi công chưa tốt.Việc đánh giá, kiểm soát chất lượng chưa tốt xuất phát từ việc
đầu tư nghiên cứu chưa được chú trọng, công nghệ kiểm tra hiện đại khó tiếp cận công nghệ gốc, phần mềm
cũng như phần cứng được thiết kế kiểu hộp đen khó thay đổi cho phù hợp với điều kiện, đối tượng đo.

CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
SỨC CHỊU TẢI MẶT ĐƢỜNG BTXM.
2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán mặt đƣờng cứng
Khi tính toán tấm bê tông mặt đường, thường sử dụng lý thuyết tấm mỏng theo lý thuyết đàn hồi. Tấm
mỏng là tấm thỏa mãn điều kiện theo [34] như sau:
(2.1)
1
h 1
100 b 5
trong đó
h: là chiều dày tấm
b: là kích thước cạnh nhỏ nhất của tấm
Mặt đường bê tông xi măng sử dụng loại vật liệu có mô đun đàn hồi cao, cường độ chịu kéo nhỏ hơn
nhiều so với cường độ chịu nén. Vì vậy việc tính toán thiết kế kết cấu áo đường cứng trong tất cả quy trình các
nước đều dựa trên lời giải bài toán uốn tấm nền đàn hồi.
Phương trình vi phân cân bằng của tấm chịu uốn [29] như sau:
4

D

w
x4

4

2

w
2
x y2

(2.2)

4

w
y4

trong đó : w - Chuyển vị đứng của tấm

q( x, y ) r ( x, y )


6
q - Tải trọng bánh xe tác dụng trên tấm
r - Phản lực của móng tác dụng lên đáy tấm (phản lực nền)
D - Độ cứng trụ của tấm
D

trong đó

Ebt .h3
2
12 1

(2.3)

: Ebt là mô đun đàn hồi của tấm bê tong
là hệ số poisson của tấm

h là chiều dày tấm bê tông
Phương trình (2.2) còn được gọi là phương trình Sopie-Germain, giải phương trình (2.2) sẽ tìm được độ
võng tấm. Khi đã tính được độ võng w(x,y), để xác định mô men uốn, ta áp dụng từ lý thuyết đàn hồi:
2

Mx
trong đó:

2

w
x2

D

2

w
; My
y2

w
y2

D

2

w
x2

(2.4)

M x , M y là mô men uốn trên một đơn vị dài ở mặt cắt x=const, y=const;

Đối với các ứng suất kéo uốn, theo lý thuyết đàn hồi ta có:
x

3

Qx
trong đó:

x

,

y

D

w
x3

6M x
;
h2

(2.5)

6M y
y

h

2

3

w
; Qy
2
y x

3

D

w
y3

3

w
2
x y

(2.6)

là ứng suất trên một đơn vị dài ở mặt cắt x=const, y=const;

Qx ; Qy

là lực cắt trên một đơn vị dài ở mặt cắt x=const, y=const;

Trong phương trình (2.2) phản lực nền r được xác định tuỳ theo mô hình nền sử dụng.
+ Theo mô hình của Winkler thì phản lực tại một điểm bất kỳ tỷ lệ thuận với độ lún ở điểm đó:
r= k x w
(2.7)
Trong đó: k là hệ số nền
Mô hình này được sử dụng rộng rãi trong tính toán và trong các quy trình của nhiều nước.
+ Theo mô hình nền bán không gian đàn hồi
Nền được xem là bán không gian vô hạn đàn hồi được đặc trưng bằng mô đun đàn hồi được đặc trưng
bằng mô đun đàn hồi E0 và hệ số Poisson 0;
Để giải phương trình (1-1), ngoài việc cần tìm hàm phản lực nền còn cần chú ý tới điều kiện biên của
tấm.
Điều kiện biên phụ thuộc vào dạng liên kết cạnh của tấm, các điều kiện biên thường dùng là tấm có biên
tự do, tấm có biên là ngàm và biên là khớp.
Theo mô hình hệ số nền H.M.Westergaard (1926) đã cho lời giải bài toán tấm chữ nhật chịu lực với tải
trọng tác dụng ở ba vị trí giữa, góc và cạnh tấm.
* Sự biến đổi của nhiệt độ theo mùa hoặc ngày đêm đều gây ứng suất nhiệt trong tấm và làm tấm bị uốn
vồng (khi tấm không được tự do vì có thanh truyền lực, ma sát đáy tấm, hoặc trọng lượng bản thân tấm)
Về bài toán nhiệt có các công trình nghiên cứu của các tác giả R.D.Bradbury, L.I.Goretxki, L.I.Trigônhi,
B.G.Korenhev... [14],[15]
Trong tính toán thiết kế các quy trình của nhiều nước đều xét đến ảnh hưởng của ứng suất nhiệt cho tấm
thông qua các hệ số chiết giảm cường độ tính toán.
Theo một số tác giả ứng suất do nhiệt gây ra khoảng (0.35-0.40)Rku [15]
Đặc trưng của bài toán động cho kết cấu tấm bê tông mặt đường là sự cần thiết phải tính đến lực quán
tính, là tích của phần khối lượng dao động của mặt đường với gia tốc chuyển động của nó, và xét lực cản nhớt
của nền khi xem nền là môi trường đàn nhớt

Phương trình vi phân dao động cho bài toán động lực học được viết thêm so với (2.2) như sau:


7
4

D

4

w
x4

2

trong đó

w
x y2
2

4

w
y4

2

m

w
t2

w
t

q( x, y, t ) r ( x, y, t )

(2.8)

: m – khối lượng phần tấm bê tông mặt đường tham gia dao động

- hệ số cản nhớt của đất nền trên một đơn vị diện tích
t – thời gian
Các điều kiện biên của tấm đối với bài toán động, hoàn toàn tương tự như các điều kiện biên tấm đối với
bài toán tĩnh.
Nhận xét: Qua phân tích nêu trên cho thấy các thông số đặc trưng cho mặt đường BTXM khi tính toán
khả năng chịu tải như: Mô đun đàn hồi bê tông, chiều dày tấm, cường độ chịu kéo khi uốn, hệ số passion, mô
đun đàn hồi nền hoặc hệ số phản lực nền. Các đặc trưng này có mối liên hệ chặt chẽ với độ võng mặt đường khi
chịu tải trọng, do vậy nếu đo đạc được độ võng khi chịu tải trọng, kết hợp với một số thông số đã biết sẽ tính
toán được những thông số còn lại. Khi xác định được các thông số nêu trên áp dụng tiêu chuẩn hiện hành sẽ tính
toán được khả năng chịu tải của mặt đường.
Hiện nay các tính toán, kiểm toán theo tiêu chuẩn của Việt Nam đang sử dụng với các thông số tĩnh do
vậy nếu đo đạc thu thập được các thông số động cần thiết phải có nghiên cứu thực nghiệm chuyển đổi cho phù
hợp. Nghiên cứu sinh đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xây dựng tương quan được trình bày tại chương 4.
2.2.Cơ sở lý thuyết thử nghiệm đánh giá sức chịu tải mặt đƣờng BTXM tại hiện trƣờng.
2.2.1. Các nghiên cứu về chậu võng
Chậu võng mặt đường là phần mặt đường bị uốn võng xuống, do tác dụng của tải trọng. Đối với tấm bê
tông xi măng là đẳng hướng, khi tải trọng tác dụng tại tâm của tấm, chu vi chậu võng có dạng hình tròn.
Đặc điểm của chậu võng mặt đường, là độ lớn đường kính của nó không phụ thuộc vào độ lớn của tải

trọng tác dụng. Khi thay đổi tải trọng tác dụng , chỉ làm thay đổi độ lớn của độ võng tấm mà không làm thay đổi
đường kính chậu võng.
Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đường kính chậu võng mặt đường chỉ phụ thuộc vào
độ cứng uốn trụ của tấm bê tông (D) và độ cứng của nền đường. Trong đó độ cứng uốn trụ của tấm bê tông (D)
được xác định qua công thức (2.3).
Khi chịu tải trọng tác dụng, tấm bị võng và truyền áp lực xuống nền. Trường hợp tải trọng tác dụng là tải
trọng tĩnh, trong nền xuất hiện phản lực tác dụng lên tấm. Chiếu các lực tác dụng lên tấm theo phương vuông
góc với tấm
(2.12)
P
r x, y ds
s

trong đó:

P- tải trọng tác dụng
s- diện tích hình chiếu bằng chậu võng
r(x,y)=k.w(x,y)- phản lực nền tại tọa độ x,y
k- hệ số nền tương đương
w(x,y)- độ võng tâm tấm tại toạn độ x,y
Thay biểu thức r(x,y)= C.w(x,y) vào (2.12) , ta được:

P

r x, y ds k . w( x, y )ds
s

trong đó

(2.13)

s

w( x, y )ds V
s

với V là thể tích chậu võng mặt nền, lấy bằng thể tích chậu võng mặt đường , được xác định từ số liệu
thực nghiệm.
Vậy hệ số nền k P
V
2.2.2. Phương pháp xác định hệ số nền theo đặc trưng chậu võng
Cục hàng không liên bang (FAA) đã nghiên cứu thực nghiệm xác định tương quan giữa hình dạng độ
cong mặt võng tấm (thông qua độ võng một số điểm trên chậu võng) với độ cứng của tấm, thông qua tham số


8
đặc trưng khả năng chống biến dạng tấm bê tông (bán kính độ cứng tương đối). Phương pháp đánh giá còn gọi là
phương pháp AREA, cơ sở của phương pháp như sau:
Sử dụng thiết bị đánh giá với tối thiểu 4 đầu đo độ võng mặt tấm. Từ các độ võng W0, W1, W2 ,W3
(inch), đo được đối với tấm bê tông dày không quá 40cm, tại vị trí tâm tải trọng và cách tâm tải trọng tương ứng
12,24 và 36 inch (30,60 và 90), xác định tham số AREA:

AREA 6 1 2

W1
W0

2

W2

W0

W3
W0

Xác định đặc trưng đàn hồi động tấm bê tông [39]

ln
L=

A AREA
B
C

D

(2.16)

với các hằng số thực nghiệm: A=36; B=1812,279; C=-2,559; D=4,387
Khi biết độ võng tại tâm tấm tải trọng W0 và đặc trưng đàn hồi L, hệ số nền C có thể được xác định từ
công thức của Westergaad:
2
(2.17)
P
1
R
R
k=

8W0 L2

1

2

ln

2L

0,673

L

với R- bán kính vệt bánh xe quy đổi
Trong một số trường hợp, đòi hỏi cần thiết phải quy đổi các giá trị hệ số nền và mô đun đàn hồi nền với
nhau. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, chuyển đổi các giá trị giữa hệ số nền và mô đun đàn hôi nền, cần xem
xét sự phụ thuộc của chúng với độ cứng kết cấu mặt đường phía trên. Đối với kết cấu mặt đường bê tông xi
măng có thể tham khảo quan hệ sau:
Theo N.M Gersevanov:
(2. 18)
0,65E0 3 E0
k0 =
h
E
Theo Gluscov:
(2.19)
3 3
4

E0 =1,8. 0,085.E.h .k

với E0 ,k- tương ứng mô đun đàn hồi, hệ số nền của nền hoặc lớp nền và móng tương đương;
E,h- tương ứng là mô đun đàn hồi bê tông và chiều dày tấm bê tông
Các công thức (2.18) và (2.19) là những công thức có từ nghiên cứu thực nghiệm.
Khi thử nghiệm bằng thiết bị gia tải tĩnh thì các giá trị độ võng tấm đo được là các độ võng tĩnh và hệ số
nền nhận được từ công thức (2.17) sẽ là hệ số nền tĩnh. Khi thử nghiệm bằng thiết bị gia tải động thì sẽ nhận
được các giá trị độ võng động, hệ số nền tính được từ công thức (2.17) là hệ số nền động. Do nền đường là vật
liệu có đặc tính đàn nhớt, nền thể hiện đặc tính biến dạng trễ khi chịu tác dụng của tải trọng động, nên độ võng
động sẽ nhỏ hơn độ võng tĩnh. Do vậy hệ số nền động nhận được từ tính toán sẽ lớn hơn so với hệ số nền tĩnh.
Qua phân tích ở trên cho thấy việc xác định được chậu võng và lực tác dụng tương ứng là cần thiết trong
việc xác định sức chịu tải trọng bằng phương pháp động. Tuy nhiên để có thể đo đạc xác định được chậu võng
đối với công nghệ đo đạc hiện nay dựa trên nguyên lý truyền sóng. Các cảm biến đo gia tốc thu thập dao động
(m/s2) của mặt đường tại các vị trí, qua thuật toán và phần mềm xử lý số liệu đưa ra giá trị là các chuyển vị
(mm). Phần trình bày được làm rõ ở mục 2.3
2.3. Nghiên cứu lý thuyết và nguyên lý của phƣơng pháp truyền sóng
2.3.1. Tóm tắt lý thuyết truyền sóng
Vật chất cấu tạo bởi nguyên từ (hoặc phân tử), liên kết với nhau bằng lực tương tác giữa các nguyên từ
(hoặc phân tử).Các lực nguyên tử (hoặc phân tử) này là các lực đàn hồi, tức là các nguyên tử (hoặc phân tử) này
coi như nối với nhau bằng các lò xo. Do các nguyên tử (hoặc phân tử) có liên kết, nên dao động của nguyên tử
(hoặc phân tử) này sẽ làm các nguyên tử (hoặc phân tử) kế cận dao động. Nếu mọi nguyên tử liên kết vững chắc
với nhau, chúng sẽ chuyển động đồng thời và có cùng một trạng thái dao động, tức là cùng pha. Nhưng các
nguyên tử (hoặc phân tử) của vật chất thực tế liên kết với nhau bằng lực đàn hồi, nên dao động cần có một thời


9
gian xác định để truyền dao động và các nguyên tử (hoặc phân tử) sau đạt được trạng thái dao động sẽ “trễ pha”
so với nguyên tử (hoặc phân tử) bị kích thích.
2.3.2. Các loại sóng
Sóng ứng suất có thể lan truyền dưới 2 dạng:
- Sóng khối: có thể là sóng dọc (sóng P) hoặc sóng ngang (sóng S)

+ Sóng dọc (P) gây ra co dãn môi trường, các hạt dao động theo phương truyền sóng khi gặp môi trường
có trở kháng âm khác sẽ phản xạ trở lại.
+ Sóng ngang (S) gây ra chuyển động và không thay đổi thể tích môi trường, các hạt dao động trong mặt
phẳng thẳng góc với phương truyền sóng. Sóng cắt không thể lan truyền trong môi trường lỏng hoặc khí vì môi
trường này không có khả năng chịu ứng suất cắt.
- Sóng mặt: có thể là sóng Rayleigl hoặc sóng Love
+ Sóng Rayleigh: Đó là loại sóng chỉ có thể truyền dọc theo bề mặt liên kết một phía bởi các lực đàn hồi
mạng của vật rắn và phía kia bởi các lực đàn hồi gần như không có giữa các phần tử khí.
+ Sóng Love: Nếu sóng mặt được truyền vào vật liệu, có độ dày bằng hoặc nhỏ hơn 3 lần bước sóng, thì
sẽ xuất hiện một loại sóng khác gọi là sóng Love (sóng tấm). Vật liệu bắt đầu dao động cả tấm, có nghĩa sóng
chiếm toàn bộ chiều dày của vật
2.3.3 Các phƣơng trình cơ bản và phƣơng trình truyền sóng của môi trƣờng đàn hồi.
2
2

G

x
x

2

G

x

t

t

0

2

2

(2.56)

x

2

(2.55)

2
x

hay

vs

t2

với vs

2
x

G

(2.57)

(2.58)

vs có thứ nguyên là vận tốc và đó là vận tố sóng cắt truyền theo trục x. Quỹ đạo chuyển động của các hạt
nằm trong mặt phẳng đứng yz. Phương trình (2.56) là phương trình truyền sóng cắt.
Tương tự ta có:
2
y

t

G

2
y

2

(2.59)

Đây là phương trình truyền sóng theo phương y, quỹ đạo chuyển động của các hạt nằm trong mặt phẳng
đứng yz.
2

G

2

(2.60)

z
t
Đây là phương trình truyền sóng theo phương z, quỹ đạo chuyển động của các hạt nằm trong mặt phẳng
nằm ngang xy.
Như vậy áp dụng Phương pháp NLCT Gauss đối với chuyển động biến dạng thể tích và chuyển động
xoay như vật thể cứng của phân tố quanh các trục x, y, z tác giả nhận được 4 phương trình truyền sóng (2.49),
(2.57), (2.59),(2.60). Đối với mỗi phần tử dao động sẽ đồng thời các dạng sóng, tuy nhiên trong khi ứng dụng
thực tế ứng với dạng sóng qua nghiên cứu thử nghiệm các nhà khoa học đã khai thác chế tạo các thiết bị đo đạc
tách riêng được từng loại sóng từ đó đánh giá được các đặc trưng cơ học của tấm.
- Các ứng dụng đo đạc
+ Sử dụng đặc trưng của sóng cắt dùng cho việc đo đạc độ võng mặt đường trong phương pháp đánh giá
sức chịu tải mặt đường (FWD) được trình bày ở chương 4
+ Sử dụng đặc trưng sóng nén trong đo đạc vận tốc truyền, chiều dày lớp bê tông mặt đường (phương
pháp tiếng vọng), được trình bày ở chương 3
2.5. Kết luận chƣơng 2
- Từ tương quan tải trọng tác dụng và chậu võng mặt đường có thể xác định được các thông số Mô đun
x

2


10
đàn hồi các lớp vật liệu thông qua bài toán ngược.
- Mô đun đàn hồi của nền đường thông qua đo đạc động cần phải xây dựng tương quan để quy đổi thành
mô đun đàn hồi tĩnh mới có thể áp dụng tính toán sức chịu tải mặt đường BTXM theo quy định của tiêu chuẩn.
- Đo đạc tương quan lực và chậu võng xác định được mô đun đàn hồi của tấm tuy nhiên, phải nghiên cứu
thực nghiệm xây dựng hệ số tương quan giữa mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo khi uốn.
- Qua phân tích cho thấy ngoài việc ứng dụng nguyên lý truyền sóng cắt đo đạc chậu võng còn có thể
nghiên cứu khai thác xác định độ đồng nhất, chiều dày của tấm thông qua nguyên lý truyền sóng dọc.
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÙ HỢP PHỤC VỤ

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo kiểm tra chiều dày, đánh giá độ đồng nhất của BTXM-TOTC1.
3.1.1. Mục tiêu nghiên cứu chế tạo thiết bị
Như phân tích ở mục 1.8 chương 1 và chương 2 cho thấy việc xác định được chiều dày (h) lớp BTXM
mặt đường bằng phương pháp không phá hủy là cần thiết. Hiện nay ở Việt Nam để đo đạc kiểm tra chiều dày
phải sử dụng phương pháp khoan lỗ nhược điểm của phương pháp phá hủy này làm tổn hại đến kết cấu, thời gian
thí nghiệm kéo dài, chi phí thí nghiệm cao, chỉ kiểm tra mang tính cục bộ.
3.1.2. Nguyên lý hoạt động.
- Mô tả mô hình thử

Hình 3.1. Mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị
Mô tả: Xung lực tác động đột ngột ở một điểm trên bề mặt vật thể, như va chạm, nguồn kích thích sẽ lan
truyền trong vật thể 3 loại sóng ứng suất khác nhau: sóng dọc (sóng P), sóng ngang (sóng S) và sóng R.
(Rayleight).
3.1.3. Thiết kế hệ thiết bị thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo
Đầu đo gia
tốc

.
.
.
.

Đầu đo gia
tốc

Nguồn nuôi
Đầu đo
gia tốc

Đầu đo gia
tốc

Car
d
AD
C

Hình 3.6. Sơ đồ khối thiết bị đo TOTC-01
3.1.4. Những vấn đề ảnh hưởng đến kết quả đo và phương án xử lý.
+ Nguồn kích thích dao động có ảnh hưởng nhiều đến sự phân tán của số liệu. Thực nghiệm với nhiều
kích cỡ tải tác dụng: sử dụng quả chì thả rơi, bi thép các cỡ cho thấy diện tiếp xúc càng bé cho kết quả đo đạc
chính xác. Tuy nhiên nếu kích thước quá bé không đủ năng lượng va chạm cảm biến không đủ độ nhạy để số
liệu. Nghiên cứu sinh đã thử nghiệm với cảm biến có độ nhạy 1000mV/G thì nên sử dụng viên bi tạo va chạm có
đường kính 5mm là phù hợp.
+ Vấn đề lựa chọn vị trí tác động: Khoảng cách giữa điểm va chạm và đầu đo là quan trọng nếu khoảng


11
cách quá lớn sẽ không thu được sự phản xạ của sóng P, và mối quan hệ đơn giản thể hiện không áp dụng được.
Nếu khoảng cách quá nhỏ, tương ứng sẽ là sóng mặt. Trên cơ sở thực nghiệm nghiên cứu sinh nhận thấy vị trí
tác động tải trọng cách cảm biến đo tối thiểu 40mm và tối đa không quá 0.4 chiều dày tấm số liệu có độ chụm
cao. Cách thử: đặt cảm biến cố định, gõ viên bi ở các vị trí khác nhau. Do vậy nghiên cứu sinh thiết kế bộ tạo va
chạm cách với cảm biến đo 50mm sẽ dễ đáp ứng các loại tấm bê tông mặt đường thông thường.
+ Ảnh hưởng của tốc độ lấy mẫu dữ liệu: Ví dụ, đối với tốc độ sóng v 4000 m/s và chiều dày tấm 0.2 m,
tần số tương ứng đo được sẽ là 10 kHz. Do vậy để đạt được sai số 1% thì thiết bị phải có tần số lấy mẫu 1000
kHz (1MHz). Nghiên cứu sinh đã lựa chọn bộ thu thập số liệu Ni 6215 có khả năng lấy mẫu 1.25 MHz.
3.2. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo độ cập kênh giữa hai tấm bê tông qua khe nối TOTC-02
3.2.1. Mục tiêu chế tạo

Qua phân tích kết quả khảo sát đánh giá mặt đường [18] cho thấy hư hỏng phần lớn xuất phát từ khe nối
giữa hai tấm BTXM. Dấu hiệu hư hỏng có thể sớm phát hiện thông qua biểu hiện cập kênh giữa hai tấm khi có
tải trọng di chuyển qua. Độ cập kênh giữa hai tấm chính là chuyển vị tương đối giữa hai tấm bê tông qua khe
nối. Tuy nhiên chuyển vị tương đối giữa hai tấm bê tông rất nhỏ do vậy cần phải sử dụng cảm biến đo có những
tính năng như: Độ chính xác cao, độ phân giải < 10-3mm, bộ gá lắp đặt nhanh, ổn định
3.2.2. Nguyên lý cấu tạo của thiết bị
Nghiên cứu sinh thiết kế thiết bị đo sử dụng cảm biến có độ nhạy cao và kết nối với máy tính, qua phần
mềm thu thập số liệu và xử lý kết quả như sau:
+ Quả đối trọng nặng 25kg chế tạo bằng thép có 03 chân có thể điều chỉnh được chiều cao các chân,
những chân nhọn này tiếp xúc điểm với mặt đường hạn chế dao động tương đối so với mặt đường BTXM.
+ 04 cảm biến đo chuyển vị LVDT độ phân giải 10-4 mm được kiểm tra, hiệu chuẩn so sánh với thiết bị
chuẩn.
+ Cảm biến LVDT01 và LVDT02 đặt trên tấm bê tông thứ nhất cùng với quả đối trọng mục đích để kiểm tra
dao động của quả đối trọng (nếu trong quá trình đo quả đối trọng xuất hiện dịch chuyển tương đối với tấm BTXM 2
cảm biến này sẽ kiểm soát được).
+ Cảm biến LVDT 03 và LVDT 04 đặt trên tấm bê tông thứ 2, sử dụng 02 cảm biến nhằm mục đích
kiểm soát tăng thêm độ tin cậy của phép đo.
+ Giá trị cập kênh tấm được tính bằng
K= (LVDT03+LVDT04)/2-(LVDT02+LVDT01)/2 (mm)
+ Dữ liệu được thu thập liên tục và được xử lý trên máy tính
3.3. Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo biến dạng TOTC-03
3.3.1. Mục tiêu chế tạo
- Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo biến dạng có thể đo biến dạng của đáy tấm bê tông khi chịu tải trọng
- Cảm biến hoạt động ổn định trong điều kiện ẩm, nhiệt độ thay đổi
- Thiết bị đo tự động ghi dữ liệu liên tục.
3.3.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị
Biến dạng s: là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước ( l ) và kích thước ban đầu

l

(3.3)

l
Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo.
Sơ đồ thiết kế thiết bị đo sử dụng 4 cảm biến điện trở

Hình 3.31 Sơ đồ mạch sử dụng 4 cảm biến
3.4. Kết luận chƣơng 3


12
Từ nội dung nghiên cứu của chương 3 có một số kết luận chính sau.
- Nghiên cứu sinh đã thiết kế chế tạo thành công bộ thiết bị đo (TOTC-01) có khả năng xác định chiều
dày tấm bê tông mặt đường, xác định khuyết tật trong tấm với phần mềm thu thập số liệu, xử lý số liệu có tính
mở. Phần cứng được lựa chọn ghép nối các mô đun của hãng PCB Piezotronics và hãng National Instruments
(Ni) phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam, không vi phạm bản quyền của của các hãng sản xuất thiết bị đo
chuyên dùng.
+ Thông qua thử nghiệm và phân tích lý thuyết nghiên cứu sinh đã đưa ra những lưu ý khi đo đạc: Phải
lựa chọn bộ thu thập số liệu với tốc độ cao thu thập số liệu tối thiểu 1MzH; vị trí tác động của viên bi cách vị trí
đặt cảm biến 40-50mm; có đường kính viên bi tạo va chạm 4-:-5mm; phương tác dụng vuông góc với mặt đường
BTXM.
- Nghiên cứu sinh chế tạo thiết bị TOTC-02 đo độ cập kênh của tấm có sử dụng cảm biến đo chuyển vị
độ nhạy cao (<10-4mm) kết nối với máy tính thông qua phần mềm thu thập và xử lý số liệu. Giúp cho việc đo đạc
theo dõi phát hiện sớm những nguy cơ gây hư hỏng tấm bê tông xi măng mặt đường, đây là giải pháp hữu ích đối
với các đơn vị không huy động được thiết bị FWD.
- Nghiên cứu sinh chế tạo thiết bị TOTC-03 trong đó có cảm biến đo biến dạng
có thể đặt được trong hỗn hợp BTXM khi thi công được kết nối với bộ đọc dữ liệu, mô đun truyền số liệu qua
sóng điện thoại. Tại Phòng thí nghiệm với máy tính có mô đun nhận số liệu có thể lấy dữ liệu đo đạc biến dạng
từ xa. Thiết bị TOTC-03 đã được đăng ký giải pháp hữu ích tại Cục Sở hữu trí tuệ và đã được đăng trên công báo
số 339 tập A (06.2016).

CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM HOÀN THIỆN PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CÁC THAM SỐ CHẤT
LƢỢNG KHAI THÁC MẶT ĐƢỜNG BTXM
Qua việc nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu cở sở lý thuyết, thiết kế chế tạo bổ sung các thiết bị đo đạc.
Nghiên cứu sinh thiết kế chương trình thử nghiệm với các nội dung như : Thử nghiệm xây dựng tương quan giữa
mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo khi uốn của BTXM; thử nghiệm xác định hệ số tương quan giữa mô đun
đàn hồi động và mô đun đàn hồi tĩnh của nền đất; thử nghiệm đo đạc trên đoạn đường rải thử tại đường nội bộ
trường Đại học Giao thông Vận tải; thử nghiệm đo đạc trên đoạn đường rải thử tại đường nội bộ xưởng sửa chữa
Hangar A76; đo đạc đánh giá trên tuyến QL18 Hạ Long- Mông Dương. Từ các nội dung nghiên cứu thực
nghiệm này đề xuất các bước góp phần hoàn thiện phương pháp đánh giá chất lượng khai thác đường BTXM.
4.1. Thử nghiệm xây dựng tƣơng quan giữa mô đun đàn hồi và cƣờng độ chịu kéo khi uốn
- Phạm vi nghiên cứu thử nghiệm:
Trong điều kiện nghiên cứu có hạn chế nghiên cứu sinh thử nghiệm đối với loại bê tông hay sử dụng thi
công mặt đường với cấp B25 (35/4,5 MPa). Các mẫu bê tông cùng nguồn vật liệu đá, cát, xi măng, phụ gia.
Bảng 4.2. Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định tương quan Rku và Ebt
Cƣờng độ
Mô đun đàn
Cƣờng độ
Mô đun đàn
Kí hiệu
kéo khi uốn
hồi
hồi
Kí hiệu mẫu kéo khi uốn
mẫu
MPa
MPa
MPa
MPa
M1
4,45

28499
M15
4,52
28056
M2
4,60
32547
M16
4,61
31545
M3
5,01
40414
M17
4,95
36034
M4
4,48
31192
M18
4,73
31026
M5
4,81
36641
M19
4,76
32212
M6
4,79

38212
M20
4,68
32062
M7
4,61
35736
M21
5,00
43275
M8
4,95
34990
M22
4,89
39154
M9
4,92
38484
M23
4,52
26933
M10
4,47
29298
M24
4,95
42286
M11
4,63

28510
M25
4,84
33526
M12
4,64
31680
M26
4,69
40278
M13
4,73
34736
M27
4,59
31543
M14
4,91
41689


13
-

Sử dụng phần mềm Minitab 17 xử lý số liệu ta được kết quả:

Hình 4.3. Biểu đồ tương quan cường độ chịu kéo khi
uốn và mô đun đàn hồi BTXM

Hình 4.4. Biểu đồ phần dư để xác định tính chất hợp

lý

Công thức đề xuất của nghiên cứu sinh:

Rku

30 Ebt
106

3, 683 MPa

(4.3)

Nhận xét kết quả thử nghiệm
+ Kết quả thử nghiệm bước đầu cho thấy tương quan giữa cường độ chịu kéo khi uốn và mô đun đàn hồi
của BTXM là tương quan chặt chẽ tỷ lệ thuận.
+ Công thức đề xuất của nghiên cứu sinh sai lệch kết quả so với công thức nghiên cứu của Viện bê tông
Hoa Kỳ (ACI) không nhiều (<6%). Do vậy, đối với loại bê tông cấp B25 (35/4,5 MPa) hiện đang áp dụng thi
công mặt đường BTXM nên sử dụng công thức do NCS đề xuất. Các trường hợp khác chưa có thử nghiệm nên
áp dụng công thức thực nghiệm của ACI để kiểm toán chỉ tiêu về cường độ chịu kéo uốn khi đã có kết quả đo
đạc mô đun đàn hồi
.
+ Với kết quả xác định R2 bằng 66,0% , các hệ số p đều nhỏ hơn 0,05 cho thấy các biến và tổ hợp đều có
ý nghĩa về thống kê
4.2.
Nghiên cứu đo đạc thực nghiệm trên mô hình tấm mặt đƣờng tại phòng thí nghiệm
4.2.1. Mục đích của thí nghiệm
- Như phân tích ở chương 2, tham số mặt, nền đường đo đạc bằng phương pháp đo đạc hiện đại không
phá hủy là tham số động. Tuy nhiên trong quy trình tính toán hiện hành của Việt Nam đang sử dụng tham số tĩnh
do vậy rất cần có những nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng hệ số tương quan giữa tham số động và tĩnh.

- Thử nghiệm với tải trọng tĩnh tác động lên tấm mặt đường BTXM, đo đạc độ võng tĩnh tấm và áp lực
tương ứng. Từ quan hệ này kết hợp với chiều dày các lớp kết cấu sử dụng thuật toán tính ngược tính mô đun đàn
hồi tĩnh các lớp vật liệu.
- Thử nghiệm với tải trọng động (quả tải thả rơi) lên tấm mặt đường BTXM, đo đạc độ võng động tấm
và áp lực tương ứng. Từ quan hệ này kết hợp với chiều dày các lớp kết cấu sử dụng thuật toán tính ngược tính
mô đun đàn hồi động các lớp vật liệu.
- Xây dựng hệ số tương quan giữa mô đun đàn hồi động và mô đun đàn hồi tĩnh của lớp móng đường.
4.2.4. Kết quả thí nghiệm
4.2.5. Tính toán xử lý kết quả đo
Bảng 4.9. Kết quả đo tĩnh được tính toán xử lý
Pt (kN)
W0
W1
W2
W3
AREA
L(in)
L(mm)
kt
kt tb
30,00

139,3

107,3

95,0

85,0

27,09

24,69

627,07

0,006673

40,00

174,3

147,7

127,2

105,3

28,54

28,54

724,84

0,005351

50,00

219,2

187,0

156,5

127,2

28,29

27,78

705,64

0,005609

0,005878


14
Pđ (kN)
31,65
43,70
56,15

A

W0
84
117
149

kđ
kt

W1
74
99
122

2,0005

Bảng 4.10. Kết quả đo động được tính toán xử lý
W2
W3
AREA
L(in)
L(mm)
kđ
56
34
27,000 24,492 622,11
0,011860
81
51
27,077 24,667 626,54
0,011595
105
68
27,020 24,538 623,26
0,011819
do

c

E0đ
E0t

A

3

4

kđ tb
0,011758

c = 1,682

4.3. Thiết kế thử nghiệm đánh giá sức chịu tải của mặt đƣờng BTXM đoạn đƣờng tại trƣờng Đại học Giao
thông Vận tải

Nghiên cứu thực nghiệm tấm
BTXM taị đường nội bộ
trường ĐH GTVT

Xác định mục tiêu thí nghiệm
Thiết kế thử nghiệm

Thiết kế sơ đồ lắp
đặt thiết bị

Thiết kế kết cấu áo
đường BTXM

Lựa chọn tham số
đo đạc

Thi công đoạn kết cấu thử nghiệm
nghiệm

Đo đạc tổng thể kết cấu
sau khi thi công xong

Đo đạc kiểm tra
từng lớp kết cấu

Tính toán theo lý
thuyết kết quả
từng lớp

Tiến hành đo FWD được
giá trị chậu võng và lực

Đo,thu thập số liệu từ cảm
biến đo biến dạng
khi đo FWD

Tính toán xác định
sức chịu tải, PCN
theo lý thuyết

Sử dụng phầm mềm
BAKFAA để tính mô đun
từng lớp kết cấu

Xác định tương quan giữa
tải trọng tác dụng và biến
dạng đáy tấm

Tính toán xác định
sức chịu tải

Sử dụng phần mềm
COMFAA xác định
PCN

Sử dụng phần mềm
EverFE 2.25tính biến
dạng dưới đáy tấm

So sánh giá trị đo đạc và giá trị tính toántheo lý thuyết


15
4.3.3.2. Đo đạc tính toán kết cấu theo lý thuyết
a/. Đo đạc tính toán mô đun đàn hỗi tĩnh BTXM
Bảng 4.12. Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông
Trạng thái ban đầu

Kí hiệu Tải ban
mẫu

đầu

(kN)

Số đọc
Ứng suất

chuyển
vị kế

(MPa)

(mm)

Trạng thái sau

Tải
trọng

(kN)

Số đọc
Ứng suất chuyển
vị kế

(MPa)

0.252
BT1

11.2

0.50

0.221
0.338

Chiều

Số đọc

dài

chuyển
vị kế
trung

khoảng Biến dạng
tính toán

bình

(mm) (mm)

Mô đun
đàn hồi

Tải ban
đầu

(kN)

(MPa)

0.322
281.6

0.296

12.52

0.301
0.424

0.080

200

398

30235

0.378

4.3.4. Phân tích kết quả đo
4.3.4.1. Lựa chọn thuật toán xác định các đặc trưng sức chịu tải của mặt đường BTXM
Từ các số liệu về chậu võng, sử dụng các thuật toán tính ngược (Back-Calculate) để xác định các đặc
trưng sức chịu tải tải động của mặt đường bê tông xi măng cũng như đánh giá khả năng truyền tải của khe nối
thông qua hai thuật toán tính ngược, đó là thuật toán BetsFit và thuật toán AREA.
Thuật toán BetsFit: đó là tìm một cặp trị số bán kính độ cứng tương đối của tấm (moduyn đàn hồi của

tấm bê tông xi măng EPCC) trị số đặc trưng cường độ của nền đất sao cho chậu võng tính toán được thông qua bài
toán cơ học có sai số nhỏ nhất hoặc nằm trong một giới hạn nào đó với chậu võng đo được.
Thuật toán AREA: đó là từ chậu võng thực đo theo sơ đồ đặt đầu đo qui định, tính giá trị AREA. Từ đó
ước lượng bán kính độ cứng tương đối như là một hàm AREA và tính toán với hệ số nền k và môđun đàn hồi của
tấm bê tông xi măng bởi các công thức thực nghiệm.
-

Các phần mềm sử dụng:
+ Sử dụng phần mềm phân tích ngược BAKFAA để tính mô đun từng lớp.
+ Sử dụng phần mềm EverFE 2.25 là phần mềm sử dụng phần tử hữu hạn 3D dùng để phân tích sự làm
việc của kết cấu áo đường BTXM thông thường.
+ Sử dụng phần mềm COMFAA 3.0 để tính toán trị số sức chịu tải của mặt đường PCN.
4.3.5. Các kết quả thu được sau khi đo đạc xử lý
4.3.5.1. Tiến hành đo FWD và xử lý số liệu đo võng
Tiến hành thí nghiệm đo võng FWD tại điểm đo ở vị trí giữa của tấm thu được kết quả thí nghiệm FWD.
Với hàng dữ liệu này, cột đầu tiên là số thứ tự, cột thứ hai là độ lớn tải trọng tác dụng (kN), 7 cột tiếp theo tương
ứng là các độ võng mặt đường (

) tại 7 điểm đo lần lượt cách tâm gia tải các khoảng cách lần lượt là:

0;200;300;450;600;900;1200 (mm). Kết quả tổng hợp ở Bảng 4.13


16
Bảng 4.13. Kết quả xác định chậu võng tại tâm tấm BTXM
Lực tác

Khoảng cách

dụng (kN)

đầu đo (mm)
Độ võng

86.05

(

)

0

200

300

450

600

900

1200

257,2

247,6

241,8

228,4

218,9

183,9

151,5

4.3.5.2. Sử dụng kết quả đo FWD phân tích ngược bằng phần mềm BAKFAA xác định mô đun của từng lớp kết
cấu.
Bảng 4.16. Kết quả phân tích ngược xác định bộ mô đun lớp
Tải

Lớp

Lớp

Lớp

Mô đun đàn hồi

Mô đun đàn

Mô đun đàn

trọn

1

2

3

lớp 1

hồi lớp 2

hồi lớp 3

kN

mm

mm

mm

MPa

MPa

MPa

86.05

250

180

0

28.091,74

12.305,59

125,81

RMS

3,910

Bộ mô đun lớp: Ebt = 28.091,74 (MPa), E2 = 12.305,59 (MPa), E3 = 125,81 (MPa) có thể được sử dụng cho
việc phân tích kết cấu dưới tác dụng của tải trọng.
- Sử dụng kết quả phân tích ngược xác định mô đun lớp để tính toán sức chịu tải tĩnh của mặt đường.
Thiết bị đo FWD là máy gia tải động, vì vậy sẽ cho ta kết quả hệ số nền động. Để phù hợp với tiêu chuẩn
thiết kế, ta phải quy đổi hệ số nền động nền dưới đáy tấm BTXM về hệ số nền tĩnh. Sự khác biệt của mô đun đàn
hồi động so với mô đun đàn hồi tĩnh phụ thuộc loại vật liệu lớp móng, loại đất nền, độ cứng của tấm bê tông mặt
đường và tốc độ gia tải của tải trọng thử nghiệm. Do đất nền đường là vật liệu lưu biến có đặc tính đàn nhớt, nên
nền thể hiện đặc trưng biến dạng trễ khi chịu tác dụng của tải trọng động nên độ võng sẽ nhỏ hơn độ võng tĩnh,
do đó hệ số nền động nhận được từ tính toán sẽ lớn hơn so với hệ số nền tĩnh. Để xác định tải trọng cho phép là
tải trọng tĩnh như tải trọng dùng trong tính toán thiết kế, cần quy đổi hệ số nền động về hệ số nền tĩnh. Theo
hướng dẫn của Cục hàng không Hoa Kỳ, trong tính toán sức chịu tải của mặt đường ô tô và sân bay, có thể lấy
chung cho các loại nền đường giá trị hệ số đàn hồi động lớn gấp hai lần hệ số đàn hồi tĩnh.
Sử dụng công thức của nghiên cứu sinh đề xuất thì, cường độ chịu kéo khi uốn tại thời điểm thí nghiệm

Rku

:

30 Ebt

106

3,683 MPa

(4.24)

Khi biết các thông số như chiều dày tấm Bê tông, hệ số nền k và cường độ chịu kéo uốn của tấm BTXM
thì ta có thể xác định được sức chịu tải của mặt đường BTXM. Theo Westergaad, ứng suất tại tâm tấm :
0

0, 275 1

Pcp
h2

log

Thay số vào tính toán ta được :

Eh3
k .R 4

(4.25)

Pcp 188,1(kN)

Ứng suất – biến dạng là hai thông số quan trọng liên quan đến tuổi thọ của kết cấu mặt đường, vì vậy nó
là yếu tố quan trọng trong phân tích kết cấu mặt đường. Nghiên cứu này đã phân tích những ứng xử của kết cấu
mặt đường BTXM dưới tác dụng của tải trọng FWD thông qua phần mềm EverFE 2.25. Kết quả phân tích được
so sánh với kết quả đo thực nghiệm để kiểm tra sự hiệu quả và sự chính xác của mô hình tính toán đã chọn.

Tải trọng tác dụng vào tấm là xung tải FWD với lực tác dụng khi đo lớn nhất được ghi lại là 86,05 kN, bán
kính tấm ép là 150mm. Do đó xung tải tác dụng xuống mặt đường đo được lớn nhất là:
P= 1268.9x3.14x0,152= 86,05 (kN)


17
Từ kết quả phân tích ứng suất bằng phần mềm EverFE 2.25, ta xác định được ứng suất tại đáy tấm ở vị trí
điểm phân tích là:

= 2,645MPa

Biến dạng tại đáy tấm BTXM ở vị trí điểm nghiên cứu theo kết quả phân tích ứng suất bằng phần mềm
EverFE 2.25 là:
tt
tt

E

2, 645
28.091, 74

9, 41 10

5

(4.26)

- Xác định chỉ số sức chịu tải của mặt đường Pavement classification Number (PCN) bằng phần mềm
COMFAA sử dụng kết quả phân tích ngược mô đun lớp từ dữ liệu đo võng FWD.
4.3.6. Xác định tải thí nghiệm phù hợp với kết cấu mặt đường

Trên thiết bị FWD có thể điều chỉnh được tải trọng, chiều cao rơi của quả tải do vậy lực tác dụng xuống
mặt đường là do người vận hành điều khiển. Mỗi loại kết cấu mặt đường sẽ cần phải lựa chọn tải trọng phù
hợp.Nếu tải trọng quá nhỏ sẽ dẫn đến kết quả phân tán, phần mềm xử lý cho kết quả không tin cậy. Nếu tải trọng
thí nghiệm quá lớn có thể gây hư hỏng kết cấu mặt đường.
Qua thực nghiệm cho thấy lựa chọn tải trọng tăng dần và theo dõi kết quả đo độ võng hai lần đo liên tiếp
cho biểu đồ số liệu có độ phân tán ít, sai lệch <3% sẽ cho kết quả xử lý mô đun đàn hồi từng lớp có độ tin cậy.
Khi lựa chọn được tải trọng phù hợp, với kết cấu mặt đường thiết kế không đổi sẽ giữ nguyên tải trọng thí
nghiệm để đo đạc khi đó sẽ thuận lợi cho việc phân tích đặc trưng từng đoạn.
Hiện tại các thiết bị đo FWD ở Việt Nam chưa có đơn vị hiệu chuẩn. Đoạn đường thử nghiệm sau khi thi
công không có xe tải lưu thông có thể sử dụng để kiểm tra thiết bị, phát hiện sai lệch về đo lường của thiết bị.
Các cảm biến đo biến dạng gắn trong đoạn thử nghiệm được dùng để so sánh với giá trị độ võng cũng góp phần
đánh giá hoạt động của cảm biến đo độ võng của thiết bị FWD.
Việc lựa chọn tải trọng đo phù hợp với kết cấu mặt đường là việc cần thiết mỗi khi đo đạc. Đo đạc có số
liệu đầu vào chính xác mới có thể xử lý đúng kết quả đo.
Các hãng thiết bị cùng hướng tới chuẩn mực chung, các dữ liệu đo được chung định dạng và có thể sử
dụng phần mềm xử lý do FAA xây dựng có thể sử dụng để xử lý kết quả đo đơn giản, độ tin cậy cao. Nếu xây
dựng phần mềm xử lý riêng cần phải có đối chứng với những phần mềm của tổ chức uy tín đã được kiểm chứng
thực tế.


18
4.4. Nghiên cứu thực nghiệm tại đƣờng nội bộ - Nhà xƣởng Hangar A76
Nghiên cứu thực nghiệm trên đoạn đường BTXM
làm mới tại Nhà xưởng Hangar A76

Kết cấu áo đường gồm:
Lớp BTXM 30/4,0 MPa dày 30cm
Lớp cát gia cố xi măng 8% dày 20cm
Đất cấp phối lu lèn K98 dày 30cm
Đất nền nguyên thổ lu lèn K95

Thiết kế, bố trí thiết bị đo đạc

Thi công và kiểm tra từng lớp kết cấu

Thi công xong đạt cường độ tiến hành đo đạc

Tiến hành đo FWD được
giá trị chậu võng và lực
tác dụng

Tiến hành đo biến dạng đáy
tấm bằng tải trọng của thiết
bị FWD

Tiến hành đo sử dụng
thiết bị TOTC-01

Sử dụng phầm mềm
BAKFAA để tính mô
đun từng lớp kết cấu

So sánh biến dạng
do xung lực FWD gây ra và
do xe tải gây ra.

Xác định chiều dày
và độ đồng nhất của tấm
BTXM

Sử dụng phần mềm
COMFAA tính toán xác
định SCT PCN theo theo
giá trị
thực đo

Kết luận và lựa chọn
tải trọng phù hợp cho loại
kết cấu sử dụng

Tiến hành thí nghiệm trên một tấm BTXM đường nội bộ của nhà xưởng Hangar số 2 (A76) với kích thước tấm
3800 x 5000 mm được bố trí liên kết mối nối bằng thanh truyền và khe ngàm. Kết cấu như sau:
- Bê tông xi măng 30/4,0 MPa : 30 cm
- Cát gia cố xi măng 8% : 20 cm
- Đất cấp phối lu lèn K98 : 30 cm
- Đất nền nguyên thổ lu lèn K95
* Kết quả thí nghiệm FWD tại đƣờng nội bộ nhà xƣởng Hangar A76
Bảng 4.17. Kết quả xác định chậu võng tại tâm tấm BTXM
Lực tác
Khoảng
dụng
cách đầu
0
200
300
450
600
900
1200
(kN)

đo (mm)
Độ võng
104,54
166,1
158,8
155,8
148,5
137,7
119,3
105,3
( )


19
* Phân tích ngược xác định mô đun lớp
Bảng 4.18. Kết quả phân tích ngược xác định bộ mô đun lớp
Tải trọng

Lớp 1

Lớp 2

Lớp 3

Lớp 4

Mô đun đàn
hồi lớp 1

Mô đun

đàn hồi
lớp 2

Mô đun
đàn hồi
lớp 3

Mô đun
đàn hồi
lớp 4

KN

mm

mm

mm

mm

MPa

MPa

MPa

MPa

893.37

220.53

104.54

300

200

300

0

38,219.64

4,358.0
8

RMS

1.9143

Bộ modulus lớp: E1 = 38.219,64 (MPa), E2 = 4.358,08 (MPa), E3 = 893,37 (MPa), E4 = 220,53 (MPa) có thể
được sử dụng cho việc phân tích kết cấu dưới tác dụng của tải trọng.
* Kết quả thực nghiệm đo biến dạng dưới đáy tấm
Tại vị trí cần kiểm tra, tấm ép và các sensor được hạ xuống tiếp xúc với mặt đường (tâm của tấm ép được đặt
trùng với vị trí đặt đầu đo biến dạng đáy tấm). Hệ thống điều khiển nâng khối tải trọng lên độ cao quy định và
rơi tự do xuống tấm ép gây ra một xung lực xác định tác dụng lên mặt đường. Các sensor cảm biến đo võng sẽ
ghi lại độ võng của mặt đường ở khoảng cách quy định, trị số xung lực và độ võng được ghi lại vào file dữ liệu
FWD. Đồng thời đầu đo biến dạng được lắp đặt dưới đáy tấm BTXM tại vị trí đo sẽ ghi lại kết quả biến dạng của

đáy tấm.
Kết quả đo biến dạng tại đáy tấm BTXM dưới tác dụng của tải trọng FWD được thể hiện trong biểu đồ hình
3.6 (trục tung thể hiện biến dạng 10-6, trục hoành thể hiện thứ tự lấy dữ liệu (tương đương 4s))

Hình 4.39. Kết quả đo biến dạng tại đáy tấm BTXM dưới tác dụng tải trọng FWD
Từ kết quả đo thực nghiệm tại hiện trường ta thấy biến dạng lớn nhất dưới đáy tấm BTXM là:

=

- Xác định ứng suất – biến dạng tại đáy tấm BTXM bằng phần mềm EverFE 2.25
Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đo biến dạng tại đáy tấm BTXM ở vị trí nghiên cứu là:
. Kết quả tính toán biến dạng theo phần mềm phân tích EverFE 2.25 tại điểm đó là:

=

Sai số tương đối giữa biến dạng thực đo và biến dạng tính toán theo EverFE 2.25:
66,06 10 6 63,14 10
66,06 10 6

6

100 4, 43%

(4.31)

=


20
Như vậy, sai số giữa số liệu đo biến dạng thực nghiệm ngoài hiện trường với số liệu biến dạng tính toán

được theo EverFE 2.25 là 4.43%. Số liệu này có thể chấp nhận được.
4.5. Nghiên cứu đánh giá khả năng truyền tải trọng giữa các tấm BTXM
Khảo sát thực tế các dạng hư hỏng mặt đường BTXM tại Việt Nam cho thấy phần lớn xuất phát từ khe nối.
Nguyên nhân trong quá trình thi công không được chú trọng, trong quá trình khai thác không được quan tâm bảo
trì bảo dưỡng, lớp móng bị ngấm nước dẫn đến mất mát vật liệu.Biểu hiện cho thấy rõ nhất là hiện tượng cập
kênh tấm.
* Trình tự đo đạc đánh giá
-

Chuẩn bị xe tải, tải trọng trục 10 tấn.

-

Thiết lập đảm bảo an toàn đoạn đo thử nghiệm đối với đoạn đường đang khai thác.

-

Lắp đặt thiết bị TOTC-02 sao cho khe nối nằm giữa cảm biến 2 và 3. Vị trí đặt trên mặt tấm cách vệt

bánh xe chạy 20-25 cm.
-

Cho xe chạy với vận tốc 5km/h qua 2 tấm cần đo, đồng thời ghi dữ liệu

-

Đo lặp lại tối thiểu 3 lần tiến, 3 lần lùi xe lấy giá trị trung bình

* Đề xuất ngƣỡng đánh giá
-

Nghiên cứu sinh đã tiến hành đo thử trên các đoạn tuyến mới thi công (ở các trạm thu phí QL18,QL10)

các đoạn tuyến đang khai thác QL18. Tổng hợp đề xuất phân loại đánh giá độ cập kênh của tấm theo như bảng
4.20
Bảng 4.20. Phân loại đánh giá độ cập kênh
STT

Kết quả đo độ cập kênh qua khe

Đánh gía

Ghi chú

nối, khe nứt (mm)
1

<0.01mm

Rất tốt

2

0,01-:-0,02 mm

Tốt

3

0,02-:-0,04 mm

Trung bình

4

0,04-:-0,07 mm

Kém

Cần bảo trì

5

>0,07 mm

Rất kém

Cần sửa chữa

4.6. Nghiên cứu thực nghiệm mặt đƣờng BTXM tại dự án QL18 đoạn Hạ Long – Mông Dƣơng.
4.6.1. Kết cấu áo đường BTXM đoạn Hạ Long – Mông Dương
Đoạn đường thí nghiệm tại QL18, xây dựng từ năm 2002 có mặt đường 2 làn xe rộng 2 x 5.0 m. Kích thước tấm
BTXM trên mặt bằng là 3,5 x 5,0 m. Kết cấu mặt đường cần đánh giá SCT có cấu tạo: Trên cùng là tấm BTXM
được thiết kế cấp B25 dày 24cm; dưới tấm BTXM là lớp móng cấp phối đá dăm dạng hạt dày 48cm; dưới cùng
là nền đất đầm chặt K98. Giữa tấm BTXM mặt đường và lớp móng bố trí 2 lớp giấy dầu tạo phẳng để giảm ma
sát đáy tấm. Nghiên cứu sinh đã tiến hành đo đạc trên 96 tấm BTXM


21
Bảng 4.22. Kết quả sau tính toán một số tấm điển hình trên QL18

đoạn Hạ Long- Mông Dương
Kết quả tính toán SCT của tấm
Kết quả trung bình tính E
BTXM
Ký hiệu tấm
đo
Ebt
Ecpdd
Eo
Rku
Ptt
Mpa
Mpa
Mpa
Mpa
(kN)
GT1

9864.5

371.8

130.0

3.98

173.3

GT2

10582.3

365.7

206.7

4.00

180.3

GT3

25329.7

454.1

239.9

4.44

194.3

GT4

23525.6

319.1

239.8

4.39

192.4

GT5

17033.5

434.6

170.2

4.19

181.0

GT6

12460.1

284.8

130.0

4.06

174.1

GT7

20279.9

432.4

182.1

4.29

184.9

GT8

23049.6

380.0

207.5

4.37

189.7

GT9

22033.4

501.3

236.4

4.34

190.6

GT10

19769.4

566.8

185.0

4.28

184.7

trong đó: Ebt
4.7. Đề xuất các bƣớc thực hiện đánh giá mặt đƣờng BTXM
Bước 1: Chuẩn bị, kiểm tra thiết bị chính trước khi sử dụng
Thiết bị FWD hoặc HWD:
+ Kiểm tra vị trí, khoảng cách các cảm biến đo gia tốc, kiểm tra dầu thủy lực ở bộ phận nâng hạ, kiểm tra tình
trạng gối cao su, hệ điều khiển, hệ đo lường của máy.
+ Đo thử trên tấm bê tông chuẩn (tấm bê tông thi công trên nền biết trước các thông số, có gắn cảm biến đo biến
dạng đáy tấm TOTC-03), xử lý số liệu đo đánh giá độ sai lệch của kết quả đo so với thông số chuẩn đã biết
trước. Quá trình kiểm tra lưu ý đánh giá thời gian tác động của tải trọng thông qua thiết bị TOTC-03 (thời gian
tác động của tải trọng phụ thuộc vào độ cứng của hệ lò xo giảm chấn của máy, lò xo hoặc cao su có thể bị thay
đổi theo thời gian). Mục đích đo thử trên tấm chuẩn để xác định tình trạng hoạt động bình thường của máy, nếu
đo thử thấy sai lệch nhiều hoặc khác nhiều với lần đo thử trước cần báo lại cho hãng sản xuất để tiến hành hiệu
chuẩn lại (hiện nay ở Việt Nam chưa có đơn vị có thể hiệu chuẩn thiết bị này.
Thiết bị kiểm tra chiều dày tấm bê tông xi măng mặt đường

+ Có thể sử dụng thiết bị TOTC-01 hoặc thiết bị NDE 360 impact echo hãng Olson Instruments.
+ Các thiết bị thử không phá hủy này trước khi sử dụng thực tế phải kiểm tra đo thử trên mẫu chuẩn để
kiểm tra hoạt động bình thường của thiết bị. Nếu phát hiện đo đạc sai lệch với thông số của mẫu chuẩn phải báo
lại hãng sản xuất để hiệu chỉnh.
- Thiết bị kiểm tra vị trí, số lượng, độ nghiêng lệch thanh truyền lực giữa các tấm bê tông: Đây là
phương pháp điện từ, không phá hủy do vậy trước khi sử dụng phải kiểm tra trên mẫu chuẩn có gắn cốt thép.


22
- Thiết bị đo độ cập kênh của tấm bê tông xi măng TOTC-02; thiết bị này sử dụng trong trường hợp chỉ
cần đo khảo sát đánh giá độ cập kênh của tấm sớm phát hiện hư hỏng tiềm ẩn không huy động được thiết bị
FWD. Thiết bị trước khi sử dụng các cảm biến đo LVDT được hiệu chuẩn (tại Tổng cục đo lường chất lượngViệt Nam có thể hiệu chuẩn được thiết bị này)
Bước 2: Tiến hành thử nghiệm theo sơ đồ

Đo đạc thực nghiệm FWD

Thu thập thông tin (1)
- Kết cấu các lớp vật liệu
- Chiều dày các lớp vật liệu

Kiểm tra chiều dày BTXM (2)
Bằng phương pháp không phá hủy

Kiểm tra thanh truyền lực (3)
Bằng phương pháp điện từ

Đo đạc hiện trƣờng (4)
- Xác định lực tác dụng
- Chậu võng trên mặt đường khi
tác dụng lực

Tính toán xử lý kết quả (6)
- Sử dụng thuật toán ngược tính
mô đun đàn hồi động các lớp
vật liệu.

Chuyển đổi mô đun đàn hồi
động sang mô đun đàn hồi
tĩnh (7)

Từ kết quả mô đun đàn hồi
tĩnh+ chiều dày lớp kết cấu
tính sức chịu tải (8)

Bộ số liệu ban đầu (5)
- Nạp bộ số liệu ban đầu
phục vụ cho tính toán


23
4.8. Kết luận chƣơng 4
Thông qua đo đạc trên đoạn đường thi công thử tại đường nội bộ trường Đại học Giao thông Vận tải,
Xưởng Hangarr A76 đã giúp cho việc sử dụng thiết bị đo đạc thành thạo, ứng dụng và kiểm chứng phần mềm
tính ngược. Các thiết bị đo được gắn trong tấm hoạt động ổn định, lâu dài góp phần cho các nghiên cứu tiếp theo.
Qua đó đã hoàn thiện kỹ năng đo đạc, xử lý số liệu và đã áp dụng đo đạc trên tuyến QL18 với 96 tấm BTXM
mặt đường cho thấy việc ứng dụng phương pháp đo động (FWD) tại Việt Nam là ứng dụng phù hợp và hiệu quả.
- Nghiên cứu sinh đã chế tạo thiết bị đo TOTC-02 đo độ cập kênh tấm có thể áp dụng trong trường hợp
chưa có thiết bị FWD.
- Nghiên cứu sinh đã chế tạo thiết bị đo biến dạng (TOTC-03) đặt trong bê tông nhằm xác định biến
dạng dưới đáy tấm. Giá trị đo đạc nhằm đối chứng với kết quả xử lý tính toán từ mềm đã đề xuất sử dụng.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết cấu mặt đường BTXM với những ưu điểm chịu được tải trọng nặng, thời gian phục vụ dài, ít chịu ảnh
hưởng của điều kiện môi trường là lựa chọn hàng đầu cho xây dựng đường ô tô và sân bay, đóng vai trò quan
trọng trong việc hình thành nên mạng lưới giao thông của các quốc gia. Ở Việt Nam, lựa chọn mặt đường
BTXM là giải pháp kích cầu sử dụng xi măng trong nước, giảm nhập khẩu nhựa đường và tận dụng được các
nguồn lực địa phương.
Hiện nay ở Việt Nam hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, thi công, nghiệm thu và đánh giá trong quá trình khai
thác mặt đường BTXM cho đường ô tô và sân bay chưa được đồng bộ, chưa cập nhật những công nghệ mới đòi
hỏi những nghiên cứu chuyên sâu.
Sử dụng phương pháp không phá hủy để đánh giá chất lượng mặt đường BTXM có ưu điểm nhanh,
chính xác, phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế và khai thác hiện đại cần được áp dụng ở Việt Nam. Tuy nhiên, các
thiết bị không phá hủy đánh giá chất lượng mặt đường BTXM trong nước chưa tự sản xuất được cần có nghiên
cứu giải mã công nghệ, chế tạo thiết bị và đề xuất trình tự đo.
Những kết quả chính đạt đƣợc trong quá trình nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thí nghiệm trong phòng, thực nghiệm hiện
trường trên các máy thí nghiệm hiện đại với số mẫu thử đủ để đạt được những kết quả mới sau:
1. Đề xuất trình tự công nghệ đo động xác định chiều dày, khuyết tật, độ hổng dưới đáy tấm của mặt
đường BTXM. Thiết kế chế tạo thành công thiết bị TOTC-01 đảm bảo chính xác, hoạt động ổn định, có tốc độ
lấy mẫu tối đa 1.25 Mhz phù hợp với các điều kiện Việt Nam;
2. Đề xuất trình tự công nghệ đo, thiết kế chế tạo thành công thiết bị TOTC-02 đo độ cập kênh của tấm khi
chịu tải trọng động với độ chính xác 10-4mm. Bước đầu đề xuất giới hạn đánh giá chất lượng khai thác tấm theo
độ cập kênh của tấm BTXM.
3. Thiết kế, xây dựng mô hình nghiên cứu hiện trường đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM
bằng phương pháp không phá hủy. Thiết kế chế tạo thành công bộ thiết bị TOTC-03 đo đạc tự động theo thời
gian thực các trường nhiệt độ, biến dạng và dao động trong kết cấu mặt đường BTXM đảm bảo chính xác;
4. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng tương quan giữa cường độ chịu kéo khi uốn và mô đun đàn hồi của
BTXM 35/4.5 MPa. Công thức tương quan đề xuất:

Rku

-

30, Ebt
106

3,683 MPa
.


24
- Công thức giúp cho việc tính toán, kiểm toán Rku khi đo đạc được Ebt
5. Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình mặt đường trong phòng thí nghiệm xác định hệ số mô đun đàn
hồi nền chịu tải trọng tĩnh và động. Giá trị tương quan đề xuất sử dụng: c = 1.682.
6. Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm hiện trường tại 3 dự án: Đường nội bộ Hangar A76-Sân bay Nội
Bài; Đoạn thử nghiệm Đại học GTVT; và Quốc lộ 18 Hạ Long – Vân Đồn luận án đã đề xuất được quy trình
đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM đường ô tô và sân bay bằng phương pháp không phá hủy đảm
bảo nhanh chóng, chính xác, cập nhật, phù hợp với các điều kiện Việt Nam;
Những đóng góp của luận án
- Luận án có ý nghĩa khoa học:
+ Phân tích, xác định những thông số quan trọng cần kiểm soát khi đánh giá chất lượng khai thác mặt
đường bê tông xi măng đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy;
+ Phân tích nguyên lý truyền sóng đánh giá chất lượng mặt đường BTXM, chế tạo thành công các thiết bị
đo đạc làm cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo.
- Luận án có ý nghĩa thực tiễn:
+ Kiến nghị quy trình đánh giá chất lượng khai thác mặt đường BTXM ô tô bằng phương pháp không phá
hủy ở Việt Nam;
+ Chế tạo các thiết bị phục vụ cho công tác nghiên cứu thực nghiệm đánh giá chất lượng khai thác mặt
đường BTXM phù hợp với điều kiện Việt Nam.
+ Những kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm phong phú thêm kiến thức về sử dụng phương
pháp không phá hủy đánh giá chất lượng khai thác mặt đường bê tông xi măng ở Việt Nam, là tài liệu tham khảo

tốt khi nghiên cứu và giảng dạy bậc đại học.
Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp
- Những vấn đề nghiên cứu nghiên cứu sinh đề cập mới mang tính đơn lẻ, chưa xét tới các tương tác ảnh
hưởng lẫn nhau của các tham số. Khi chịu ảnh hưởng của tham số khác sẽ dẫn đến việc xử lý phức tạp và khó
hơn (ví dụ như ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm đến kết quả đo chiều dày…).
- Những kết quả đo đạc đã thu thập quan trắc liên tục nhưng chưa xử lý, chưa sử dụng như: chuỗi số liệu
quan trắc: nhiệt độ tại các vị trí trên tấm, biến dạng tại các vị trí trên tấm theo thời gian…
- Các cảm biến đo dao động 3 phương độ chính xác cao được đặt trong các lớp kết cấu, lớp đất yếu chưa
được khai thác nghiên cứu.