NGHIÊN cứu các GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG xây DỰNG kết cấu mặt ĐƯỜNG áp DỤNG CHO dự án QUỐC lộ 1 đoạn TRÁNH THÀNH PHỐ PHỦ lý

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

CAO TIẾN QUÝ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG ÁP DỤNG CHO DỰ ÁN QUỐC LỘ 1
ĐOẠN TRÁNH THÀNH PHỐ PHỦ LÝ
VÀ ĐOẠN KM215+775-KM235+885 TỈNH HÀ NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


HÀ NỘI - 2017


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

CAO TIẾN QUÝ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG ÁP DỤNG CHO DỰ ÁN QUỐC LỘ 1
ĐOẠN TRÁNH THÀNH PHỐ PHỦ LÝ
VÀ ĐOẠN KM215+775-KM235+885 TỈNH HÀ NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

MÃ SỐ: 60.58.02.05
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN QUANG PHÚC


HÀ NỘI - 2017


i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của

PGS.TS. Nguyễn Quang

Phúc, các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này
trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác.Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi
sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích
dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày 13 tháng 10 năm 2017
Tác giả

Cao Tiến Quý


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ,
tạo điều kiện nhiệt tình và quý báu của nhiều cá nhân, tập thể.
Lời đầu tiên tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận
văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô trong trường Đại học
Giao thông Vận tải - Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt
thời gian theo học, thực hiện và hoàn thành luận văn, cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình
của bạn bè, người thân và các đồng nghiệp trong thời gian làm luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và
năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
được những đóng góp quí báu của quý thầy cô và các bạn.
Tác giả

Cao Tiến Quý


iii
MỤC LỤC

1.1.1. Khái niệm kết cấu áo đường mềm.................................................................................3
1.1.2. Giới thiệu điển hình kết cấu áo đường mềm.................................................................3
1.2.1. Sơ đồ bố trí các lớp trong kết cấu mặt đường bê tông nhựa.........................................4
1.2.2. Yêu cầu đối với kết cấu mặt đường bê tông nhựa.........................................................5
1.3.1. Phương pháp thiết kế theo 22TCN211-06......................................................................6
1.3.2. Phương pháp thiết kế theo 22TCN274-01......................................................................6
1.3.3. Phương pháp thiết kế theo AI (Asphalt Institute)..........................................................7
1.3.4. Phương pháp thiết kế theo cơ học thực nghiệm MEPDG..............................................8
1.4.1. Chương trình BISAR.....................................................................................................10

1.4.2. Chương trình EverStressFE version 1.0........................................................................11
1.4.3. Chương trình KENPAVE................................................................................................12
1.4.4. Chương trình 3D Move................................................................................................13
1.4.5. Chương trình ALIZE 1.20..............................................................................................14
1.4.6. Chương trình ANSYS....................................................................................................14
1.4.7. Chương trình ABAQUS.................................................................................................14
1.4.8. Phần mềm cơ học thực nghiệm MEPDG......................................................................15
1.4.9. Bộ phần mềm SW-1 của Viện Asphalt-Mỹ....................................................................15
1.4.10. Các phần mềm khác...................................................................................................16
1.5.1. Kết cấu áo đường mềm phổ biến................................................................................16
1.5.2. Công nghệ thi công các lớp kết cấu mặt đường...........................................................18
1.5.3. Công tác duy tu, bảo dưỡng kết cấu áo đường mềm...................................................18
1.6.1. Xu hướng sử dụng bê tông nhựa tại Việt Nam và trên Thế giới...................................19
1.6.2. Phân loại bê tông nhựa...............................................................................................20
1.6.3. Cấu trúc bê tông nhựa.................................................................................................21
1.6.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bê tông nhựa..................................................21
1.6.5. Phương pháp thiết kế theo Marshall...........................................................................22
1.6.6. Phương pháp thiết kế theo Superpave........................................................................23
1.7.1. Về phương pháp thiết kế kết cấu áo đường................................................................30
1.7.2. Về phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa......................................31
2.1.1. Nứt mỏi.......................................................................................................................32
2.1.2. Nứt do nhiệt độ thấp...................................................................................................34
2.1.3. Nứt dọc.......................................................................................................................34
2.1.4. Nứt ngang....................................................................................................................36


iv
2.1.5. Nứt lưới lớn dạng khối................................................................................................38
2.1.6. Nứt phản ánh..............................................................................................................40
2.1.8. Lún vệt bánh xe...........................................................................................................41

2.1.9. Bong bật......................................................................................................................43
2.1.10. Vết vá mặt đường/ Ổ gà............................................................................................44
2.1.11. Chảy nhựa.................................................................................................................45
2.2.1. Nguyên nhân do nhiệt độ không khí cao......................................................................46
2.2.2. Nguyên nhân do tải trọng xe và lưu lượng xe:.............................................................47
2.2.3. Nguyên nhân do công tác khảo sát thiết kế.................................................................48
2.2.4. Nguyên nhân do công tác thi công...............................................................................49
2.2.5. Nguyên nhân do tải trọng vượt quá của phương tiện.................................................50
2.3.1. Thiết kế kết cấu mặt đường:........................................................................................51
2.3.2. Lựa chọn lớp mặt đường BTN:....................................................................................52
2.3.3. Đảm bảo chất lượng thi công:.....................................................................................54
2.3.4. Quản lý khai thác đường hợp lý..................................................................................55
3.2.1. Môđun đàn hồi mặt đường cu.....................................................................................58
3.2.2. Khảo sát kết cấu mặt đường cu...................................................................................59
3.3.1. Nhiệt độ......................................................................................................................60
3.3.2. Độ ẩm..........................................................................................................................60
3.3.3. Mưa gió.......................................................................................................................60
3.4.1. Đất đắp........................................................................................................................61
3.4.2. Cát đắp........................................................................................................................61
3.4.3. Đá xây dựng.................................................................................................................61
3.5.1. Tải trọng xe chạy tính toán...........................................................................................62
3.5.2. Lưu lượng xe tính toán (Tn).........................................................................................62
3.6.1. Phân tích lựa chọn lớp mặt đường..............................................................................63
3.6.2. Phân tích lựa chọn lớp móng đường...........................................................................63
3.6.3. Phân tích lựa chọn lớp đáy áo đường..........................................................................64
3.7.1. Phân tích, xử lý số liêu nhiêt đô của các trạm khí tượng............................................64
3.7.2. Mô hình SHRP..............................................................................................................65
3.7.3. Mô hình LTPP...............................................................................................................65
3.7.4. Xác định mác nhựa PG từ các mô hình tính toán.........................................................66
3.7.5. Độ tin cậy thiết kế........................................................................................................66

3.7.6. Điều chỉnh mác nhựa theo đặc tính tải trọng...............................................................66
3.8.1. Các thông số thiết kế...................................................................................................68
3.8.2. Nguyên tắc thiết kế......................................................................................................68


v
3.8.3. Kết quả thiết kế măt đường:.......................................................................................71
- Kết cấu đoạn tránh TP Phủ Lý: KC1......................................................................................71
3.9.1. Nội dung và nguyên tắc tính toán................................................................................72
3.9.2. Kết quả thiết kế măt đường QL1 đoạn tuyến tránh thành phố Phủ Lý và đoạn
Km215+775-Km235+885........................................................................................................76
4.1.1.Tổng thể về phương pháp Marshall..............................................................................88
4.1.2.Ưu nhược điểm của phương pháp Marshall.................................................................89
4.3.1.Tiêu chuẩn thiết kế.......................................................................................................91
4.3.2. Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa, các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa...........................91
4.4.1.Tiêu chuẩn thiết kế.......................................................................................................96
4.4.2.Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa, các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa............................96


vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Hệ số tải trọng tương đương khuyến cáo.......................................................7
Bảng 1.2: Số liệu mạng lưới đường bộ Việt Nam theo vật liệu lớp mặt đường.............19
Bảng 1.3: Phân loại bê tông nhựa nóng........................................................................20
Bảng 1.4: Điều chỉnh mác nhựa theo điều kiện giao thông...........................................24
Bảng 1.5: Cấp phối hỗn hợp Superpave........................................................................26
Bảng 1.6: Khống chế hỗn hợp bê tông nhựa.................................................................26
Bảng 1.7: Yêu cầu cốt liệu.............................................................................................27
Bảng 1.8: Số lần đầm nén thiết kế................................................................................28

Bảng 1.9: Các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế hỗn hợp...........................................................28
Bảng 2.1: So sánh nhựa đường thông thường và Multiphalte......................................53
Bảng 3.1: Môđun đàn hối mặt đường cũ bằng cần Benkelman.....................................59
Bảng 3.2: Khảo sát kết cấu mặt đường cũ....................................................................59
Bảng 3.3: Mô tả đất đắp...............................................................................................61
Bảng 3.4: Mô tả cát đắp...............................................................................................61
Bảng 3.5: Mỏ đá xây dựng...........................................................................................61
Bảng 3.6: Thành phần ô tô các loại trên đường QL1.....................................................62
Bảng 3.7: Trạm khí tượng nghiên cứu..........................................................................64
Bảng 3.8: Kết quả phân tích nhiệt độ các trạm khí tượng miền Bắc..............................64
Bảng 3.9: Kết quả tính toán mác nhựa PG theo SHRP và LTPP.......................................66
Bảng 3.10: Điều chỉnh mác nhựa theo điều kiện giao thông.........................................67
Bảng 3.11: Tính lưu lượng ESAL trong 20 năm..............................................................67
Bảng 3.12: Bảng tính lưu lượng trong 20 năm phục vụ kết cấu áo đường....................76
Bảng 3.13: Kết cấu mặt đường tuyến tránh..................................................................80
Bảng 3.14: Nhiệt độ trung bình tháng của khu vực Hà Nam..........................................80
Bảng 4.1 Kết quả phân tích thành phần hạt..................................................................94
Bảng 4.2 Thiết kế phối trộn hỗn hợp cốt liệu.................................................................94
Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý:.............................................................96
Bảng 4.4: Kết quả phối trộn cốt liệu – Giai đoạn thiết kế hoàn chỉnh.............................96


vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu mặt đường mềm............................................4
Hình 1.2: Trình tự thiết kế mặt đường mềm theo AI.......................................................8
Hình 1.3: Trình tự thiết kế theo MEPDG........................................................................10
Hình 1.4: Giao diện chính của EverStressFE version 1.0.................................................12
Hình 1.5: Giao diện chính của KENPAVE........................................................................13

Hình 1.6: Giao diện chính của ALIZE1.20.......................................................................14
Hình 1.7: Phần mềm cơ học – thực nghiệm MEPDG 1.1.................................................15
Hình 1.8: Giao diện phần mềm SW-1 của Viện Asphalt..................................................15
Hình 1.9: Lựa chọn 3 cấp phối BTN19............................................................................27
Hình 1.10: Biểu đồ lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu....................................................29
Hình 1.11: Biểu đồ quan hệ số lần đầm và %tỷ trọng Gmm...........................................29
Hình 2.1a: Nứt mỏi dạng nhẹ........................................................................................32
Hình 2.1b: Nứt mỏi dạng vừa.......................................................................................32
Hình 2.1c: Nứt mỏi dạng nặng......................................................................................33
Hình 2.2: Nứt do nhiệt độ thấp.....................................................................................34
Hình 2.3a: Nứt dọc nhẹ.................................................................................................35
Hình 2.3b: Nứt dọc vừa.................................................................................................35
Hình 2.3c: Nứt dọc nặng...............................................................................................35
Hình 2.4a: Nứt ngang dạng nhẹ....................................................................................36
Hình 2.4b: Nứt ngang dạng vừa...................................................................................37
Hình 2.4c: Nứt ngang dạng nặng..................................................................................37
Hình 2.5a: Nứt lưới nhẹ................................................................................................38
Hình 2.5b: Nứt lưới vừa................................................................................................39
Hình 2.5c: Nứt lưới nặng..............................................................................................39
Hình 2.6: Nứt phản ánh................................................................................................40
2.1.7. Nứt trượt............................................................................................................40
Hình 2.7a: Nứt trượt dọc..............................................................................................41
Hình 2.7b: Nứt trượt ngang..........................................................................................41
Hình 2.8a:Lún vệt bánh xe nhẹ......................................................................................42
Hình 2.8b: Lún vệt bánh xe vừa.....................................................................................42
Hình 2.8c: Lún vệt bánh xe nặng...................................................................................42


viii
Hình 2.9: bong bật........................................................................................................44

Hình 2.10: ổ gà.............................................................................................................44
Hình 2.11: chảy nhựa....................................................................................................46
Hình 2.12: Quan hệ giữa nhiệt độ không khí với nhiệt độ các loại áo đường...............46
Hình 2.13: Mô hình tương tác nhiệt độ của kết cấu áo đường......................................47
Hình 2.14: Ảnh hưởng của tải trọng bánh xe đến lún vệt hằn bánh xe..........................48
Hình 2.15: Biểu đồ ứng suất cắt trượt theo chiều sâu...................................................50
Hình 2.16: Lún vệt bánh xe tại nút giao thông nơi có xe nặng lưu thông do lực ngang
phát sinh bởi điều kiện tăng, giảm tốc của xe nặng......................................................51
Hình 2.17: Điển hình hư hỏng lún vệt bánh xe nơi có xe nặng lưu thông do lớp móng
dưới hoặc nền đất........................................................................................................51
Hình 3.1: Sơ đồ khối phân tích kết cấu áo đường mềm.................................................57
Hình 3.2: Kết cấu mặt đường........................................................................................72
Hình 3.3: Phần mềm SW-1 thiết kế kết cấu áo đường...................................................79
Hình 3.4: Tải trọng bánh xe của trục đơn, bánh kép......................................................80
Hình 3.5: Mô hình bài toán DAMA................................................................................81
Hình 3.6: Điều kiện nhiệt độ..........................................................................................81
Hình 3.7: Điều kiện tải trọng.........................................................................................82
Hình 3.8: Điều kiện vật liệu lớp đất nền và hệ số của phương trình tính toán...............82
Hình 3.9: Điều kiện vật liệu lớp cấp phối đá dăm loại 1 gia cố 5% xi măng....................83
Hình 3.10: Điều kiện vật liệu lớp cấp phối đá dăm loại 2...............................................83
Hình 3.11: Điều kiện vật liệu lớp bê tông nhựa 12.5......................................................84
Hình 3.12: Điều kiện vật liệu lớp bê tông nhựa 19........................................................84
Hình 3.13: Kết quả phân tích kết cấu làm mới...............................................................85
Hình 4.1: Sơ đồ về các lỗ rỗng và thành phần hỗn hợp BTN đầm chặt...........................92
Hình 4.2: Đường cong cấp phối hỗn hợp giai đoạn thiết kế hoàn chỉnh.........................97


ix
CÁC THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA
Bê tông nhựa nóng (Hot mix asphalt-HMA)

Hỗn hợp bao gồm các cốt liệu (đá dăm, cát, bột đá) được trộn đồng đều và
được bitum bọc kín. Tại trạm trộn, các cốt liệu được sấy nóng và trộn với nhau sau
đó được trộn với bitum theo 1 tỷ lệ đã thiết kế để tạo ra hỗn hợp bê tông Nhựa
nóng. Hỗn hợp này được vận chuyển ra công trường và đổ vào máy rải, được máy
rải phân bố đều trên mặt đường thành 1 lớp phẳng. Lớp hỗn hợp BTN vừa rải sẽ
được lu lèn đến khi đạt độ chặt thích hợp. Tất cả các công tác vận chuyển, rải và lu
lèn đều được tiến hành khi hỗn hợp bê tông Nhựa vẫn còn nóng.
Bê tông nhựa nóng sau đây được gọi tắt là bê tông nhựa và ký hiệu là BTN.
Bê tông nhựa cấp phối chặt (Dense-graded HMA )
Bê tông nhựa sử dụng cấp phối cốt liệu chặt (thường được gọi là Bê tông
nhựa chặt). Cấp phối cốt liệu chặt là loại cấp phối có lượng hạt thô, hạt trung gian
và hạt mịn gần tương đương nhau, tạo điều kiện để khi đầm nén các hạt cốt liệu dễ
chặt khít với nhau nhất, Bê tông nhựa cấp phối chặt có độ rỗng dư nhỏ, thường từ 35% (hoặc 3-6%).
Bê tông nhựa sử dụng cấp phối cốt liệu hở (còn được gọi là Bê tông nhựa
rỗng). Cấp phối cốt liệu hở là loại cấp phối có lượng hạt mịn chiếm một tỷ lệ nhỏ
trong hỗn hợp. Đường cong cấp phối loại này tại vùng hạt mịn có xu thế nằm ngang
và có giá trị gần bằng không (0). Cấp phối này có độ rỗng dư lớn do không đủ
lượng hạt mịn lấp đầy lỗ lỗng giữa các hạt thô. Bê tông nhựa rỗng có độ rỗng dư lớn
nhất so với Bê tông nhựa chặt và Bê tông nhựa cấp phối gián đoạn.
Loại Bê tông nhựa rỗng làm lớp móng (base course), thường không sử dụng
bột khoáng, có độ rỗng dư từ 6-12%.
Bê tông nhựa có độ nhám cao, tăng khả năng kháng trượt
Là loại Bê tông nhựa rỗng có độ rỗng dư 15-22% hoặc Bê tông nhựa cấp
phối gián đoạn có độ rỗng dư 10-15%. Loại lớp phủ này có tác dụng ngăn ngừa hiện
tượng màng nước gây ra khi xe chạy với tốc độ cao, tăng khả năng kháng trượt giữa
của mặt đường và giảm đáng kể tiếng ồn khi xe chạy. Loại Bê tông Nhựa này
thường sử dụng bitum cải thiện polymer.


x

Cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu (Maximum size of aggregate)
Cỡ sàng nhỏ nhất mà lượng lọt qua cỡ sàng đó là 100%.
Cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Nominal maximum size of
aggregate)
Cỡ sàng lớn nhất mà lượng sót riêng biệt trên cỡ sàng đó không lớn hơn 10%.
Cốt liệu thô (Coarse aggregate)
Cốt liệu hầu hết có kích cỡ nằm trên sàng 4,75 mm. Còn được gọi là đá dăm.
Cốt liệu mịn (Fine aggregate)
Cốt liệu có kích cỡ lọt qua sàng 4,75 mm và hầu hết nằm trên sàng 0,075
mm. Còn được gọi là cát. Là sản phẩm khoáng thiên nhiên (cát tự nhiên) hoặc sản
phẩm nghiền từ đá tảng (cát xay).
Bột khoáng (Mineral filler)
Sản phẩm được nghiền mịn từ đá các bô nát (đá vôi can xit, đolomit ...), từ xỉ
bazơ của lò luyện kim hoặc là xi măng, có ít nhất 70% lọt qua sàng 0,075 mm.
Hàm lượng bitum (Bitumen content)
Lượng bitum trong hỗn hợp BTN. Có hai cách biểu thị hàm lượng bitum,
hoặc tính theo phần trăm của tổng khối lượng hỗn hợp BTN (cốt liệu thô, cốt liệu
mịn, bột khoáng, bitum), hoặc tính theo phần trăm tổng khối lượng cốt liệu (cốt liệu
thô, cốt liệu mịn, bột khoáng).
Cách biểu thị hàm lượng bitum theo phần trăm của tổng hỗn hợp BTN, ký
hiệu là Pb, được áp dụng phổ biến trên thế giới và được sử dụng trong Luận văn này.
Hàm lượng bitum tối ưu (Optimum Nhựa content)
Hàm lượng bitum được xác định khi thiết kế BTN, tương ứng với một tỷ lệ
phối trộn cốt liệu đã chọn và thỏa mãn nhất tất cả các yêu cầu kỹ thuật quy định với
cốt liệu và BTN được chỉ ra tại Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu Bê tông Nhựa đó.
Hàm lượng bitum hấp phụ (Absorbed Nhựa Content)
Lượng bitum bị cốt liệu hấp phụ vào trong các lỗ rỗng ở bề mặt hạt cốt liệu,
được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm khối lượng của hỗn hợp cốt liệu; ký hiệu là Pba.
Hàm lượng bitum có hiệu (Effective Nhựa content)
Hàm lượng bitum có hiệu của hỗn hợp BTN được tính bằng lượng bitum có

trong hỗn hợp BTN trừ đi lượng bitum bị hấp phụ vào hạt cốt liệu, ký hiệu là Pbe. Hàm


xi
lượng bitum có hiệu được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm khối lượng của hỗn hợp BTN.
Lượng bitum có hiệu tạo nên lớp phủ bề ngoài các hạt cốt liệu và là lượng bitum chi
phối các đặc tính cơ lý của hỗn hợp BTN.
Độ rỗng dư (Air voids)
Tổng thể tích của tất cả các bọt khí nhỏ nằm giữa các hạt cốt liệu đã được
bọc bitum trong hỗn hợp BTN đã đầm nén. Độ rỗng dư được biểu thị bằng phần
trăm của thể tích mẫu hỗn hợp BTN đã đầm nén, ký hiệu là Va.
Độ rỗng cốt liệu (Voids in the mineral aggregate)
Thể tích của khoảng trống giữa các hạt cốt liệu của hỗn hợp BTN đã đầm
nén, thể tích này bao gồm độ rỗng dư và thể tích bitum có hiệu cộng lại. Độ rỗng
cốt liệu được biểu thị bằng phần trăm của thể tích mẫu hỗn hợp BTN đã đầm nén,
ký hiệu là VMA.
Độ rỗng lấp đầy bitum (Voids filled with nhựa)
Thể tích của khoảng trống giữa các hạt cốt liệu (VMA) bị phần bitum có hiệu
lấp đầy. Độ rỗng lấp đầy bitum được biểu thị bằng phần trăm của thể tích bitum có
hiệu chia cho độ rỗng cốt liệu (VMA), ký hiệu là VFA.
Độ ổn định nhiệt của bê tông nhựa
Là chỉ tiêu đánh giá sự thay đổi các tính chất của bê tông nhựa khi nhiệt độ
thay đổi.
Tỷ trọng lớn nhất (Maximum Specific Gravity)
Tỷ trọng của hỗn hợp BTN khi hỗn hợp đó không có độ rỗng dư (độ rỗng dư
bằng 0), được ký hiệu là Gmm.
Tỷ trọng khối (Bulk Specific Gravity)
Là tỷ lệ giữa khối lượng cân trong không khí (sau khi sấy khô) của một đơn
vị thể tích cốt liệu (bao gồm cả thể tích của các lỗ rỗng trên bề mặt hạt cốt liệu) chia
cho khối lượng cân trong không khí của một thể tích nước cất tương đương ở cùng

một nhiệt độ xác định.
Tỷ trọng khối (bão hòa-khô bề mặt)(Bulk Specific Gravity-saturated
surface-dry)
Là tỷ lệ giữa khối lượng cân trong không khí (sau khi ngâm bão hòa và làm
khô bề mặt) của một đơn vị thể tích cốt liệu (bao gồm cả thể tích của các lỗ rỗng


xii
trên bề mặt hạt cốt liệu) chia cho khối lượng cân trong không khí của một thể tích
nước cất tương đương ở cùng một nhiệt độ xác định.
Tỷ trọng biểu kiến (Apperent Specific Gravity)
Là tỷ lệ giữa khối lượng cân trong không khí (sau khi sấy khô) của một đơn
vị thể tích cốt liệu (không bao gồm thể tích của các lỗ rỗng trên bề mặt hạt cốt liệu)
chia cho khối lượng cân trong không khí của một thể tích nước cất tương đương ở
cùng một nhiệt độ xác định.
Độ hấp phụ nước (Absorption)
Là sự tăng khối lượng cốt liệu do nước thấm vào trong các lỗ rỗng trên bề
mặt hạt cốt liệu. Độ hấp phụ nước được biểu thị bằng % khối lượng cốt liệu khô.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Mặt đường nhựa ở nước ta được dùng phổ biến trên mọi loại đường, trên các
con đường quan trọng thì mặt đường nhựa là giải pháp duy nhất, độc tôn. Chất
lượng mặt đường nhựa vì vậy đóng vai trò đặc biệt quan trọng, có ý nghĩa kinh tế
kỹ thuật rất lớn đối với ngành Giao thông Vận tải và đối với đất nước. Hiện tượng
hư hỏng mặt đường nhựa hàng loạt mỗi khi có sự thay đổi đột biến về tải trọng xe,
lưu lượng xe, khí hậu, thời tiết diễn ra ở mọi quốc gia, và ở nước ta thì trầm trọng
hơn.

Do khó khăn về kinh tế và đặc biệt là trình độ phát triển thấp của nền kinh tế,
trong đó có trình độ khoa học công nghệ thấp, chúng ta chưa bao giờ, chưa có con
đường nào có chất lượng tương xứng với nhiệm vụ của nó (dù trên lý thuyết tải
trọng trục tính toán, chưa nói đến xe quá tải một, hai lần). Trong thực tế chưa có con
đường nào ở nước ta thiết kế 15-20 năm mà đưa vào khai thác 5-10 năm không phải
đại tu. Những mặt đường cấp cao sau một hai năm đưa vào khai thác phải rải thêm
một lớp để dấu đi các khuyết tật không phải là con số ít.
Chính vị vậy việc nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng xây dựng kết
cấu mặt đường là rất quan trọng và cấp thiết.
Hiện tại, trên tuyến Quốc lộ 1A đoạn qua thành phố Phủ Lý có mật độ xe
đông đúc, vào giờ cao điểm thành phố Phủ Lý bị tắc nghẽn. Mặt khác, mặt đường
cũ bị hư hỏng, xuống cấp nghiêm trọng, mặc dù công tác sửa chữa thường xuyên,
sửa chữa vừa và sửa chữa định kỳ vẫn được thực hiện.
Để đảm bảo an toàn giao thông cũng như hạn chế tình trạng xuống cấp của
mặt đường thì việc đầu tư xây dựng tuyến tránh thành phố Phủ Lý là hết sức cần
thiết. Xuất phát từ những phân tích trên luận văn “Nghiên cứu các giải pháp nâng
cao chất lượng xây dựng kết cấu mặt đường áp dụng cho Quốc lộ 1 đoạn tránh
thành phố Phủ Lý và đoạn Km215+775-Km235+885 tỉnh Hà Nam” là đề tài rất cấp
thiết, có ý nghĩa khoa học ứng dụng vào thực tiễn.
2. Đối tượng nghiên cứu
Luận văn đi sâu vào những giải pháp để nâng cao chất lượng công tác thiết
kế kết cấu mặt đường trên tuyến Quốc lộ 1 đoạn tránh thành phố Phủ Lý và đoạn


2
Km215+775-Km235+885 tỉnh Hà Nam do Công ty cổ phần tư vấn xây dựng công
trình giao thông 2 (TECCO2) thiết kế.
3. Phạm vi nghiên cứu
Công tác thiết kế kết cấu mặt đường hợp lý trên tuyến đường do Công ty cổ
phần tư vấn xây dựng công trình giao thông 2 thực hiện.

4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề ra được các giải pháp thiết kế kết cấu mặt đường hợp lý trong điều kiện thực
tế, đảm bảo mặt đường được bền vững và êm thuận, thiết kế kết cấu áo đường theo TCN
211-06 [3] và AASHTO 274-01 [1], tính tuổi thọ áo đường theo AI DAMA để đưa ra
đánh giá phân tích kết cấu áo đường hợp lý.
5. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở các nghiên cứu đánh giá các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường
trên thế giới, phương pháp thiết kế kết cấu áo đường theo 211-06 [3] và bước đầu kiến
nghị định hướng áp dụng tuyến Quốc lộ 1 đoạn tránh thành phố Phủ Lý và trên QL1 cũ.
Phân tích điều kiện từng khu vực để đưa ra những giải pháp thiết kế mặt đường
hợp lý nhất.
Đánh giá tình trạng mặt đường từ đó đưa ra những giải pháp thiết kế phù hợp.
6. Kết cấu của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn kết
cấu gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm
và thiết kế thành phần hỗn hợp BTN.
Chương 2: Phân tích nguyên nhân phá hoại kết cấu mặt đường BTN và giải
pháp khắc phục.
Chương 3: Nghiên cứu đề xuất kết cấu áo đường mềm hợp lý áp dụng cho
dự án Quốc lộ 1 đoạn tránh thành phố Phủ Lý và đoạn Km215+775-Km235+885
tỉnh Hà Nam.
Chương 4: Nghiên cứu thiết kế thành phần hỗn hợp BTN áp dụng cho dự án
Quốc lộ 1 đoạn tránh thành phố Phủ Lý và đoạn Km215+775-Km235+885 tỉnh Hà
Nam.


3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU

MẶT ĐƯỜNG MỀM VÀ THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP BTN
1.1. Khái niệm kết cấu áo đường mềm
1.1.1. Khái niệm kết cấu áo đường mềm
Kết cấu áo đường mềm được xây dựng trên nền đường bằng nhiều tầng lớp vật
liệu khác nhau, có độ cứng và cường độ lớn hơn so với đất nền đường, trực tiếp chịu tác
dụng của tải trọng xe chạy và sự phá hoại thường xuyên của các nhân tố thiên nhiên như
mưa, gió, sự thay đổi nhiệt độ,…Trong quá trình khai thác, kết cấu áo đường phải đủ bền
trong suốt thời kỳ sử dụng, phải bằng phẳng, có đủ độ nhám, chống thấm nước, chống
nứt, có khả năng chịu mài mòn tốt, không bụi và ít bong bật.
Kết cấu áo đường mềm cần phải có nhiều tầng lớp có nhiệm vụ khác nhau để
đáp ứng yêu cầu khai thác và chịu lực khác nhau phù hợp với trạng thái ứng suất
biến dạng. Khả năng chịu lực của các lớp giảm dần từ trên xuống dưới, lớp vật liệu
tốt có cường độ chịu lực cao, có khả năng chịu mài mòn tốt phải nằm bên trên, các
lớp vật liệu có cường độ chịu lực thấp được phân bố ở dưới.
1.1.2. Giới thiệu điển hình kết cấu áo đường mềm
Các kết cấu áo đường mềm cấp cao đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam
không đa dạng, chủ yếu sử dụng các loại vật liệu sau:
− Tầng mặt: Bao gồm 1-2 lớp bê tông asphalt rải nóng, có hoặc không có lớp
bê tông asphalt chức năng tạo nhám, giảm tiếng ồn và thoát nước;
− Tầng móng bao gồm lớp móng trên và lớp móng dưới:
+ Lớp móng trên: Cấp phối đá dăm loại 1 có gia cố hoặc không gia cố
ximăng; lớp ATB (Asphalt Treated Base) lớp cấp phối đá gia cố nhựa;
+ Lớp móng dưới: Cấp phối đá dăm loại 2; Cấp phối đồi; Cấp phối sỏi cuội;
Đất, cát gia cố ximăng;
− Lớp đáy áo đường thường sử dụng lớp cấp phối đồi chọn lọc có chiều dày
30-50 cm đầm chặt K≥0.98. Nếu nền đường đắp bằng cát thì lớp đáy áo đường là
bắt buộc để đảm bảo đầm chặt các lớp trên và cát không chui lên lớp móng.
Để giảm chi phí đầu tư ban đầu, với các đường đường cấp IV thậm chí cấp

4
III chỉ có một lớp bê tông nhựa dày 5- 7 cm trên các lớp móng cấp phối, qua quá
trình đưa vào khai thác thấy rằng số đường quốc lộ chỉ có một lớp mặt bê tông nhựa
hư hỏng nhiều, thậm chí vừa mới đưa vào sử dụng như QL6, QL48.
1.2. Cấu tạo kết cấu áo đường mềm
1.2.1. Sơ đồ bố trí các lớp trong kết cấu mặt đường bê tông nhựa
Kết cấu mặt đường bê tông nhựa (hay kết cấu mặt đường mềm) gồm có tầng
mặt lằm bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có trộn nhựa hay tưới nhựa
đường và tầng móng làm bằng các loại vật liệu khác nhau đặt trực tiếp trên khu vực
tác dụng của nền đường hoặc trên lớp đáy móng.
Tầng mặt áo đường mềm cấp cao có thể có nhiều lớp gồm lớp tạo nhám, tạo
phẳng hoặc lớp bảo vệ, lớp hao mòn ở trên cùng (đây là các lớp không tính vào bề
dày chịu lực của kết cấu mà là các lớp có chức năng hạn chế các tác dụng phá hoại
bề mặt và trực tiếp tạo ra chất lượng bề mặt phù hợp với yêu cầu khai thác đường)
rồi đến lớp mặt trên và lớp mặt dưới là các lớp chịu lực quan trọng tham gia vào
việc hình thành cường độ của kết cấu áo đường mềm.
Tầng móng cũng thường gồm lớp móng trên và lớp móng dưới (các lớp này

Lí p ®¸ y mãng (C apping layer)

(KÕt cÊu tæng thÓ nÒn mÆt ® êng)

Lí p mãng d í i (Sub-base)

KÕt cÊu nÒn ¸ o ® êng

Lí p mãng trª n (Base)

(Pavement structure)

Lí p mÆt (Surfac ing)

¸ o ® êng
(hay kÕt cÊu ¸ o ® êng)

Lí p t¹ o nh¸ m (nÕu cã)

(Subgrade)

Khu vùc t¸ c dông 80-100 cm

TÇng mãng TÇng mÆt

cũng có thể kiêm chức năng lớp thoát nước).

Hình 1.1: Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu mặt đường mềm
1.2.1.1 Lớp mặt
Lớp mặt chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng xe chạy (lực thẳng đứng và lực


5
nằm ngang) và tác dụng của các yếu tố thiên nhiên (mưa, gió, nhiệt độ môi trường,
…). Để chịu được các tác dụng đó, lớp mặt đòi hỏi phải được làm bằng các vật liệu
gia cố chất liên kết, có cường độ và dính bám tốt với các lớp dưới.
Lớp mặt áo đường mềm cấp cao có thể có nhiều lớp gồm: lớp tạo nhám, tạo
phẳng hoặc lớp bảo vệ, lớp hao mòn ở trên cùng rồi đến lớp mặt trên và lớp mặt
dưới là các lớp chịu lực quan trọng tham gia vào việc tạo nên cường độ của kết cấu.
1.2.1.2 Lớp móng
Chịu lực thẳng đứng là chính, nhiệm vụ là tiếp nhận tải trọng gián tiếp qua
lớp mặt, truyền và phân phối lực thẳng đứng để khi truyền xuống nền đất thì ứng

suất sẽ giảm đến một mức độ đất nền đường có thể chịu được mà không tạo nên
biến dạng thẳng đứng hoặc biến dạng trượt quá lớn.
Vật liệu lớp móng có thể dùng loại rời rạc nhưng phải đảm bảo có độ cứng
nhất định. Có thể bố trí các lớp vật liệu có cường độ giảm dần theo chiều sâu, phù
hợp với biểu đồ phân bố ứng suất do tải trọng bánh xe truyền xuống nền mặt đường.
Như vậy, có thể tận dụng được vật liệu địa phương để giảm giá thành xây dựng.
1.2.1.3 Lớp đáy áo đường
Lớp đáy áo đường có các chức năng sau: tạo được một lòng đường chịu lực
đồng nhất, sức chịu tải tốt; ngăn chặn ẩm thấm từ trên xuống nền đất và từ dưới lên
móng áo đường; tạo "hiệu ứng đe" để bảo đảm chất lượng đầm nén các lớp móng
phía trên; tạo điều kiện cho xe máy đi lại trong quá trình thi công áo đường không
gây hư hại nền đất phía dưới.
1.2.1.4 Móng nền đất
Móng nền đất cũng là một bộ phận của kết cấu áo đường, gọi là kết cấu tổng
thể nền mặt đường. Kết cấu tổng thể nền mặt đường gồm kết cấu mặt đường ở trên
và phần khu vực tác dụng của nền đường ở dưới. Thiết kế tổng thể nền mặt đường
có nghĩa là ngoài việc chú trọng các giải pháp thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường còn
phải chú trọng đến các giải pháp nhằm tăng cường độ và độ ổn định cường độ đối
với khu vực tác dụng của nền đường.
1.2.2. Yêu cầu đối với kết cấu mặt đường bê tông nhựa
Trong suốt thời hạn thiết kế quy định, mặt đường mềm phải có đủ cường độ
và duy trì được cường độ để hạn chế được tối đa các trường hợp phá hoại của xe cộ


6
và các yếu tố môi trường tự nhiên. Cụ thể là hạn chế được các hiện tượng tích lũy
biến dạng dẫn đến tạo vệt bánh xe trên mặt đường, hạn chế phát sinh hiện tương nứt
nẻ hạn chế bào mòn và bong tróc bề mặt, hạn chế được các nguồn ẩm xâm nhập vào
các lớp kết cấu và phần trên của nền đường trong phạm vi khu vực tác dụng, hoặc
phải đảm bảo lượng nước xâm nhập vào được thoát ra một cách nhanh nhất.

1.3. Phân tích các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm
1.3.1. Phương pháp thiết kế theo 22TCN211-06
Phương pháp thiết kế mặt đường mềm theo tiêu chuẩn 22TCN-211-06 [3]
hiện hành ở Việt Nam là phương pháp lý thuyết-thực nghiệm dựa trên kết quả bài
toán với mô hình bán không gian vô hạn đàn hồi nhiều lớp theo mô hình Burmister.
- Một số hiện tượng hư hỏng kết cấu khá phổ biến trong thực tế chưa được
bao gồm trong các trạng thái giới hạn kiểm toán kết cấu mặt đường, như là:
+ Hư hỏng dạng nứt parabol hoặc hiện tượng trượt trồi do ứng suất cắt
trượt trong lớp bê tông nhựa mặt đường và của vật liệu móng rời rạc, kém kính
khi xét đến thành phần lực ngang của tải trọng bánh xe;
+ Hư hỏng do biến dạng không hồi phục của mặt đường không được xét
đến do giả thiết tính toán của hệ đàn hồi nhiều lớp;
- Vấn đề về độ tin cậy trong thiết kế gây ra những thắc mắc với các kỹ sư
đã thực hiện thiết kế kết cấu áo đường trong nhiều năm:
+ Việc nhân hệ số độ tin cậy mà không có điều chỉnh hoặc điều chỉnh ít
về thông số đầu vào cho kết quả kết cấu mặt đường lớn hơn so với tiêu chuẩn
thiết kế trước đây (22TCN – 211 – 93) gây thắc mắc đối với các kỹ sư đã từng
sử dụng tiêu chuẩn trước đây để tính toán kết cấu mặt đường;
1.3.2. Phương pháp thiết kế theo 22TCN274-01
- Khó khăn:
+ Trạng thái giới hạn là mức độ phục vụ của mặt đường là một khái niệm còn khá
“mơ hồ” đối với các kỹ sư đường bộ của Việt Nam. Đó không phải là thông số để
người ta có thể đo đếm được một cách dễ dàng và gây khó khăn đối với kỹ sư Việt
Nam về việc kiểm tra nghiệm thu chất lượng mặt đường hoàn thành.
+ Hệ số tải trọng trục tương đương khuyến cáo trong tiêu chuẩn không xét đến
xe quá tải, là hiện tượng phổ biến trong thực tế dòng giao thông trên quốc lộ


7
cũng như các đường khác nhau ở Việt Nam (xem bảng dưới đây) [1].

Bảng 1.1: Hệ số tải trọng tương đương khuyến cáo
Loại xe
Xe con
Ô tô buýt
Xe tải đơn
- Xe hai trục, 4 bánh
- Xe hai trục, 6 bánh
- Xe ba trục và lớn
hơn
Tổng
cho xe đơn
Sơ mi mooc kéo
theo
< 4 trục
= 5 trục
≥ 6 trục
Chung cho các xe có
mooc
Chung cho các xe
tải

Hệ số tải trọng tương

Hệ số tải trọng tương đương

đương (đường quốc lộ)
0.001
0.56

(các đường chính khác)

0.001
0.98

0.002
0.21

0.002
0.26

0.71

1.05

0.06

0.08

0.72
1.8
1.58

1.14
1.8
2.03

1.3

1.8

0.70

0.42

1.3.3. Phương pháp thiết kế theo AI (Asphalt Institute)
Trình tự các bước thiết kế theo AI như Hình 1.2


8

Hình 1.2: Trình tự thiết kế mặt đường mềm theo AI
1. Phương pháp AI dựa trên lời giải của bài toán bán không gian vô hạn đàn
hồi nhiều lớp với 2 trạng thái giới hạn là lún vệt bánh của toàn kết cấu và điều kiện
mỏi trong các lớp bê tông nhựa. Phương pháp đủ đơn giản, rõ ràng và dễ áp dụng ở
Việt Nam. Mô hình bài toán cũng được sử dụng trong tiêu chuẩn 22TCN211-06 [3];
2. Phương pháp AI dựa trên hệ thống thí nghiệm hiện đại của ASTM và
AASHTO phù hợp với xu hướng phát triển chung của ngành GTVT Việt Nam;
3. Phương pháp cũng chưa tính được biến dạng không hồi phục của các lớp
bê tông nhựa mà chỉ chọn loại nhựa theo cấu tạo phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ
không khí, nhiệt độ mặt đường khu vực xây dựng;
4. Để áp dụng được phương pháp AI ở Việt Nam cần nhiều thời gian và kinh
phí, để sử dụng được cần có những nghiên cứu nhằm “địa phương hóa các thông số
đầu vào” và hiệu chỉnh các hệ số với điều kiện Việt Nam.
1.3.4. Phương pháp thiết kế theo cơ học thực nghiệm MEPDG
1. Thiết kế cấu tạo một kết cấu ban đầu bao gồm: số lớp vật liệu, loại và


9
chiều dày mỗi lớp, phù hợp với những điều kiện cụ thể như: Đất nền, đặc trưng
vật liệu, tải trọng, khí hậu, điều kiện thi công, …
2. Đưa ra các thông số trạng thái giới hạn (các đặc trưng hư hỏng), đặc

trưng cho tình trạng mặt đường ở cuối thời kỳ khai thác. (ví dụ: Mức độ biến
dạng không hồi phục, nứt do mỏi, nứt do nhiệt, độ gồ ghề).
3. Chọn mức độ tin cậy cho các đặc trưng trên. Do sự sai khác của vật
liệu, sự thay đổi của điều kiện khí hậu, điều kiện giao thông và công nghệ xây
dựng, cần phải xét đến độ tin cậy trong thiết kế kết cấu mặt đường. Để xác định
độ tin cậy trong thiết kế, các sai số hoặc hệ số sai số của các thông số đầu vào
như vật liệu, khí hậu, điều kiện giao thông và kể cả chiều dày lớp được xem xét
đến ngay từ các bước xác định thông số đầu vào từ bước (1) đến bước (4). Các
ứng suất, biến dạng xác định được theo các mô hình tính toán vì thế đã bao
gồm độ tin cậy.
4. Đưa các thông số khí hậu tại khu vực thiết kế, xây dựng. Thông thường
MEPDG đã có các số liệu trên toàn bộ lãnh thổ Mỹ và Canada, cần có những
nghiên cứu mô hình khí hậu để đưa các thông số của Việt Nam vào.
5. Xử lý các thông số đầu vào để xác định: lưu lượng giao thông trung bình
tháng, các đặc trưng vật liệu theo từng thời kỳ khí hậu trong năm, các đặc trưng khí
hậu trong suốt thời kỳ thiết kế
6. Tính toán ứng suất & biến dạng của mặt đường khi làm việc sử dụng mô
hình hệ nhiều lớp hoặc mô hình phần tử hữu hạn, biến dạng không hồi phục sử dụng
lý thuyết dẻo, ứng suất nhiệt sử dụng các phương trình nhiệt ứng với mỗi loại tải
trọng, mỗi cấp tải trọng và mỗi loại hình hư hỏng trong suốt thời kỳ thiết kế
7. Dự đoán các hư hỏng (lún, nứt từ dưới lên, nứt từ trên xuống, nứt do nhiệt)
tại cuối mỗi thời kỳ tính toán, trong suốt thời kỳ thiết kế, sử dụng mô hình cơ học –
thực nghiệm đã được hiệu chỉnh. Dự đoán phát triển độ gồ ghề với độ gồ ghề ban
đầu, sự phát triển các hư hỏng và điều kiện khai thác.
8. Ước lượng các thông số đặc trưng cho tình trạng mặt đường ở cuối thời kỳ
tính toán, ứng với độ tin cậy đã chọn.
9. Nếu các thông số đặc trưng cho tình trạng mặt đường ở cuối thời kỳ tính
toán không đạt yêu cầu, điều chỉnh thiết kế ở bước 1 và lặp lại các bước từ 5 đến 8,