Nghiên cứu mô phỏng sự phát triển vết nứt trong bê tông nhựa có xét đến tính dính kết

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

NGUYỄN HỮU QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT
TRONG BÊ TƠNG NHỰA CĨ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT

Chun ngành: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ
Mã số

: 60.58.30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ANH THẮNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. NGUYỄN MẠNH TUẤN

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. TRẦN VĂN MIỀN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 24 tháng 08 năm 2013
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1 TS. Vũ Xuân Hòa
2 TS. Trần Văn Miền
3 TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
4 TS. Lê Anh Thắng
5 TS. Văn Hồng Tấn


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HỮU QUỐC HÙNG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20-12-1987

Nơi sinh: Đà Nẵng

Chuyên ngành: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG TP

Mã ngành: 60.58.30

MSHV: 11014245
1. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ PHÁT TRIỂN VẾT NỨT TRONG
BÊ TƠNG NHỰA CĨ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT.
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Luận văn bao gồm các nội dung sau:
 Nghiên cứu về mô hình phá hủy vật liệu có xét đến tính dính kết và ứng dụng vào vật
liệu bê tông nhựa.
 Nghiên cứu các kết quả thí nghiệm DC(T) được tiến hành tại đại học Illinois.
 Ứng dụng các kết quả thí nghiệm, tiến hành mơ phỏng thí nghiệm bằng phần mềm
Abaqus v6.11, kiểm chứng và so sánh kết quả.
 Kết luận, kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo cho đề tài.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21-01-2013
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21-06-2013
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ ANH THẮNG
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)

TS. LÊ ANH THẮNG

TS. LÊ BÁ KHÁNH


LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Nghiên cứu mô phỏng sự phát triển vết
nứt trong bê tơng nhựa có xét tính dính kết” được thực hiện với kiến thức tác giả
thu thập trong suốt quá trình học tập tại trường. Cùng với sự cố gắng của bản thân là
sự giúp đỡ, động viên của các thầy cơ, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình trong suốt
q trình học tập và thực hiện luận văn.
Tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Lê Anh Thắng, người thầy đã
nhiệt tình hướng dẫn, động viên tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Cầu đường, những người đã cho tôi
những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn đến các học viên chuyên ngành Xây dựng dựng đường ô tô
và đường thành phố khóa 2011, những người bạn đã đồng hành và giúp đỡ tơi trong
suốt q trình học.
Xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp ở Trường Đại học giao thông vận tải cơ
sở 2, những người đã tạo điều kiện và giúp đỡ rất nhiều trong suốt quá trình học tập
và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã động viên và tạo điều kiện tốt
nhất cho tôi về vật chất và tinh thần trong những năm tháng học tập tại trường.
Luận văn được hồn thành nhưng khơng thể tránh được những thiếu xót và hạn
chế. Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để
luận văn được hồn thiện và có ý nghĩa thực tiễn.
Xin trân trọng cám ơn.
Học viên

Nguyễn Hữu Quốc Hùng


TĨM TẮT
Mơ hình nghiên cứu mơ phỏng sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính kết đã và
đang ngày càng được nghiên cứu phổ biến trên thế giới hiện nay. Tuy nhiên, với vật
liệu là bê tông nhựa trong ngành đường thì mơ hình nghiên cứu này vẫn chưa được

nghiên cứu rộng rãi. Do đó, luận văn đã mạnh dạn tìm hiểu nghiên cứu mơ hình,
trên cơ sở đó tiến hành mơ phỏng cho trường hợp mặt đường bê tông nhựa chưa
xuất hiện vết nứt và mặt đường bê tơng nhựa đã có vết nứt. Luận văn trình bày chi
tiết từ nghiên cứu mơ hình vùng dính kết đến các tham số mơ hình và cách thiết lập
cũng như khai báo trong phần mềm Abaqus v6.11. Từ đó tác giả tiến hành nhận xét
các kết quả mô phỏng được. Đây là hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam hứa hẹn sẽ
có nhiều nghiên cứu tiếp theo để bổ sung hồn chỉnh cho mơ hình phá hủy của bê
tơng nhựa có xét đến tính dính.

ABTRACT
The model that researches the simulation of the crack growth which is considered
the cohesion is popularly researched all over the world today. However, the material
is asphalt concrete in the road field, this research model is not widely studied.
Therefore, the thesis boldly researches the cohesive zone model, based on these
fundamentals to conduct the simulation for two cases of asphalt concrete’s road
surface that having and without having the cracking . Thesis presented the details of
the cohesive zone model to the parameters’s model and how to set up and assign in
Abaqus v6.11 software. And then the author brings out the conclusions of
simulation model. This is a new research in Vietnam and will be more promising
for further research to supplement the model to understand cohesive zone model in
asphalt concrete clearly.


LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Nguyễn Hữu Quốc Hùng xin cam đoan rằng Luận văn thạc sĩ với đề tài
“Nghiên cứu mô phỏng sự phát triển vết nứt trong bê tông nhựa có xét đến tính
dính kết” là do tơi tự tiến hành thực hiện và không sao chép của các luận văn đi
trước. Mọi trích dẫn trong luận văn đều được tơi ghi chi tiết nguồn trích dẫn và tên
tác giả. Nếu nhà trường phát hiện có điều gì gian dối, tơi xin hồn tồn chịu trách

nhiệm.

Học viên

Nguyễn Hữu Quốc Hùng


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................... 1
1.1 Giới thiệu chung ..............................................................................................2
1.2 Xác định vấn đề nghiên cứu .............................................................................2
1.3 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................3
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................4
1.5 Bố cục của luận văn .........................................................................................4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH PHÁ HỦY VẬT LIỆU
CĨ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT ........................................ 6
2.1 Giới thiệu chung ..............................................................................................7
2.2 Lược sử phát triển mơ hình dính kết trên thế giới .............................................8
2.2.1

Mơ hình của Barenblatt (1959, 1962) .....................................................8

2.2.2

Mơ hình của Needleman (1987) .............................................................9

2.2.3

Mơ hình của Rice và Wang (1989) ....................................................... 10

2.2.4

Mơ hình của Needleman (1990) ........................................................... 10

2.2.5

Mơ hình của Tvergaard (1990) ............................................................. 11

2.2.6

Mơ hình của Tvergaard và Hutchinson (1992) ..................................... 11

2.2.7

Mơ hình của Xu và Needleman (1993) ................................................. 12

2.2.8

Mơ hình Camacho và Ortiz (1996) ....................................................... 13

2.2.9

Mơ hình Geubelle và Bayler (1997) ..................................................... 13

2.3 Nhận xét về các mơ hình ................................................................................ 14

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU ................................. 16
3.1 Giới thiệu chung về cơ sở lý thuyết nghiên cứu ............................................. 17
3.2 Cơ học phá hủy .............................................................................................. 17

3.2.1

Đàn hồi tuyến tính và cơ học phá hủy dẻo đàn hồi ............................... 17

3.2.2

Các mode tải trọng ............................................................................... 18

3.2.3

Vùng phá hủy vật liệu .......................................................................... 19

3.2.4

Tỉ lệ tiêu tán năng lượng ...................................................................... 19


3.2.5

Hệ số cường độ ứng suất ...................................................................... 20

3.2.6

Tích phân J .......................................................................................... 21

3.2.7

Ảnh hưởng của kích thước ................................................................... 22

3.3 Mơ hình vùng dính kết ................................................................................... 26

3.3.1

Các khái niệm cơ bản về mơ hình phát triển vết nứt có xét đến tính
dính kết ................................................................................................ 26

3.3.2

Mơ hình tổng qt phá hủy vật liệu có xét đến tính dính kết ................. 28

3.3.3

Mơ hình phá hủy có xét đến tính dính kết dựa trên mơ hình hàm số
mũ ........................................................................................................ 30

3.3.4

Mơ hình vùng dính kết song tuyến tính ................................................ 33

3.4 Kết luận ......................................................................................................... 37

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM BÊ TƠNG
NHỰA CĨ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH ................................... 38
4.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ 39
4.2 Nghiên cứu mơ hình DC(T) ........................................................................... 39
4.2.1

Mơ hình DC(T) .................................................................................... 39

4.2.2

Các tham số quan trọng cho mơ hình vùng dính kết ............................. 41

4.2.2.1 Module động .................................................................................. 41
4.2.2.2 Relaxation modulus ........................................................................ 42
4.2.2.3 Các tham số dính kết ...................................................................... 42
4.2.2.4 Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo của mơ hình .......................... 43
4.2.2.5 Mối quan hệ giữa relaxation modulus và thời gian ......................... 44
4.2.2.6 Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ ............................................................... 44
4.2.2.7 Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo cho hai mặt của vùng
phát triển vết nứt có xét đến tính dính kết ............................................. 44
4.3 Kết quả thí nghiệm của mơ hình DC(T) ......................................................... 45
4.4 Kết luận ......................................................................................................... 47

CHƯƠNG 5 PHƯƠNG PHÁP TẠO LƯỚI CHO MƠ HÌNH ................. 48
5.1 Giới thiệu chung về phương pháp tạo lưới cho mơ hình ................................. 49
5.2 Phương pháp tạo lưới cho mơ hình ................................................................ 49


5.2.1

Tạo partition cho mơ hình .................................................................... 49

5.2.2

Q trình làm mịn lưới ......................................................................... 51

5.2.3

Mật độ lưới và cách tạo thành lưới ....................................................... 52

5.2.4

Phân loại các phương pháp tạo lưới...................................................... 54

5.2.5

Phương pháp tạo lưới 2D ..................................................................... 58

5.2.6

Phương pháp tạo lưới 3D ..................................................................... 61

5.2.7

Ứng dụng thực tiễn để tạo lưới cho mơ hình mô phỏng ........................ 63

5.3 Kết luận ......................................................................................................... 66

CHƯƠNG 6 THIẾT LẬP MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ................................ 67
6.1 Giới thiệu chung về cơng tác mơ phỏng ......................................................... 68
6.2 Tạo mơ hình .................................................................................................. 68
6.2.1

Kích thước của mơ hình ....................................................................... 68

6.2.2

Mesh lưới cho mơ hình ........................................................................ 70

6.3 Bảng tổng hợp các thơng số của mơ hình ....................................................... 70

6.4 Mơ phỏng mơ hình bằng Abaqus v6.11.......................................................... 71
6.4.1

Các loại phần tử ................................................................................... 71

6.4.2

Tạo mơ hình ......................................................................................... 72

6.4.3

Chia nút cho mơ hình ........................................................................... 73

6.4.4

Khai báo các thơng số cho mơ hình ...................................................... 74

6.4.4.1 Khai báo module đàn hồi cho vật liệu ............................................. 74
6.4.4.2 Khai báo tiêu chuẩn phá hủy cho mơ hình ...................................... 76
6.4.4.3 Khai báo ứng xử phát triển vết nứt ................................................. 78
6.4.4.4 Khai báo năng lượng phá hủy cho mơ hình mơ phỏng .................... 78
6.4.4.5 Điều kiện biên và gán CMOD cho mơ hình .................................... 80
6.4.4.6 Gán thuộc tính cho vùng dính kết ................................................... 81
6.5 Kết quả mơ phỏng từ mơ hình khi chưa xuất hiện vết nứt .............................. 82
6.5.1

Kết quả mô phỏng từ mơ hình ở nhiệt độ -100C ................................... 82

6.5.2

Kết quả mơ phỏng từ mơ hình ở nhiệt độ -200C ................................... 83

6.5.3

Kết quả mơ phỏng từ mơ hình ở nhiệt độ -300C ................................... 84


6.5.4

So sánh kết quả của mơ hình chưa có vết nứt ở các nhiệt độ khác
nhau ..................................................................................................... 85

6.6. Kết quả mơ phỏng từ mơ hình đã xuất hiện vết nứt ........................................ 88
6.6.1

Kết quả mơ phỏng từ mơ hình ở nhiệt độ -100C ................................... 88

6.6.2

Kết quả mơ phỏng từ mơ hình ở nhiệt độ -200C ................................... 90

6.6.3

Kết quả mô phỏng từ mơ hình ở nhiệt độ -300C ................................... 92

6.6.4

So sánh kết quả của mơ hình có vết nứt ở các nhiệt độ khác nhau ........ 93

6.7 Kết luận ........................................................................................................ 94

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU .................................................................... 95
7.1 Kết luận về đề tài nghiên cứu ......................................................................... 96
7.2 Những hạn chế của luận văn .......................................................................... 97
7.3 Hướng phát triển của đề tài nghiên cứu .......................................................... 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 98
PHỤ LỤC MƠ PHỎNG MƠ HÌNH........................................................ 102
Phụ lục A: Mơ hình chưa xuất hiện vết nứt (Mơ hình 1) ...................................... 103
Phụ lục B: Mơ hình đã xuất hiện vết nứt (Mơ hình 2) .......................................... 108

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................... 115


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Barenblatt ..........................................9
Hình 2.2 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Needleman .........................................9
Hình 2.3 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Rice và Wang................................... 10
Hình 2.4 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Needleman (1990). ........................... 10
Hình 2.5 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Tvergaard ......................................... 11
Hình 2.6 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Tvergaard và Hutchinson ................. 12
Hình 2.7 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Xu và Needleman............................. 12
Hình 2.8 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Camacho và Ortiz ............................ 13
Hình 2.9 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Geubelle và Bayler ........................... 14
Hình 3.1 Mơ hình biểu diễn các mode tải trọng khác nhau..................................... 18
Hình 3.2 Phép biểu diễn tích phân J ....................................................................... 22
Hình 3.3 Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của kích thước theo Bazant .......................... 25
Hình 3.4 Mơ hình vùng phát triển vết nứt trong mơ hình vùng dính kết. ................ 27
Hình 3.5 Mơ hình tổng qt phá hủy vật liệu có xét đến tính dính kết.................... 29

Hình 3.6 Mơ hình vùng phát triển vết nứt có xét đến tính dính kết ......................... 30
Hình 3.7 Định luật dính kết hàm số mũ theo (a) chuyển vị có hiệu theo
phương pháp tuyến (  e /  cc ) và lực kéo theo phương pháp tuyến ( te /  c )
và (b) chuyển vị mở rộng vết nứt theo phương pháp tuyến không thứ
nguyên (  n /  cc ) và lực kéo theo phương pháp tuyến không thứ nguyên
( tn /  c ). ......................................................................................................... 32
Hình 3.8 Mơ hình vùng dính kết song tuyến tính theo quan điểm (a) chuyển
vị có hiệu khơng thứ ngun và lực kéo có hiệu không thứ nguyên và
(b) chuyển vị mở rông vết nứt theo phương pháp tuyến không thứ
nguyên và lực kéo theo phương pháp tuyến khơng thứ ngun ...................... 35
Hình 4.1 Mơ phỏng thí nghiệm DC(T) (a) kích thước hình học mẫu thí
nghiệm mơ phỏng (b) mesh lưới cho tồn bộ mơ hình ................................... 40
Hình 4.2 Mơ hình thí nghiệm DC(T). .................................................................... 41


Hình 4.3 Mơ hình phá hủy thực của mẫu bê tơng nhựa (mơ hình thí nghiệm
DC(T) của đại học Illinois). ........................................................................... 41
Hình 4.4 (a) thí nghiệm DC(T) và (b) thí nghiệm SE(B).. ...................................... 43
Hình 4.5 Kết quả thí nghiệm độ mở rộng miệng vết nứt tại (a) ở nhiệt độ 100C, (b) ở nhiệt độ -200C và (c) ở nhiệt độ -300C ......................................... 46
Hình 5.1 Mơ hình được chia thành 100 phần nhỏ .................................................. 50
Hình 5.2 Các mơ hình mesh lưới (a) khi chưa chia thành nhiều phần (b) chia
thành nhiều phần để mesh lưới mà tác giả tạo được (c) mơ hình mesh
lưới từ đại học Illinois .................................................................................... 50
Hình 5.3 (a) phương pháp làm mịn lưới theo Lapacian và (b) phương pháp
đẳng tham số (theo Herrmann). ...................................................................... 52
Hình 5.4 Miền lân cận của nút i (theo Herrmann).. ................................................ 52
Hình 5.5 (a) mơ hình lưới thành cơng và (b) mơ hình mesh lưới khơng thành
cơng, có một số cần phần tử nhỏ bị chặn bởi các phần tử lớn hơn .................. 53
Hình 5.6 Mơ hình minh họa chuyển từ lưới hình tứ giác lớn sang lưới hình tứ
giác nhỏ hơn với (a) với các lưới hình tam giác và (b) chỉ với lưới hình

tứ giác ............................................................................................................ 53
Hình 5.7 mơ hình chuyển đổi đường để làm lớn nhất góc nhỏ nhất trong các
lưới hình tam giác .......................................................................................... 54
Hình 5.8 Hướng tiếp cận phân tich cấu trúc: (a) đỉnh của tam giác được liên
kết tạo thành các phần tử lớn và (b) lưới tam giác đã được làm mịn ............... 55
Hình 5.9 Hướng tiếp cận liên kết các nút: (a) tất cả các nút được tạo thành và
sau đó (b) được kết nối tạo hình cho các phần tử............................................ 55
Hình 5.10 Phương pháp tiếp cận dựa trên lưới: các ô lưới bên trong đưa ra
phần tử chính xác, các ơ lưới ở biên cần điều chỉnh hoặc cắt gọt .................... 56
Hình 5.11 Hướng tiếp cận phần tử ánh xạ: (a) mơ hình được chia thành các
phần tử macro, (b) mẫu lưới ứng với các đơn vị vuông được ứng xạ
trong mỗi phần tử và (c) mẫu lưới hoàn chỉnh được tạo thành........................ 57
Hình 5.12 Hướng tiếp cận phân tích các yếu tố hình học: một phần tử mới
được thiết lập sau khi bỏ bớt yếu tố hình học của mơ hình ............................. 57


Hình 5.13 Thuật tốn Tracy: góc nhỏ hơn 900 được loại bỏ để tạo thành một
tam giác và các góc khác giữa 900 và 1800 được loại bỏ để tạo thành hai
tam giác ......................................................................................................... 60
Hình 5.14 Thuật tốn Linholm: các lớp ở biên bị loại bỏ và tạo lập các lưới
tam giác cho mơ hình ..................................................................................... 61
Hình 5.15 Phương pháp Woo và Thomasma: (a) mơ hình T1 cắt bỏ các góc
lồi, (b) mơ hình T2: tạo một tứ diện và (c) mơ hình T3: cắt tạo một
khoảng trắng .................................................................................................. 62
Hình 5.16 Hộp hội thoại để lựa chọn tạo lưới cho mơ hình .................................... 66
Hình 6.1 Hình minh họa cho phát triển vết nứt ...................................................... 68
Hình 6.2 Mơ hình mơ phỏng dự phát hủy bê tơng nhựa có xét đến tính dính
kết.................................................................................................................. 69
Hình 6.3 (a) Biên vùng dính được xác định trên cơ sở lý thuyết và (b) biên
vùng dính được mơ phỏng bằng phần mềm Abaqus cho mơ hình 2. ............... 70

Hình 6.4 Mơ hình tạo lưới hồn chỉnh. .................................................................. 70
Hình 6.5 Thiết lập phần tử dính kết trong Abaqus v6.11 ........................................ 72
Hình 6.6 Thiết lập mơ hình mơ phỏng trong Abaqus v6.11 .................................... 72
Hình 6.7 Mơ hình mơ phỏng bằng Abaqus v6.11 ................................................... 73
Hình 6.8 Khai báo hai mặt dính kết cho mơ hình ................................................... 73
Hình 6.9 Khai báo các điều kiện ràng buộc cho hai mặt dính ................................. 73
Hình 6.10 Mơ hình xác định giá trị Kn ................................................................... 74
Hình 6.11 Khai báo module đàn hồi cho mơ hình .................................................. 75
Hình 6.12 Khai báo năng lượng phá hủy cho mơ hình ........................................... 76
Hình 6.13 Khai báo ứng xứ của mơ hình trong abaqus v6.11 ................................. 78
Hình 6.14 Mơ hình minh họa năng lượng phá hủy trong bê tông nhựa có xét
đến tính dính kết ............................................................................................ 79
Hình 6.15 Khai báo năng lượng phá hủy cho mơ hình ........................................... 80
Hình 6.16 Mơ hình sau khi được khai báo điều kiện biên và CMOD ..................... 81
Hình 6.17 Mơ hình định nghĩa bề mặt cho mẫu mơ hình mơ phỏng. ...................... 82
Hình 6.18 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -100C.............. 82


Hình 6.19 Mơ hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong
bê tơng nhựa ở nhiệt độ -100C ứng với CMOD = 1.0mm ............................... 83
Hình 6.20 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -200C.............. 83
Hình 6.21 Mơ hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong
bê tơng nhựa ở nhiệt độ -200C........................................................................ 84
Hình 6.22 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -300C.............. 84
Hình 6.23 Mơ hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong
bê tơng nhựa ở nhiệt độ -300C........................................................................ 85
Hình 6.24 Mơ hình tổng hợp kết quả mối quan hệ giữa P và CMOD ở ba
nhiệt độ -100C, -200C và -300C .................................................................... 85
Hình 6.25 So sánh kết quả mơ phỏng và kết quả thực nghiệm DC(t) của đại
học Illinois ..................................................................................................... 86

Hình 6.26 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Pmax và nhiệt độ ............................... 88
Hình 6.27 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -100C.............. 88
Hình 6.28 Mơ hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong
bê tơng nhựa ở nhiệt độ -100C........................................................................ 90
Hình 6.29 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -200C.............. 90
Hình 6.30 Mơ hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong
bê tơng nhựa ở nhiệt độ -200C........................................................................ 91
Hình 6.31 Mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt ở -200C.............. 92
Hình 6.32 Mơ hình biểu diễn sự phát triển vết nứt có xét đến tính dính trong
bê tơng nhựa ở nhiệt độ -300C........................................................................ 93
Hình 6.33 Mơ hình tổng hợp kết quả mối quan hệ giữa P và CMOD ở ba
nhiệt độ -100C, -200C và -300C .................................................................... 93
Hình 6.34 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa Pmax và nhiệt độ ............................... 94


DANH MỤC BẢNG BIỂU
4.1 Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo của vật liệu .......................................... 43
4.2 Tham số relaxtion modulus trong mối quan hệ thời gian ................................ 44
4.3 Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ .............................................................................. 44
4.4 Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo vùng dính của vật liệu .......................... 44
6.1 Bảng tổng hợp các thông số cho mô hình mơ phỏng ...................................... 71


Trang 1

CHƯƠNG I

ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Trang 2
1.1 Giới thiệu chung:
Cơ học phá hủy là một nghiên cứu có tính chất hệ thống về các q trình phát triển
vết nứt của vật liệu rắn. Cơng tác nghiên cứu về cơ học phá hủy có mối liên hệ mật
thiết với những thảm họa to lớn đã xảy ra trong lịch sử gần đây của nhân loại. Sự
tồn tại và phát triển của vết nứt trong các loại vật liệu phục vụ cho ngành xây dựng
như vật liệu thép, bê tông, bê tông nhựa đã và đang ngày càng được chú ý trong
công tác thiết kế và thi cơng. Trong đó, bê tơng nhựa có những đặc tính khá đa
dạng so với các vật liệu còn lại trong thiết kế và thi công đường. Trạng thái rời rạc
của vật liệu bê tông nhựa chỉ ra những ảnh hưởng của tính dính kết trong q trình
phá hủy của bê tông nhựa. Bê tông nhựa cũng chỉ ra ứng xử của vết nứt, sự phụ
thuộc của thời gian và nhiệt độ có liên quan đến ứng xử của vết nứt. Trong giai
đoạn nghiên cứu hiện nay, các khía cạnh này ít nhiều cịn gây khó khăn cho các
nhà nghiên cứu và các kỹ sư để tìm hiểu và phân loại các mode phá hủy của bê
tông nhựa. Với bài luận văn này sẽ giúp đưa ra một sự lý giải hợp lý để gia tăng sự
hiểu biết về các ứng xử vết nứt của bê tơng nhựa có xét đến tính dính kết và dự
đốn chính xác các câu trả lời được rút ra từ thí nghiệm.
1.2 Xác định vấn đề nghiên cứu:
Vết nứt xảy ra gần như với tất cả các kiểu lớp phủ của nhựa đường tại các vị trí có
sự thay thế các lớp nhựa hiện hữu hay mặt đường bê tơng [13], [14]. Bởi vì các đặc
tính của tải trọng cơ học và nhiệt độ, sự di chuyển xảy ra tại các vị trí của các khe
nứt hoặc các vết nứt đã tồn tại trước đó, kết quả của điều đó là các vết nứt bắt đầu
di chuyển từ các khe nứt và các vết nứt lớn hơn đã xuất hiện. Các vết nứt trên các
lớp phủ được gây ra bởi sự xâm nhập của nước và vì thế làm suy giảm đi khả năng
chịu lực của kết cấu mặt đường và góp phần quan trọng làm hư hỏng mặt đường và
phá hủy các liên kết giữa các lớp vật liệu mặt đường. Có rất nhiều nghiên cứu hiện
nay đang được tiến hành để nổ lực tìm kiếm nhằm hạn chế tối đa các vết nứt xuất
hiện tại các lớp phủ bê tông nhựa. Ngày nay có rất nhiều vật liệu được phát triển
tạo ra một sự hứa hẹn mới cho việc kiểm soát hiện tượng xuất hiện vết nứt. Các
loại vật liệu rắn đều có các mode phá hủy như nhau, tuy nhiên tính ứng dụng riêng

Trang 3
biệt có sự khác nhau. Vấn đề nghiên cứu của luận văn chính là tìm hiểu mơ hình
phá hủy của bê tông nhựa, mô phỏng bằng phần mềm Abaqus v6.11 từ đó rút ra kết
luận chung cho mơ hình cần tìm hiểu. Như vậy, chúng ta cần thiết phải tìm hiểu
một mơ hình chính xác và mang tính thiết thực cao, được ứng dụng nhiều trên thế
giới hiện nay, ở đây, tác giả đã lựa chọn mơ hình phá hủy của bê tơng nhựa có xét
đến tính dính kết là vấn đề chính cho nghiên cứu.
1.3 Mục tiêu của nghiên cứu:
Nội dung nghiên cứu trong luận văn tập trung vào mơ phỏng sự phá hủy bê tơng
nhựa có xét đến tính dính kết để tìm hiểu các đặc điểm của quá trình phát triển vết
nứt. Quy trình thực hiện được tiến hành trong luận văn này là sự ứng dụng các
phần tử có tính dính kết cho mặt đường, xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ và tải
trọng trong mô phỏng sự phát triển vết nứt theo không gian hai chiều (mơ hình
2D). Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn có thể xem xét các vấn đề như sau:
Thực hiện mơ phỏng phần tử dính kết bằng cách sử dụng chương trình mơ phỏng
vết nứt của vật liệu Abaqus, trong đó tác giả định nghĩa vật liệu là bê tơng nhựa
theo mơ hình thí nghiệm của trường đại học Illinois.
Tác giả tiến hành mơ phỏng hai mơ hình phá hủy bê tơng nhựa có xét đến tính dính
kết trên cơ sở vẫn khai báo các thông số đầu vào như mơ hình thí nghiệm bê tơng
nhựa với mẫu hình trịn của trường đại học Illinois.
Xác định các thơng số cần thiết cho q trình mơ phỏng từ bước lập mơ hình, gán
vật liệu, gán độ mở rộng miệng vết nứt (CMOD) và các thông số quan trọng khác
cho mơ hình.
Đề xuất một mơ hình dính kết hợp lý cho mơ hình phá hủy bê tơng nhựa trên cơ sở
mơ hình mơ phỏng q trình phá hủy của bê tơng nhựa có xét đến tính dính kết
(phân tích các quá trình phát triển vết nứt của vật liệu rắn rồi ứng dụng trong thí
nghiệm phân tích phát triển vết nứt của bê tông nhựa).

Trang 4
Luận văn cịn minh họa tính cần thiết và thử thách nhằm tạo ra sự phát triển một
mơ hình phá hủy bê tơng nhựa theo mơ hình dính kết, đây là một mơ hình khá mới
trong nghiên cứu ở Việt Nam hiện nay. Cần phải có một nghiên cứu chính xác, rõ
ràng và chun sâu về mơ hình dính kết (CZM), đây sẽ là tiền đề cho các nghiên
cứu tiếp theo để mơ phỏng chính xác q trình phát triển vết nứt của bê tông nhựa
trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu của luận văn chính là nghiên cứu về mơ hình dính kết đã và đang được
nghiên cứu ngày càng phổ biến trên thế giới hiện nay. Luận văn nghiên cứu từ sơ
đồ mơ hình chung về tính dính kết của vật liệu rắn đến mơ hình riêng cho bê tông
nhựa ứng dụng trong ngành cầu đường.
Đối tượng nghiên cứu chính là mơ phỏng sự phát triển vết nứt của bê tơng nhựa
dựa trên mơ hình hàm số mũ có xét đến tính dính kết.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài mang tính chất nghiên cứu mơ phỏng mơ hình phá
hủy vật liệu bê tơng nhựa với các thơng số đầu vào đã được tiến hành nghiên cứu
trước đó của Seong Hyeok Song- trường đại học Illinois. Trong đó, đặc biệt lưu ý
đến tính dính kết của vật liệu bê tơng nhựa, đây là mơ hình nghiên cứu mới hiện
nay cần được kiểm chứng một cách đầy đủ và chính xác.
1.5 Bố cục luận văn:
Nội dung luận văn được chia làm 7 chương trình bày những nghiên cứu của tác giả
khi tiến hành nghiên cứu về mơ hình phá hủy bê tơng nhựa có xét đến tính dính kết.
Trong chương 2, tác giả trình bày tổng quan về mơ hình dính kết đã và đang được
nghiên cứu trên thế giới hiện nay, đồng thời đưa ra sự so sánh đối chứng khác nhau
của các mơ hình qua từng nghiên cứu khác nhau. Đây là kết quả của các nhà nghiên
cứu đi trước mà tác giả đã nghiên cứu được và trích dẫn trong luận văn thạc sĩ của
mình.

Trang 5
Trong chương 3, tác giả tiến hành trình bày cơ sở lý thuyết trong luận văn, đó
chính là nghiên cứu chi tiết về cơ học phá hủy, lý thuyết về mơ hình dính đang
được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay như mơ hình hàm số mũ, mơ hình
song tuyến tính từ đó đưa ra mơ hình tổng quát chung cho quá trình phá hủy của
vật liệu có xét đến tính dính kết.
Trong chương 4, tác giả tiến hành trình bày tồn bộ các nghiên cứu về mơ hình phá
hủy của bê tơng nhựa có xét đến tính dính kết của đại học Illinois, xem xét các kết
quả thí nghiệm có được từ mơ hình thực và qua đó khẳng định lại sự phù hợp của
mơ hình thí nghiệm của đại học Illinois là mơ hình phá hủy bê tơng nhựa có xét
đến tính dính kết.
Trong chương 5, tác giả tiến hành trình bày về nghiên cứu tạo lưới cho mơ hình
bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Đây là cơng tác khó khăn và quan trọng khi
tiến hành nghiên cứu tạo lập mơ hình do tính dễ biến dạng cục bộ và tồn mơ hình
của lưới. Do đó, cần nghiên cứu chi tiết và hiểu rõ các biến dạng cũng như công tác
tạo lưới để tạo ra một mơ hình thích hợp.
Trong chương 6, tác giả trình bày về các kích thước mơ hình, kích thước lưới của
phần tử, tổng số phần tử, điều kiện biên cho mơ hình, khai báo chuyển vị mở rộng
miệng vết nứt (CMOD) cũng như khai báo các tham số cho mơ hình. Đồng thời
đưa ra kết quả khi tác giả tiến hành thiết lập mơ hình để nghiên cứu trong luận văn
và đưa ra các kết luận cho kết quả.
Trong chương 7, một lần nữa tác giả khẳng định mô hình phá hủy bê tơng nhựa có
xét đến tính dính kết là mơ hình nền tảng cơ bản hiện nay cho nghiên cứu phát triển
vết nứt của bê tông nhựa trong công tác thiết kế và thi công đường hiện nay. Tác
giả trình bày thành quả đạt được, những khó khăn gặp phải khi tiến hành nghiên
cứu đề tài cũng như những hạn chế của đề tài trong điều kiện Việt Nam hiện nay.
Đồng thời tác giả nêu lên các hướng tiếp cận mơ hình dính kết theo các hướng khác
nhau và định hướng nghiên cứu tiếp sau.

Trang 6

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH PHÁ HỦY VẬT LIỆU
CĨ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT


Trang 7
2.1 Giới thiệu chung:
Mơ hình phát triển vết nứt của vật liệu có xét đến tính dính kết đã và đang được
nghiên cứu rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay. Mơ hình này đang
ngày càng hoàn thiện, cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm.
Tuy nhiên, nghiên cứu về mơ hình phát triển vết nứt của bê tơng nhựa có xét đến
tính dính kết của vật liệu tại Việt Nam hiện nay đang được tiến hành một cách sơ
bộ, chưa có nghiên cứu cụ thể về vấn đề này, hầu như khơng có nghiên cứu nào
được tiến hành. Trong giai đoạn hiện nay, gần như chưa có những kết luận rõ ràng
về mơ hình phá hủy cũng như các tác nhân ảnh hưởng đến vật liệu nhựa đường. Do
đó cần thiết phải có một nghiên cứu tổng quan về ứng xử của bê tông nhựa có xét
đến tính dính kết.
Thực tiễn trên thế giới hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu về mơ hình phát triển vết
nứt bê tơng nhựa có xét đến tính dính kết. Nhiều báo cáo khoa học đã được thực
hiện trong các hội thảo quốc tế để giải quyết các vấn đề này. Mijidzadeh và
Abdulshafi đã tiến hành nghiên cứu về sự phát triển vết nứt bằng cách ứng dụng
tích phân J để giải thích các hiện tượng mỏi và nứt của hỗn hợp bê tông nhựa. Kim
và El Hussein đã sử dụng thí nghiệm uốn cong ba điểm để xem xét ứng xử của vết
nứt của bê tông nhựa và đánh giá độ bền dai của vết nứt dưới nhiệt độ thấp. Một số
các nhà nghiên cứu khác đã ứng dụng nguyên lý cơ học phá hủy trong các nghiên
cứu các mẫu bê tơng nhựa trong phịng và ngồi hiện trường [3].
Tuy nhiên, các nghiên cứu này đều chưa đủ sức thuyết phục để lý giải cho ứng xử
của vết nứt và ảnh hưởng của tính dính kết liên quan đến tính chất vật liệu một

cách hợp lý. Bê tơng nhựa được xem là vật liệu có tính giịn và vì thế độ mở rộng
của vết nứt có mối liên quan trực tiếp đến cấu trúc vật liệu. Do đó, về phương diện
này rất khó ứng dụng cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính cho các nghiên cứu về sự
xuất hiện vết nứt của bê tông nhựa.
Tổng hợp tất cả các yếu tố trên, mơ hình nghiên cứu tính dính kết của bê tơng nhựa
đã ra đời để nghiên cứu ứng xử vết nứt của bê tông nhựa. Các khái niệm về mô


Trang 8
hình dính kết đã được đưa ra từ rất sớm: những năm 60 của thế kỉ trước đã được
tiến hành bởi Barenblatt. Ông đã đề xuất nghiên cứu về mơ hình vùng dính kết của
các vật liệu giịn và Dugdale đã lựa chọn mơ hình này để đưa ra các nghiên cứu về
vật liệu có tính dẻo [21]. Trong những năm 90, Needleman, Camacho và Ortiz đã
đưa ra mô hình dính kết bản có chèn thêm các lưới phần tử hữu hạn.
Gần đây Paulino và đồng nghiệp đã phát triển một cấu trúc dữ liệu mới để làm
thích hợp hơn các mơ hình dính kết, các thí nghiệm tương tự đã được tiến hành để
mơ phỏng mơ hình các vết nứt giòn, vết nứt dẻo, vết nứt của bê tông, vết nứt của bê
tông nhựa, vết nứt của vật liệu phân bậc, sự phát triển vết nứt động, tính không liên
tục về thời gian, hiện tượng nứt do mỏi, vết nứt bề mặt, ứng xử của nhiệt độ…[3]
Có rất nhiều nghiên cứu đang được tiến hành hiện nay về ảnh hưởng của tính dính
kết đến sự phát hủy bê tơng nhựa. Đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này chính là
Knauss và Schapery, đã đưa lý thuyết về các vết nứt mà mắt thường có thể quan sát
được trong mơi trường dính kết. Rahulkumar, Allen và Searcy đã lựa chọn theo
hướng tiếp cận tích phân di truyền, điều này rất dễ nhận thấy trong cơng thức tính
vật liệu rời rạc. Bên cạnh đó, Bazant và Li đã đưa ra cơng thức mơ hình dính kết
theo một tỉ lệ phụ thuộc [20]. Xu và đồng nghiệp cũng đã đưa ra mơ hình dính kết
và đưa ra các thí nghiệm và phân tích bằng số.
Tất cả các mơ hình trên đều được các tác giả đưa ra với các loại vật liệu như bê
tơng, composite mà chưa có nghiên cứu nào được ứng dụng cho mơ hình bê tơng
nhựa. Song và đồng nghiệp đã tiếp tục nghiên cứu để thí nghiệm thành cơng mơ

hình phát triển vết nứt của bê tơng nhựa tại đại học Illinois, đó cũng chính là tiền
đề cho tác giả để mơ phỏng mơ hình kiểm chứng lại kết quả thí nghiệm đó trong
luận văn thạc sĩ này.
2.2 Lược sử phát triển mơ hình dính kết trên thế giới [1]:
2.2.1. Mơ hình của Barenblatt (1959, 1962): đây là nghiên cứu đầu tiên về mơ
hình dính kết trên thế giới, giúp giải quyết được các bài toán với vật liệu giòn.


Trang 9

Hình 2.1 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Barenblatt.
Các tham số mơ hình gồm:

T  T0  T1
T0: công lực phát triển vết nứt của vật liệu giịn.
T1: cơng của biến dạng đàn hồi.

 max : lực dính kết.
y  b : độ mở rộng vết nứt.
2.2.2 Mơ hình của Needleman (1987): mơ hình lý luận dự đốn được lực phát
triển vết nứt theo phương pháp tuyến.

Hình 2.2 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Needleman.
Các tham số mơ hình gồm:

 max = 1000 – 1400 MPa: lực dính kết.


Trang 10
un : độ mở rộng vết nứt theo phương pháp tuyến.

Tn : lực kéo theo phương pháp tuyến.
2.2.3 Mô hình của Rice và Wang (1989): đề xuất tham số module đàn hồi E0
trong mối liên hệ với lực phát triển vết nứt, bỏ qua lực cắt.

Hình 2.3 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Rice và Wang.
Các tham số mơ hình gồm:

 max : ứng suất tới hạn.

 : chuyển vị tới hạn của mơ hình.
2.2.4 Mơ hình của Needleman (1990): mơ hình giúp dự đốn lực phát triển vết
nứt theo phương pháp tuyến.

Hình 2.4 Mơ hình dính kết được đề nghị bởi Needleman (1990).
Các tham số mô hình gồm: