PHƯƠNG PHÁP LUẬN TIẾP CẬN DỰ BÁO MỨC ĐỘ XUỐNG CẤP
CỦA MẶT ĐƯỜNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG ÁP DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
TÌNH TRẠNG XUỐNG CẤP MẶT ĐƯỜNG
CHO CÁC TUYẾN ĐƯỜNG CÓ XE BUÝT NỘI ĐÔ HÀ NỘI
TS. TRẦN THỊ KIM ĐĂNG
Trường Đại học Giao thông Vận tải
NCS. TRƯƠNG THÁI HOÀ
Sở Giao thông công chính Hà nội
Tóm tắt: Một bước quan trọng, quyết định tính đúng đắn, hợp lý của kế hoạch/ chiến lược
bảo dưỡng sửa chữa mặt đường là dự báo mức độ xuống cấp của mặt đường. Phương pháp
luận tiếp cận dự báo mức độ xuống cấp của mặt đường được trình bày trong bài báo thể hiện
cách tiếp cận từ ở mức độ đơn giản – theo định tính – dựa vào kinh nghiệm đến các mức độ rất
phức tạp, như được sử dụng trong các chương trình nghiên cứu rất quy mô về mặt đường.
Phương pháp luận tiếp cận này là một định hướng tốt cho các nghiên cứu về mặt đường nói
chung và đặc biệt đối với việc lập kế hoạch bảo dưỡng sửa chữa đường bộ, một trong những
vấn đề then chốt đối với ngành đường bộ, để sử dụng hệ thống mạng lưới đường có sẵn một
cách hiệu quả.
Summary: Pavement deterioration forecast is a major stage of road maintenance
planning to determine its reasonableness and correctness. The methodology of pavement
deterioration forecast presented in the article states methodologies from the simplest as
qualitative based on experience to the most complicated used in large-scale pavement test
programs. The methodology gives right orientation to pavement research in general and to
pavement maintenance planning in particular, which is one of the crucial road works to
operate existing road networks effectively.
TCT2
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Dự báo mức độ xuống cấp của mặt đường là bước công việc quan trọng trong lập kế hoạch/
chiến lược bảo dưỡng mặt đường. Việc dự báo tình trạng mặt đường ở một thời điểm trong
tương lai trên cơ sở tình trạng mặt đường hiện tại, điều kiện về giao thông và tải trọng giao
thông, các điều kiện môi trường …, nếu tiếp cận để giải quyết đúng, cho phép dự kiến được giải
pháp bảo dưỡng hợp lý cho thời điểm đó và vì vậy có thể xây dựng nên được một kế hoạch/
chiến lược bảo dưỡng ngắn hạn hoặc dài hạn cho một tuyến đường ở cấp độ dự án hay cho cả hệ
thống mạng lưới đường hợp lý, nhằm kéo dài tuổi thọ của đường và phù hợp với điều kiện
nguồn vốn cho bảo dưỡng đường thông thường là rất hạn hẹp.
Công tác dự báo mức độ xuống cấp của mặt đường ở Việt Nam hiện nay chưa đặt thành
các mục cụ thể trong các tiêu chuẩn thiết kế cũng như bảo dưỡng sửa chữa đường bộ. Mặc dù
vậy, vấn đề này cũng đã được đề cập như là một “giả thiết ngầm” trong tiêu chuẩn thiết kế mặt
đường như được trình bày cụ thể ở phần 2.2.1 dưới đây, nhưng trên thực tế chưa thể hiện một
phương pháp luận tiếp cận rõ ràng mang tính chất thuyết phục.
Việc nghiên cứu về phương pháp luận tiếp cận dự báo xuống cấp của mặt đường và nghiên
cứu về quy luật xuống cấp mặt đường của các loại đường chính, theo dự kiến sẽ thực hiện với
các tuyến đường nội đô Hà Nội có xe buýt là bước khởi đầu, tạo cơ sở tin cậy cho việc lập kế
hoạch/chiến lược bảo dưỡng sửa chữa mặt đường đô thị, đồng thời làm cơ sở vững chắc để tiến
hành các nghiên cứu tiếp tục với hệ thống mạng lưới đường, phát triển và hoàn thiện các tiêu
chuẩn thiết kế bảo dưỡng, tăng cường mặt đường và tiêu chuẩn bảo dưỡng sửa chữa hệ thống
mạng lưới đường bộ.
II. PHƯƠNG PHÁP LUẬN TIẾP CẬN DỰ BÁO XUỐNG CẤP CỦA MẶT ĐƯỜNG
Có hai nhóm phương pháp cơ bản được đề cập trong phương pháp luận tiếp cận dự báo
mức độ xuống cấp của mặt đường:
- Nhóm phương pháp thứ nhất: dựa trên hệ thống dữ liệu lưu trữ và hoặc đôi khi có thể sử
dụng khái niệm xác suất để mô phỏng xu hướng xuống cấp của mặt đường bằng các ma trận
chuyển đổi hoặc các hàm xác suất từ đơn giản đến phức tạp tương ứng với số lượng các biến
phụ thuộc. Với phương pháp này, người ta có thể dự báo tình trạng mặt đường tại một thời điểm
cụ thể trong tương lai phụ thuộc vào điều kiện mặt đường hiện tại, trên cơ sở kinh nghiệm phân
tích các điều kiện của mặt đường của một số đoạn tương tự trong hệ thống mạng lưới đường
hoặc trên cơ sở theo dõi xuống cấp của mặt đường trên chính đoạn đường đó trước đây.
- Nhóm phương pháp thứ hai: là nhóm phương pháp xác định theo lý thuyết hay theo một
phương trình tính toán thực nghiệm để dự báo tình trạng xuống cấp của mặt đường là giá trị
chính xác theo hàm số toán học của một thông số tình trạng của mặt đường quan sát hay đo đạc
xác định được. Nhóm phương pháp thứ hai này chính là nội dung của tính toán kết cấu mặt
đường với các phương pháp: cơ học thuần túy; phương pháp kinh nghiệm thể hiện bằng các
hàm số hồi qui và phương pháp cơ học – kinh nghiệm. Phương pháp cơ học dựa trên các thông
số cơ học như ứng suất, biến dạng hay độ võng được tính toán theo lý thuyết để thể hiện sự
xuống cấp của mặt đường, chính là sự phát triển của ứng suất, biến dạng hay độ võng đến một
thời điểm nhất định. Phương pháp kinh nghiệm, thực nghiệm mô phỏng xuống cấp của mặt
đường theo các thông số có thể quan sát hay đo đạc được, có liên quan đến các biến số như
cường độ nền đường, tải trọng giao thông, chiều dày của kết cấu mặt đường và đặc tính vật liệu
của các lớp... Quan hệ giữa thông số trạng thái mặt đường và các biến số được thiết lập nhờ quá
trình phân tích hồi quy các số liệu thu thập trong thử nghiệm mặt đường và theo kinh nghiệm.
Phương pháp cơ học – thực nghiệm thiết lập các phương trình dự báo tình trạng mặt đường theo
các nguyên tắc cơ học liên quan đến các biến số tình trạng mặt đường. Phép phân tích hồi quy
được sử dụng ở phương pháp này để xác định các hằng số, các hệ số kinh nghiệm trong các
phương trình đã được thiết lập này.
CT 2
2.1. Nhóm phương pháp thứ nhất
Phương pháp đơn giản nhất trong nhóm phương pháp thứ nhất là sử dụng các kinh nghiệm
trong theo dõi, quản lý đường để hệ thống hóa mô hình xuống cấp của mặt đường. Hệ thống này
có thể đơn giản là một ma trận chuyển đổi được thiết lập trên cơ sở các giả thiết:
- Khả năng chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ phụ thuộc vào điều kiện
mặt đường hiện tại.
- Khả năng chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ phụ thuộc vào thời gian.
Ví dụ, người ta có thể thiết lập nên một ma trận chuyển đổi đơn giản để dự báo phát triển
vệt lún bánh xe theo thời gian (tính bằng năm) như trong bảng 1.
Có thể giải thích về ma trận chuyển đổi trạng thái mặt đường theo vệt lún bánh xe trên như
sau: chẳng hạn đoạn đường hiện tại có vệt lún bánh xe từ 10 mm – 14 mm, thì trong năm tiếp
theo, sẽ có xác suất 86% độ lún giữ ở giá trị cũ là 10 mm – 14 mm, xác suất phát triển vệt lún
đến 15 mm – 19 mm là 11% và xác suất phát triển vệt lún đến ≥ 20 mm là 3%. Ma trận chuyển
đổi trạng thái này được thiết lập theo kinh nghiệm, đối với các tuyến đường thông thường có
cùng kết cấu, cùng điều kiện về giao thông và tải trọng giao thông, và tương đồng về môi
trường.
Bảng 1. Ma trận dự báo phát triển vệt lún bánh xe,
phụ thuộc vào tình trạng hư hỏng hiện tại và thời gian
Xác suất (%) của mức độ phát triển vệt lún trong năm tiếp theo
Vệt lún hiện tại (mm) 0 1-4 5-9 10-14 15-19 ≥ 20 Tổng cộng
0 93 4 2 1 0 0 100
1-4 90 6 3 1 0 100
5-9 85 11 2 2 100
10-14 86 11 3 100
15-19 80 20 100
≥ 20 100 100
Ma trận chuyển đổi trạng thái còn có thể được thiết lập trên cơ sở tình trạng mặt đường là
phối hợp của hai hay nhiều các chỉ tiêu đánh giá mặt đường. Một ví dụ sau đây cho tổ hợp của
hai chỉ tiêu bề mặt đường được chỉ số hóa (theo từ 1 đến 9, thể hiện tổ hợp các tình trạng mặt
đường khác nhau) (xem bảng 2) và dự báo xác suất phát triển hư hỏng mặt đường theo tình
trạng bề mặt đường được chỉ số hóa theo ma trận chuyển đổi trạng thái tình trạng mặt đường
(xem bảng 3). Kết quả dự báo trong bảng 3 có được từ phiếu phỏng vấn các chuyên viên của
một công ty quản lý và bảo dưỡng đường.
Bảng 2. Điều kiện tình trạng mặt đường được chỉ số hóa
TCT2
theo chỉ tiêu độ ghồ ghề mặt đường và diện tích mặt đường có xuất hiện vết nứt
Diện tích mặt đường có xuất hiện vết nứt (%)
Độ ghồ ghề
(10-1 m/km) 0-3 3-7 > 7
0-40 1 4 7
41-90 2 5 8
> 90 3 6 9
Bảng 3. Ma trận chuyển đổi trạng thái tình trạng mặt đường
với thời gian nhất định trong tương lai
Xác xuất đạt đến trạng thái tình trạng mặt đường trong tương lai (%)
Tình trạng ban đầu 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 90 4 2 3 1 0 0 0 0
2 1 90 3 0 5 1 0 0 0
3 0 1 92 0 1 3 0 1 2
4 0 0 0 92 5 2 0 1 0
5 0 0 0 1 94 3 1 1 0
7 0 0 0 0 1 94 0 1 4
8 0 0 0 0 0 0 1 96 3
9 0 0 0 0 0 1 0 1 98
Phương pháp này đòi hỏi hệ thống dữ liệu và/hoặc kinh nghiệm phong phú. Chúng rất đơn
giản, dễ hiểu và dễ sử dụng. Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng lại rất hạn hẹp, vì thực tế các điều
kiện khai thác của các tuyến đường (điều kiện giao thông, yếu tố khí hậu tự nhiên, các chế độ
bảo dưỡng sửa chữa áp dụng), cũng như kết cấu và tình trạng kết cấu… rất khác nhau, mà mỗi
ma trận chuyển đổi trạng thái điều kiện của mặt đường thiết lập được thực tế phụ thuộc vào tổ
hợp của tất cả các điều kiện này.
2.2. Nhóm phương thứ hai
2.2.1. Dự báo xuống cấp mặt đường trong các phương pháp tính toán mặt đường theo lý thuyết
Rà soát lại các phương pháp thiết kế mặt đường theo cơ học hiện có, có thể thấy rằng
chúng được xây dựng trên các “giả thiết ngầm” về sự xuống cấp của mặt đường theo thời gian.
Ví dụ như phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm dựa trên lý thuyết hệ đàn hồi nhiều lớp
được sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế mặt đường mềm hiện hành của Việt Nam 22TCN – 211
– 06 với việc phân tích ứng suất cực hại như biến dạng đàn hồi tại bề mặt đường, ứng suất cắt
trượt trong nền đường, ứng suất kéo uốn dưới đáy lớp bê tông nhựa…) để thỏa mãn yêu cầu cho
chúng có độ lớn nằm trong phạm vi chấp nhận được. “Giả thiết ngầm” về sự xuống cấp của mặt
đường theo thời gian ở đây có thể hiểu chính là sự tăng của độ võng đàn hồi cho phép theo thời
gian (sự giảm của mô đun đàn hồi yêu cầu) trong thời kỳ khai thác, cũng như các thông số khác
như ứng suất cắt trượt/ ứng suất kéo uốn cho phép. Ví dụ như, bảng xác định các giá trị mô đun
đàn hồi yêu cầu (bảng 4) thông qua độ võng đàn hồi cho phép – tương ứng với lưu lượng trục xe
tính toán/ ngày đêm tăng dần, có thể xem là thời gian sử dụng tăng lên trong tiêu chuẩn thiết kế
kết cấu mặt đường mềm của Việt Nam là thể hiện cho “giải thiết ngầm” về sự xuống cấp của
mặt đường theo thời gian mà được thiết lập trên cơ sở theo dõi thực nghiệm các tuyến đường.
Bảng 4. Mô đun đàn hồi yêu cầu của mặt đường
Trị số mô đun đàn hồi Eyc (MPa), tương ứng với lưu lượng xe
tính toán (xe/ngày đêm/làn)
Loại tải trọng
tiêu chuẩn Loại tầng mặt
10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 7000
Cấp cao A1 133 147 160 178 192 207 224 235
Cấp cao A2 91 110 122 135 153
10
Cấp thấp B1 64 82 94
Cấp cao A1 127 146 161 173 190 204 218 235 253
Cấp cao A2 90 103 120 133 146 163
12
Cấp thấp B1 79 98 111
CT 2
Nếu theo cách tiếp cận cơ học thuần túy, thì phương pháp này chỉ là tính toán ứng suất –
biến dạng của mặt đường dưới tác dụng của ngoại lực là tải trọng giao thông và điều kiện thời
tiết. Nhưng nếu có thể phân ra thành các mô hình dự báo khác nhau cho mỗi trạng thái giới hạn
và sử dụng các giá trị ứng suất và biến dạng cực hại như là biến số độc lập trong mô hình dự
báo xuống cấp của mặt đường theo phương pháp hồi quy thì sẽ có thể thiết lập một phương
pháp tiếp cận dự báo hư hỏng mặt đường có tính logic và có khả năng xác định, có phạm vi ứng
dụng rộng rãi hơn so với nhóm phương pháp thứ nhất. Đây chính là tư tưởng chủ đạo của
phương pháp thiết kế mặt đường theo cơ học – thực nghiệm.
2.2.2. Dự báo xuống cấp mặt đường bằng các phương trình hồi qui từ thực nghiệm
Hồi quy là một phương pháp luận tiếp cận có tính logic và hiệu quả đối với dự báo xuống
cấp của mặt đường, đặc biệt là khi có thể thu thập được hệ thống cơ sở dữ liệu đầy đủ và tin cậy.
Hồi quy là một quá trình để lập tương quan giữa một biến số phụ thuộc của trạng thái điều kiện
mặt đường quan sát hoặc đo đạc được và một hay nhiều biến số độc lập như lưu lượng và tải
trọng giao thông, chiều dày các lớp kết cấu mặt đường, đặc tính vật liệu kết cấu, cường độ đất
nền, các yếu tố môi trường …
Các dạng mô hình cơ bản cho quá trình hồi qui bao gồm:
- Mô hình hồi qui đơn giản (hồi qui tuyến tính đơn biến): y = a + bx1 (1)
- Mô hình phức tạp bao gồm hồi qui tuyến tính đa biến: y = a + bx1 + cx2 + dx3 + ... (2)
- Và hồi qui phi tuyến: y = a + bx1 + c(x2)2 + d(x3)3 + ... (3)
Quan hệ giữa biến số phụ thuộc và các biến số độc lập được tổng hợp bằng việc sử dụng
các phép biến đổi các biến số. Trong hầu hết các trường hợp được xem xét, dữ liệu thu thập
được về sự xuống cấp của mặt đường thường có xu hướng rời rạc nên các quan hệ được tổng
hợp theo mô hình tuyến tính thường cho độ tin cậy thấp. Ngoài ra, trong rất nhiều trường hợp,
việc dự tính xuống cấp mặt đường sử dụng các mối quan hệ thiết lập được từ hồi qui đòi hỏi
ngoại suy nhiều hơn là nội suy, và do vậy cũng đưa đến độ tin cậy thấp.
Một ví dụ điển hình của phương trình hồi qui theo dõi xuống cấp của mặt đường chính là
phương trình thiết kế kết cấu mặt đường của AASHTO, với thông số đặc trưng mặt đường là hệ
số mức độ phục vụ được theo dõi theo độ giảm của nó trong thời gian sử dụng tương ứng với
tích lũy số lần tác dụng lặp lại của tải trọng trục đơn tiêu chuẩn. Phương trình thiết kế theo
phương pháp kinh nghiệm của AASHTO là phương trình được xây dựng bằng phép biến đổi hồi
qui từ số liệu thử nghiệm đường AASHTO.
Không chỉ trong các thử nghiệm đường, dữ liệu thu thập từ hệ thống đường đang khai thác
cũng cho phép xây dựng được các mối quan hệ hồi qui tuyến tính dự báo xuống cấp mặt đường.
TCT2
Ví dụ đưa ra dưới đây là quan hệ hồi qui được tổng hợp giữa một thông số đặc trưng của
mặt đường gọi là hệ số êm thuận với một số các thông số khác cho mặt đường cấp phối. Hệ số
êm thuận là thông số đặc trưng mặt đường tổng hợp bao gồm chỉ tiêu độ ghồ ghề và một số các
chỉ tiêu hư hỏng mặt đường khác.
RCI = -5.998 + 6.870logcRCIB – 0.162logBc(AGE +1) + 0.185AGE
2
– 0.084AGE logcRCIB – 0.093 Δ AGE (4) B
Với: RCI - hệ số êm thuận mặt đường (phạm vi giá trị từ 0 đến 10); AGE - tuổi thọ của mặt
đường tính theo năm; RCIB - RCI ban đầu; ΔAGE - 4 năm đối với phương trình trên, (nhưng có
thể sử dụng với giá trị bất kỳ - ngoại suy).
B
Hoặc là phương trình hồi qui được thiết lập đối với sự phát triển của vệt lún bánh xe dưới
đây được tổng hợp trong chương trình theo dõi đặc trưng dài hạn mặt đường trong hai năm đầu
tiên của chương trình 5 năm theo dõi dài hạn các đặc trưng của mặt đường (chương trình
LTPP):
log (vệt lún) = K1 + K2.log(∑ESALs) + K3.log(ESURF).log(∑ESALs) (5)
Với: vệt lún - vệt lún bánh xe (mm); ∑ESALs - tải trọng trục đơn tiêu chuẩn tích lũy; ESURF
- mô đun đàn hồi của mặt đường đo bằng thiết bị FWD (ksi); K1, K2, K3 - các hệ số hồi qui.
Việc tiếp cận quá trình hồi qui có thể cho các kết quả tốt hơn khi phối hợp với phương
pháp cơ học và kinh nghiệm. Vì nó có thể đưa ra các phương trình quan hệ từ các mối quan hệ
cơ học và sử dụng kinh nghiệm để hiệu chỉnh làm phù hợp hóa các mối quan hệ này với cơ sở