NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP
XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
TẠI KHU VỰC ĐÔNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TS. LÊ VĂN BÁCH
Liên Bộ môn Công trình
Trường Đại học Giao thông Vận tải, Cơ sở 2
NCS. TRẦN THANH TƯỞNG
Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải 3
ThS. NGUYỄN LỘC KHA
Ban quản lý Dự án - Thành phố Biên Hòa
Tỉnh Đồng Nai
Tóm tắt: Do hệ thống đường của khu vực Đông Thành phố Hồ Chí Minh có khối lượng
đường rất lớn, mật độ xe cộ lưu thông cao và hoạt động thường xuyên, nên cần thiết phải
nghiên cứu đưa ra mối quan hệ thể hiện sự tương quan giữa các phương pháp đo cường độ
mặt đường hiện nay để phục vụ cho công tác quản lý đường, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh
tế khu vực phía Đông Thành phố Hồ Chí Minh.
Summary: Due to road system of the region east of Ho Chi Minh City has the volume of
the large road, density of traffic and work regularly, so the need for research given the
relationship shown correlation between the methods of measuring pavement structure strength
now to serve for the management of roads, needs economic development area East Ho Chi
Minh City.
CT 2
I. GIỚI THIỆU CHUNG
Thành phố Hồ Chí Minh hiện có 19 Quận gồm các Quận 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,
Phú Nhuận, Tân Bình, Tân Phú, Bình Thạnh, Bình Tân, Thủ Đức, Gò Vấp, và 5 Huyện là Củ
Chi, Hóc Môn, Nhà Bè, Bình Chánh và Cần Giờ. Diện tích tự nhiên 2.095km2, dân số 5,555
triệu dân vào năm 2003. Thành phố Hồ Chí Minh là trung tâm kinh tế, công nghiệp, kỹ thuật
cao và giao dịch quốc tế lớn của cả nước. Mạng lưới giao thông đường bộ Thành phố Hồ Chí
Minh bao gồm các trục quốc lộ do Trung ương quản lý và các đường tỉnh, đường liên tỉnh,
đường nội đô do Thành phố quản lý. Tổng chiều dài đường các cấp hạng khoảng 3.000km.
Nhìn chung, hệ thống giao thông Thành phố Hồ Chí Minh hiện tại và tương lai phát triển
rất mạnh mẽ, khối lượng, chiều dài đường ngày càng tăng, do đó công tác quản lý khai thác
đường cũng phải đẩy lên tầm cao mới, các số liệu quản lý đường phải cập nhật theo từng năm.
Việc quản lý đường tốt sẽ góp phần không nhỏ vào sự phát triển của Thành phố Hồ Chí Minh.
Hiện nay, để xác định trị số mô đun đàn hồi chung của kết cấu áo đường mềm thường dùng
các phương pháp hiện trường chính là: phương pháp đo bằng tấm ép cứng và phương pháp đo
trực tiếp dưới bánh xe bằng cần Benkenmen. Ngoài ra còn có phương pháp thí nghiệm đo cường
độ mặt đường bằng thiết bị đo độ võng động FWD (Falling Weight Deflectormeter). Vì đo độ
võng theo phương pháp dùng tấm ép cứng có năng suất thấp nên Bộ GTVT cho phép đo võng
trực tiếp dưới bánh xe bằng cần Benkenmen theo tiêu chuẩn 22TCN 251-98 và thí nghiệm đánh
giá cường độ nền đường và kết cấu mặt đường của đường ô tô bằng thiết bị đo động FWD theo
tiêu chuẩn 22TCN 335-06. Hiện nay việc đo độ võng bằng thiết bị FWD rất nhanh, ít tốn kém
và không cần nhiều thiết bị đi kèm nên để thuận tiện cho công tác thiết kế, kiểm định chất lượng
công trình cũng như để quản lý đường, việc tìm ra mối tương quan nhằm mục đích chuyển đổi
các kết quả thí nghiệm cả 3 phương pháp trên sẽ tạo thuận lợi cho công tác quản lý mạng lưới
đường của khu vực Đông Thành phố Hồ Chí Minh.
Bằng phương pháp thống kê số liệu thực tế đo đạc ngoài hiện trường, từ những phân tích số
liệu, từ đó phân tích để tìm ra mối quan hệ giữa các phương pháp thí nghiệm hiện trường đo độ
võng đàn hồi của mặt đường hiện hữu tại cùng một vị trí trên đường, cùng một loại kết cấu. Từ
kết quả đo tiến hành vẽ biễu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa các phương pháp thí nghiệm nêu
trên.
II. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI KẾT CẤU
ÁO ĐƯỜNG MỀM
Hiện nay, để đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu áo đường thường dùng hai phương
pháp chính là: Phương pháp phá hoại mẫu và phương pháp không phá hoại mẫu.
2.1. Phương pháp phá hoại mẫu CT 2
Theo phương pháp này, người ta tiến hành khoan lấy mẫu trong các lớp kết cấu mặt đường
rồi thông qua các thí nghiệm trong phòng để xác định các thông số tính toán, từ đó dự báo năng
lực chịu tải của kết cấu. Do không thể lấy quá nhiều mẫu trên mặt đường nên các thông số phản
ánh tình trạng mặt đường thông qua các thí nghiệm thường mang tính cục bộ.
2.2. Phương pháp đánh giá không phá hoại mẫu
Đánh giá theo phương pháp không phá hoại mẫu thường được tiến hành bằng cách đo độ
võng trên bề mặt đường để dự tính khả năng chịu tải của kết cấu mặt đường. Phương pháp đo độ
võng thường dùng là: đo bằng tấm ép cứng, bằng cần Benkenmen và bằng thiết bị FWD.
2.2.1 Phương pháp đo độ võng bằng tấm ép cứng
Trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm, khả năng chịu lực của vật liệu làm đường
được biểu thị bằng chỉ tiêu mô đun đàn hồi. Đó là chỉ tiêu đặc trưng cho khả năng chống lại biến
dạng đàn hồi do lực tác dụng gây ra. Đối với đất nền đường và mặt đường làm bằng các vật liệu
rời, việc xác định độ lún (biến dạng) đàn hồi phải thực hiện bằng thí nghiệm nén tĩnh qua tấm ép
cứng.
Nội dung công việc là tác dụng một lực lên tấm ép cứng, đo biến dạng đàn hồi do lực đó
gây ra. Lực tác dụng lên tấm ép phải đủ lớn đề tạo được một áp suất tác dụng lên bề mặt tương
đương với áp suất của tải trọng xe tính toán gây ra truyền qua các lớp áo đường tác dụng lên nó.
Còn diện tích tấm ép cũng phải tương đương với diện tích truyền áp lực lên bề mặt của lớp
đang xét.
Như vậy, tùy thuộc vào lớp nền đường hay lớp móng đường mà sử dụng tấm ép có đường
kính khác nhau, áp suất khác nhau. Vị trí của lớp càng xa lớp mặt thì đường kính tấm ép càng
lớn và áp lực càng nhỏ.
Mô đun đàn hồi của nền đường hoặc mô đun đàn hồi chung của áo đường được xác định
theo công thức:
(
)
đh
2
đhL
1pD
4
Eμ−π
=
Eđh - môđun đàn hồi, daN/cm2;
p - Lực tác dụng lên bề mặt nền đường, daN/cm2;
D - Đường kính tấm ép (cm2);
µ - Hệ số nở hông lấy bằng 0,35;
L
đh - Biến dạng đàn hồi (cm).
2.2.2 Phương pháp đo cường độ mặt đường bằng thiết bị đo độ võng động FWD
Phương pháp này quy định trình tự đo đạc và xác định cường độ kết cấu mặt đường mềm
bằng thiết bị đo động FWD dùng cho công tác kiểm tra, khảo sát thiết kế tăng cường mặt
đường, xây dựng ngân hàng dữ liệu bảo trì đường ô tô.
CT 2
Các bộ phận chính của thiết bị:
1. Bộ phận tạo xung lực
- Khối tải trọng được đưa lên độ cao qui định, sau đó rơi tự do thẳng đứng theo một thanh
dẫn, đập vào một tấm ép thông qua bộ phận giảm chấn lò xo (hoặc cao su), tạo nên một xung
lực tác dụng lên mặt đường tại vị trí đặt tấm ép.
- Thời gian tác dụng của xung lực lên mặt đường phù hợp với điều kiện tác động thực tế
của tải trọng lên mặt đường. Thông thường, bộ phận giảm chấn được thiết kế có độ cứng phù
hợp để đảm bảo thời gian tác dụng của xung lực vào khoảng 0,02 giây ~ 0,06 giây.
2. Tấm ép
- Tấm ép truyền tác dụng của tải trọng lên mặt đường có dạng hình tròn, đường kính
D=30cm.
- Tấm ép được chế tạo bằng hợp kim, mặt đáy tấm ép có dán một lớp cao su mỏng.
- Giữa tâm của tấm ép có lỗ rỗng để đặt các cảm biến.
3. Các cảm biến đo võng
- Độ võng trên mặt đường dưới tác dụng của xung lực được đo bằng các đầu đo cảm biến.
Số lượng đầu đo võng thông thường là 7 đầu đo, tối thiểu là 5 đầu đo.
- Các đầu đo võng được lắp đặt thẳng hàng trên một giá đỡ dọc theo hướng xe đo. Có một
đầu đo đặt tại tâm tấm ép, các đầu đo khác cách tâm một khoảng cách quy định. Thông thường,
khoảng cách giữa các đầu đo là 30cm (khoảng cách giữa các đầu đo đến tâm tấm ép theo thứ tự
là: 30, 60, 90, 120, 150, 180 mm, ...).
- Khi tiến hành đo độ võng bằng thiết bị FWD để xác định mô đun đàn hồi của đất nền
đường, vị trí cảm biến đo võng có thể thay đổi tùy theo độ cứng và tổng bề dày của kết cấu áo
đường, nhưng khoảng cách r từ chiếc cảm biến đo võng kề chiếc cảm biến đo võng cuối cùng
đến tâm tấm ép phải thoả mãn điền kiện sau:
r ≥ 0,7ae (1)
Trong đó:
r - Khoảng cách từ chiếc cảm biến đo võng kề chiếc cảm biến đo võng cuối cùng đến tâm
tấm ép, cm;
ae - Bán kính của bầu ứng suất nằm ở mặt phân cách giữa nền đất với kết cấu mặt đường; ae
được tính theo công thức sau:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
=
2
3
2
r
P
eM
E
Daa
(2)
Trong đó: a - Bán kính tấm ép của thiết bị FWD, cm; CT 2
D - Tổng chiều dày các lớp trong kết cấu áo đường nằm phía trên nền đất, cm;
Ep - Mô đun đàn hồi hữu hiệu của kết cấu áo đường nằm phía trên nền đất, cm;
Mr: - Mô đun đàn hồi của lớp đất nền, được tính ngược từ các số liệu đo được
bằng thiết bị FWD, MPa.
- Việc bố trí các cảm biến phải chọn r theo kinh nghiệm (vì chưa có Mr và Ep để tính ae).
Sau khi đã tính ra Mr và Ep từ các kết quả đo độ võng bằng thiết bị FWD, phải kiểm tra lại trị số
của r đã chọn xem có thỏa mãn công thức (1) hay không. Nếu không thỏa mãn thì được phép lấy
số đo ở cảm biến cuối cùng xa nhất để tính toán. Khoảng cách r này theo kinh nghiệm, lấy từ
0,9 m đến 1,2 m. Không nên lấy r quá lớn vì độ chính xác của độ võng sẽ giảm do trị số độ
võng quá nhỏ và nhỏ hơn độ chính xác của thiết bị đo. Việc lựa chọn r sao cho tỉ số r/ae lớn hơn
trị số 0,7 và gần giá trị 0,7 nhất.
4. Cảm biến đo lực
- Độ lớn của xung lực phụ thuộc không những vào trọng lượng quả rơi, độ cao rơi, mà còn
còn phụ thuộc vào các yếu tố khác (ma sát giữa quả nặng với thanh dẫn hướng, khả năng tiếp
xúc giữa tấm ép và mặt đường, ...).
- Bộ phận cảm biến đo lực có khả năng đo được giá trị xung lực lớn nhất tác dụng lên mặt
đường tại mỗi lần khối tải trọng rơi. Cảm biến đo lực làm việc theo nguyên lý điện trở hoặc hiệu
điện thế của dòng điện, có độ chính xác đo cao.
5. Hệ thống ghi, lưu trữ và xử lý số liệu
Các dữ liệu như độ lớn tải trọng (xung lực) tác dụng, áp lực tác dụng lên mặt đường, trị số
độ võng của mặt đường đo được,… được phần mềm chuyên dụng ghi lại vào máy tính. Các
thông tin hỗ trợ khác như nhiệt độ không khí, nhiệt độ mặt đường, khoảng cách giữa các vị trí
đo, lý trình vị trí đo được lưu lại bằng phần mềm hoặc ghi lại vào sổ tay.
Mô tả thí nghiệm:
Một khối tải trọng Q rơi từ độ cao quy định H xuống một tấm ép đường kính D, thông qua
bộ phận giảm chấn gây ra một xung lực xác định tác dụng lên mặt đường. Biến dạng (độ võng)
của mặt đường ở tâm tấm ép và ở các vị trí cách tấm ép một khoảng quy định sẽ được các đầu
cảm biến đo võng ghi lại. Các số liệu đo được như: xung lực tác dụng lên mặt đường thông qua
tấm ép, áp lực tác dụng lên mặt đường (bằng giá trị xung lực chia cho diện tích tấm ép), độ võng
mặt đường ở các vị trí quy định (do các đầu cảm biến đo võng ghi lại) là cơ sở để xác định
cường độ kết cấu mặt đường (hình 1).
Thiết bị FWD được lắp đặt trên một chiếc rơ-moóc và được một xe ô tô tải nhẹ kéo đi trong
quá trình di chuyển và đo đạc. Việc điều khiển quá trình đo và thu thập số liệu được tự động
thông qua phần mềm chuyên dụng. Tại vị trí cần kiểm tra, tấm ép và các đầu đo võng được hạ
xuống tiếp xúc với mặt đường. Hệ thống điều khiển nâng khối tải trọng lên độ cao quy định và
rơi tự do xuống tấm ép gây ra một xung lực xác định tác dụng lên mặt đường. Các đầu cảm biến
đo võng sẽ ghi lại độ võng của mặt đường ở các khoảng cách quy định. Trị số xung lực và độ
võng được ghi lại vào tệp dữ liệu. Sau khi đo xong, tấm ép và các đầu đo võng được nâng lên và
thiết bị được di chuyển đến vị trí kiểm tra tiếp theo.
CT 2
Hình 1. Các bộ phận chính của thiết bị FWD
a) Thiết bị FWD được một ô tô kéo đi khi di chuyển và đo đạc;
b) Bộ phận tạo xung lực: Khối tải trọng + Thanh dẫn + Bộ phận giảm chấn;
c) Tấm ép truyền tải trọng tác dụng xuống mặt đường;
d) Các đầu cảm biến đo độ võng