Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông "Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu tổng quan về phân bố nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng bằng vật liệu gia cố xi măng; Nghiên cứu phát triển thiết bị trong phòng xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt cho vật liệu mặt đường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng

iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .................................................................................... 2 2.1. Mục tiêu chung ......................................................................................... 2 2.2. Mục tiêu cụ thể.......................................................................................... 3 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................... 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................... 3 3.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 3 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................................. 4 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN ............................................. 4 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN .................................................................................. 5 CHƯƠNG 1 ............................................................................................................ 7 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ NHIỆT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG BẰNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG ............................. 7 1.1. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘ ................................... 7 1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG .................. 10 1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MĂT ĐƯỜNG ............................................................................................................... 12 1.3.1. Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu ......................................................... 12 1.3.2. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu .......................................................... 16 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT TRONG KCMĐ......................... 19 1.4.1. Mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên lý thuyết truyền nhiệt .............................................................................................................. 19 1.4.1.1. Theo phương pháp giải tích ........................................................... 19 1.4.1.2. Theo phương pháp số .................................................................... 20 1.4.1.3. Nhận xét ........................................................................................ 22 1.4.2. Mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................................................... 22 1.4.2.1. Mô hình hồi quy tuyến tính ........................................................... 23 1.4.2.2. Mô hình hồi quy phi tuyến ............................................................ 23 1.4.2.3. Mô hình mạng nơ ron nhân tạo ...................................................... 28 1.4.2.4. Nhận xét ........................................................................................ 29 1.5. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN..................................................... 30
iv 1.5.1. Nhận xét về kết quả nghiên cứu tổng quan của luận án ........................ 30 1.5.2. Các vấn đề luận án tập trung nghiên cứu ............................................. 32 1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 32 CHƯƠNG 2 .......................................................................................................... 34 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG ................................................................................................................ 34 2.1. KHÁI QUÁT VỀ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ NHIỆT LÝ CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG................................................................................................ 34 2.1.1. Các kết quả nghiên cứu xác định giá trị thông số nhiệt lý của vật liệu kết cấu mặt đường ............................................................................................... 34 2.1.1.1. Trên thế giới .................................................................................. 34 2.1.1.2. Tại Việt Nam................................................................................. 35 2.1.2. Các phương pháp xác định thông số nhiệt lý của vật liệu KCMĐ ......... 36 2.1.3. Nhận xét ............................................................................................... 36 2.2. PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KCMĐ ........................................................................................ 37 2.2.1. Nguyên lý chế tạo thiết bị ..................................................................... 37 2.2.2. Mô tả thiết bị........................................................................................ 38 2.2.3. Hiệu chuẩn các bộ phận của thiết bị đo................................................ 39 2.2.3.1. Hiệu chỉnh bộ đọc nhiệt độ ............................................................ 39 2.2.3.2. Hiệu chỉnh bộ đọc công suất.......................................................... 42 2.2.4. Thí nghiệm xác định độ dẫn nhiệt (λ) ................................................... 42 2.2.4.1. Trình tự thí nghiệm ....................................................................... 42 2.2.4.2. Tính toán kết quả ........................................................................... 43 2.2.5. Thí nghiệm xác định độ khuếch tán nhiệt () ....................................... 43 2.2.5.1. Trình tự thí nghiệm ....................................................................... 43 2.2.5.2. Tính toán kết quả ........................................................................... 43 2.2.6. Nhận xét ............................................................................................... 44 2.3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA VÀ CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG ............................................ 45 2.3.1. Chuẩn bị mẫu vật liệu thí nghiệm ......................................................... 45 2.3.2. Kết quả thí nghiệm và bàn luận ............................................................ 46 2.3.2.1. Độ dẫn nhiệt () ............................................................................ 46 2.3.2.2. Độ khuếch tán nhiệt (α) ................................................................. 49 2.3.2.3. Tổng hợp kết quả........................................................................... 53 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 54
v CHƯƠNG 3: ......................................................................................................... 56 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUAN TRẮC NHIỆT ĐỘ TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG ............................................................................................................. 56 3.1. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM .............................................................................. 56 3.2. VẬT LIỆU ..................................................................................................... 57 3.2.1. Bê tông nhựa chặt 12,5 ........................................................................ 57 3.2.2. Cấp phối đá dăm gia cố xi măng Dmax31,5 giá cố 4% xi măng ........... 58 3.2.3. Cấp phối đá dăm loại I Dmax 37,5....................................................... 59 3.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ............................................................. 61 3.3.1. Thi công kết cấu mặt đường ................................................................. 61 3.3.2. Thiết kế và hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ ..................... 64 3.3.2.1. Cấu tạo thiết bị quan trắc ............................................................... 64 3.3.2.2. Hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ ............................................ 65 3.3.3. Lắp đặt thiết bị ..................................................................................... 65 3.3.3.1. Giai đoạn bảo dưỡng lớp CPĐD GCXM (quan trắc nhiệt độ trong lớp móng CPĐD GCXM) ................................................................................ 65 3.3.3.2. Giai đoạn sau khi thi công và bảo dưỡng (quan trắc nhiệt độ KCMĐ) .................................................................................................................. 66 3.4. KẾT QUẢ QUAN TRẮC VÀ BÀN LUẬN ............................................................ 67 3.4.1. Giai đoạn bảo dưỡng lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng ......... 67 3.4.1.1. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến phân bố nhiệt độ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng ................................................. 67 3.4.1.2. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến cường độ chịu nén và cường độ chịu ép chẻ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng. ..... 72 3.4.1.3. Quan sát vết nứt trên bề mặt lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng .. 74 3.4.2. Phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường ở giai đoạn sau khi thi công và bảo dưỡng ..................................................................................................... 75 3.4.2.1. Phân bố nhiệt theo thời gian .......................................................... 75 3.4.2.2. Phân bố nhiệt theo chiều sâu KCMĐ ............................................. 77 3.4.2.3. Nhận xét ........................................................................................ 81 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 85 CHƯƠNG 4: ......................................................................................................... 87 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ ĐỀ XUẤT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, KIỂM TRA KẾT CẤU MẶT
vi ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG ....................................................................... 87 4.1. ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG............................... 88 4.1.1. Thu thập dữ liệu khí hậu ...................................................................... 88 4.1.1.1. Thành phố Đà Nẵng ...................................................................... 88 4.1.1.2. Tỉnh Quảng Nam ........................................................................... 89 4.1.2. Kết quả thu thập dữ liệu khí hậu của khu vực nghiên cứu..................... 89 4.1.2.1. Nhiệt độ không khí ........................................................................ 90 4.1.2.2. Độ ẩm không khí ........................................................................... 92 4.1.2.3. Tốc độ gió ..................................................................................... 93 4.1.2.4. Lượng mưa .................................................................................... 94 4.1.2.5. Cường độ bức xạ mặt trời .............................................................. 95 4.1.3. Nhận xét - đánh giá .............................................................................. 96 4.2. PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN ĐỘ NHẠY GIỮA CÁC THÔNG SỐ KHÍ HẬU VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG KCMĐ CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................ 97 4.2.1. Kết quả phân tích tương quan giữa thông số khí hậu và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ .................................................................................................. 97 4.2.2. Nhận xét ............................................................................................. 100 4.3. PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG LỚP BTN ......... 100 4.3.1. Mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp hồi quy .................................................................................................................... 100 4.3.1.1. Lựa chọn mô hình phân tích ........................................................ 101 4.3.1.2. Mô hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN (Tpave) ................................................................................................................ 101 4.3.1.3. Đánh giá hiệu quả mô hình .......................................................... 102 4.3.2. Mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp mạng nơ- ron nhân tạo ANN ........................................................................................ 105 4.3.2.1. Xây dựng mô hình cấu trúc mạng ANN ...................................... 105 4.3.2.2. Kết quả dự đoán phân bố nhiệt của các trường hợp theo phương pháp ANN ........................................................................................................ 106 4.4. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS MÔ PHỎNG PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG KCMĐ ........................................................................................................................ 108 4.4.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS .............................................................. 108 4.4.2. Xây dựng mô hình tính ....................................................................... 109 4.4.3. Kết quả phân tích mô phỏng............................................................... 112 4.4.4. Ảnh hưởng của thông số nhiệt lý vật liệu đến phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường ............................................................................................. 113
vii 4.5. SO SÁNH KẾT QUẢ CÁC MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ ĐÃ PHÁT TRIỂN ........................................................................................................................ 115 4.6. ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY LỚP MẶT BTN ĐẾN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG .................................................. 117 4.7. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THỰC TIỄN CÔNG TÁC KIỂM TRA VÀ THIẾT KẾ KCMĐ CHO KHU VỰC QUẢNG NAM - ĐÀ NẴNG ................................ 121 4.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................ 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 125 1. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN ÁN ................................................... 125 2. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ........................................................... 126 3. KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................................... 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 130
viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Nứt phản ảnh và cơ chế hình thành nứt phản ảnh trong kết cấu mặt đường có lớp móng gia cố [7] ............................................................................................. 9 Hình 1.2. Minh họa sự truyền nhiệt trong hệ thống môi trường và KCMĐ [11] ..... 10 Hình 1.3. Minh họa cấu trúc mạng ANN [67] ........................................................ 28 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý chế tạo thiết bị độ dẫn nhiệt ......................................... 37 Hình 2.2. Chi tiết thiết bị xác định thông số nhiệt lý của vật liệu ........................... 38 Hình 2.3. Hiệu chỉnh bộ phận đọc nhiệt độ ............................................................ 40 Hình 2.4. Diễn biến nhiệt độ của bình nước từ các phương pháp khác nhau........... 40 Hình 2.5. Xác định tương quan mức điều chỉnh góc mở công suất và giá trị công suất đo được từ thiết bị Lab-Volt .................................................................................. 42 Hình 2.6. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ....................................................................... 45 Hình 2.7. Lắp mẫu vào khuôn đo ........................................................................... 46 Hình 2.8. Diễn biến nhiệt độ tại bề mặt mẫu và vị trí z = 0,041 m của BTN và CPĐD GCXM khi mức nhiệt Q = 1 W và Q = 9,01 W tại mặt mẫu và nhiệt độ ở tấm lạnh đáy mẫu 20oC ........................................................................................................ 47 Hình 2.9. Tương quan giữa độ dẫn nhiệt và nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur .................... 49 Hình 2.10. Diễn biến nhiệt độ BTN và CPĐD GCXM ở độ sâu 0,041 m với nhiệt độ bề mặt cố định ở 50oC và 60oC và đáy mẫu cách nhiệt........................................... 50 Hình 2.11. Kết quả sai số RMSE giữa nhiệt độ đo và nhiệt độ tính tương ứng các giá trị độ khếch tán tại độ sâu 0,041 m với các mức nhiệt độ bề mặt ........................... 51 Hình 2.12. Tương quan giữa độ khuếch tán nhiệt và nhiệt độ bề mặt Tsur............... 52 Hình 3.1. Mô hình KCMĐ thực nghiệm quan trắc nhiệt độ.................................... 57 Hình 3.2. Đường cong cấp phối hạt vật liệu BTN và CPĐD gia cố xi măng .......... 58 Hinh 3.3 Tương quan khối lượng thể tích khô và độ ẩm của: (a) CPĐD Dmax 37,5 và (b) CPĐD GCXM ............................................................................................. 59 Hình 3.4. Một số hình ảnh thi công KCMĐ mô hình thực nghiệm hiện trường ...... 64 Hình 3.5. Sơ đồ tổng quát hoạt động thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ ................ 65 Hình 3.6. Lắp đặt cảm biến quan trắc nhiệt độ KCMĐ .......................................... 67 Hình 3.7. Diễn biến nhiệt độ theo giờ của các phương pháp bảo dưỡng ở ngày bảo dưỡng đầu tiên ....................................................................................................... 68 Hình 3.8. Mô tả dữ liệu nhiệt độ không khí và nhiệt độ tại các độ sâu lớp CPĐD GCXM theo các phương pháp bảo dưỡng trong thời gian 14 ngày......................... 69 Hình 3.9. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến diễn biến nhiệt độ trong CPĐD GCXM .................................................................................................................. 71 Hình 3.10. Cường độ chịu nén và chịu ép chẻ của mẫu sau 14 ngày bảo dưỡng theo các phương pháp khác nhau ................................................................................... 73
ix Hình 3.11. Vết nứt xuất hiện trên lớp CPĐD GCXM sau 20 ngày bảo dưỡng bằng phương pháp nhũ tương ......................................................................................... 74 Hình 3.12. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo tháng .......................... 76 Hình 3.13. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo giờ .............................. 77 Hình 3.14. Diễn biến nhiệt tại các độ sâu trong lớp BTN và CPĐD GCXM .......... 78 Hình 3.15. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo độ sâu: (a) dữ liệu toàn bộ; (b) dữ liệu trừ ngày mưa .................................................................................. 80 Hình 4.1. Thu thập dữ liệu khí hậu tại các Trung tâm, Đài khí tượng thủy văn ...... 89 Hình 4.2. Thống kê dữ liệu nhiệt độ không khí theo từng tháng trong năm ............ 90 Hình 4.3. Thống kê dữ liệu nhiệt độ không khí theo giờ trong ngày....................... 90 Hình 4.4. Diễn biến nhiệt độ trung bình KCMĐ với nhiệt độ không khí theo thời gian .............................................................................................................................. 91 Hình 4.5. Tổng hợp dữ liệu độ ẩm không khí theo từng tháng trong năm ............... 92 Hình 4.6. Thống kê dữ liệu độ ẩm không khí theo giờ trong ngày.......................... 93 Hình 4.7. Thống kê dữ liệu tốc độ gió theo từng tháng trong năm.......................... 94 Hình 4.8. Thống kê dữ liệu tốc độ gió theo giờ trong ngày .................................... 94 Hình 4.9. Thống kê dữ liệu mưa theo từng tháng trong năm .................................. 95 Hình 4.10. Thống kê dữ liệu mưa theo giờ trong ngày ........................................... 95 Hình 4.11. Thống kê dữ liệu cường độ bức xạ mặt trời Đà Nẵng theo thời gian ..... 96 Hình 4.12. Biểu đồ phân tích tương quan giữa nhiệt độ KCMĐ và các biến số khí hậu của Đà Nẵng .......................................................................................................... 97 Hình 4.13. Biểu đồ phân tích tương quan giữa nhiệt độ KCMĐ và các biến số khí hậu của Quảng Nam ..................................................................................................... 98 Hình 4.14. Biểu đồ phân tích tương quan giữa các biến số khí hậu của Đà Nẵng (DN) và Quảng Nam (QN) ............................................................................................. 99 Hình 4.15. So sánh diễn biến nhiệt độ tại độ sâu 2 cm của các mô hình ............... 104 Hình 4.16. Mô hình cấu trúc mạng ANN ............................................................. 106 Hình 4.17. Biểu đồ quan hệ giữa sai số MSE và hệ số tương quan R theo số nơron trong lớp ẩn ......................................................................................................... 107 Hình 4.18. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số xác định R2 theo số nơron trong lớp ẩn.... 107 Hình 4.19. Các bước tính toán phân bố nhiệt độ KCMĐ bằng phần mềm ANSYS ............................................................................................................................ 109 Hình 4.20. Mô hình mô phỏng KCMĐ trong phần mềm ANSYS ........................ 111 Hình 4.21. Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ KCMĐ trong ANSYS lúc 23h50 ngày 29/6/2021 ............................................................................................................ 113 Hình 4.22. Phân bố nhiệt độ tại các độ sâu khác nhau trong KCMĐ .................... 114 Hình 4.23. Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy lớp CPĐD GCXM theo thời gian ở các chiều dày BTN khác nhau (hBTN) ................................................................ 117
x Hình 4.24. Diễn biến nhiệt độ tại mặt trên lớp CPĐD GCXM theo bề dày BTN .. 118 Hình 4.25. Sự thay đổi nhiệt độ trong CPĐD GCXM theo chiều dày lớp BTN .... 120
xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số mô hình nghiên cứu xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu h c.............. 14 Bảng 1.2. Giá trị độ phản xạ bề mặt của các loại KCMĐ bê tông nhựa .................. 16 Bảng 1.3. Giá trị độ phát xạ bề mặt của KCMĐ BTN mới xây dựng ..................... 16 Bảng 1.4. Thông số đặc tính nhiệt của một số vật liệu [39] .................................... 18 Bảng 1.5. Các mô hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ KCMĐ ......... 23 Bảng 2.1. Kết quả kiểm định F và T giữa nhiệt độ đọc bằng bộ đọc Ardruino và TDS303 ................................................................................................................. 41 Bảng 2.2. Độ dẫn nhiệt của BTN và CPĐD GCXM ứng với các mức công suất khác nhau ...................................................................................................................... 48 Bảng 2.3. Tổng hợp các thông số nhiệt lý của BTN và CPĐD GCXM................... 53 Bảng 3.1. Thành phần hạt của cấp phối BTNC 12,5 .............................................. 57 Bảng 3.2. Thành phần hạt của CPĐD Dmax31,5 [87] ............................................ 59 Bảng 3.3. Thành phần hạt của CPĐD loại I Dmax37,5 [89] ................................... 60 Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cơ lý của CPĐD loại I Dmax 31,5 [87] và Dmax37,5 [89] .. 60 Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra độ chặt của nền đất và các lớp vật liệu KCMĐ sau khi thi công xong .............................................................................................................. 62 Bảng 3.6. Các thông số cơ lý đặc trưng của vật liệu ............................................... 63 Bảng 3.7. Thống kê dữ liệu nhiệt độ không khí và nhiệt độ tại các độ sâu lớp CPĐD GCXM theo các phương pháp bảo dưỡng trong thời gian 14 ngày......................... 70 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến cường độ chịu nén và ép chẻ của CPĐD GCXM ................................................................................................. 73 Bảng 3.9. Thống kê dữ liệu nhiệt độ quan trắc KCMĐ thực nghiệm theo từng tháng .............................................................................................................................. 83 Bảng 3.10. Thống kê dữ liệu nhiệt độ quan trắc KCMĐ thực nghiệm theo độ sâu . 84 Bảng 4.1. Các thông số thống kê của mô hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN của khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng ....................................... 102 Bảng 4.2. Hướng dẫn lựa chọn các tham số tính toán từ mô hình Bells ................ 103 Bảng 4.3. Sai số RMSE giữa kết quả quan trắc nhiệt độ thực tế và các mô hình dự đoán .................................................................................................................... 104 Bảng 4.4. Thông số nhiệt lý của các loại vật liệu KCMĐ nghiên cứu .................. 112 Bảng 4.5. Thông số nhiệt lý của BTNC 12,5 theo các trường hợp nghiên cứu ..... 114 Bảng 4.6. So sánh hiệu quả dự đoán phân bố nhiệt độ KCMĐ ở 3 trường hợp ..... 115 Bảng 4.7. Sai số RMSE giữa nhiệt độ quan trắc từ mô hình thực nghiệm và nhiệt độ dự đoán theo các phương pháp khác nhau............................................................ 116 Bảng 4.8. Phân bố nhiệt độ trong KCMĐ khi chiều dày lớp BTN thay đổi .......... 118
xii CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu (chữ Đơn vị Giải thích ý nghĩa viết tắt) KCMĐ Kết cấu mặt đường BTN Bê tông nhựa CPĐD GCXM Cấp phối đá dăm gia cố xi măng Long-Term Pavement Performance Program LTPP (Chương trình đánh giá dài hạn chất lượng mặt đường) Strategic Highway Research Program (Chương SHRP trình nghiên cứu chiến lược đường bộ) o Tpave max C Nhiệt độ cao nhất của mặt đường o Tair max C Nhiệt độ không khí trung bình 7 ngày cao nhất o Lat Vĩ độ của khu vực KCMĐ cần dự đoán nhiệt độ o Độ lệch chuẩn của nhiệt độ không khí 7 ngày cao Sair C nhất trong năm Chiều sâu tính từ bề mặt của KCMĐ đến vị trí Depth cm nhiệt độ cần quan sát o Tpave min C Nhiệt độ thấp nhất của mặt đường o Nhiệt độ không khí trung bình 1 ngày thấp nhất Tair min C trong năm qs W/m2 Bức xạ mặt trời thực tế được KCMĐ hấp phụ o T2 max C Nhiệt độ cao nhất của KCMĐ tại độ sâu 2 cm Solar W/m2 Cường độ bức xạ mặt trời Bức xạ sóng dài của KCMĐ phát ra môi trường q W/m2 xung quanh qc W/m2 Dòng nhiệt đối lưu o Tpave C Nhiệt độ lớp BTN theo độ sâu quan trắc o Tsuf C Nhiệt độ tại bề mặt của KCMĐ o Tair C Nhiệt độ không khí o Tavg C Nhiệt độ không khí trung bình ngày hôm trước o Tsuf-avg C Nhiệt độ trung bình của bề mặt KCMĐ o SEE C Standard error of estimate (sai số chuẩn dự đoán)
xiii Ký hiệu (chữ Đơn vị Giải thích ý nghĩa viết tắt) o Root Mean Square Error (sai số căn quân RMSE C phương) Humid % Độ ẩm không khí  W/(m.oC) Độ dẫn nhiệt α m2/s Độ khuếch tán nhiệt C J/(kg.oC) Nhiệt dung riêng
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội, các phương tiện giao thông vận tải đường bộ ngày càng tăng lên cả về lưu lượng và tải trọng trục xe. Do vậy, các tuyến đường cấp cao đang ngày càng được xây dựng nhiều hơn để đáp ứng nhu cầu. Tuy nhiên nguồn vật liệu sử dụng cho xây dựng đường ngày càng giảm, vì vậy việc thiết kế và xây dựng đường cần phải cân nhắc sử dụng nguồn vật liệu tiết kiệm hơn. Theo các nghiên cứu của Ban quản lý đường bộ liên bang Hoa Kỳ [1,2], loại kết cấu mặt đường mềm (KCMĐ) với lớp mặt bê tông nhựa (BTN) đặt trên lớp móng gia cố xi măng (GCXM) có rất nhiều ưu điểm như: cường độ và độ ổn định cường độ cao; lớp mặt BTN tạo độ bằng phẳng tốt cho mặt đường; hạn chế ảnh hưởng của các nguồn ẩm từ phía dưới nền đường thấm lên mặt đường; độ bám giữa bánh xe và mặt đường cao, ít tiếng ồn, tạo sự an toàn và thoải mái cho người tham gia giao thông; lớp mặt BTN bảo vệ lớp móng GCXM là vật liệu dễ duy tu bảo dưỡng, đồng thời có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc của lớp móng GCXM. Lớp móng GCXM có độ cứng lớn, giúp phân bố lại ứng suất dưới đáy móng nhỏ hơn so với móng không gia cố. Thêm nữa, lớp móng GCXM có cường độ và độ ổn định cường độ cao nên chiều dày lớp móng sẽ nhỏ hơn giúp tiết kiệm nguồn vật liệu móng đường khai thác từ thiên nhiên. KCMĐ có lớp mặt BTN phủ trên lớp móng GCXM đang ngày càng được sử dụng phổ biến. Ở châu Âu, KCMĐ này chiếm 30% - 50% hệ thống đường bộ [1]. Ở Trung Quốc, hầu như các kết cấu mặt đường cao tốc đã và đang xây dựng đều sử dụng lớp móng là vật liệu gia cố xi măng [3]. Tại Việt Nam, KCMĐ này đã được sử dụng cho tuyến Thăng Long – Nội Bài (năm 1995), cảng hàng không Cần Thơ, Cát Bi; dự án Đông Trường Sơn đoạn KonTum – Lâm Đồng và đoạn đi qua khu vực chịu ảnh hưởng của nước ngầm, gần đây là dự án cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi [4], dự án Cam Lộ - La Sơn thuộc dự án cao tốc Bắc Nam,…. Khu vực Quảng Nam- Đà Nẵng nói riêng và Việt Nam nói chung đang trên đà phát triển nên nhu cầu về phát
2 triển hạ tầng trong đó có mạng lưới giao thông là rất lớn. Hơn nữa, nguồn vật liệu cho xây dựng đường cũng đang dần cạn kiệt. Việc sử dụng lớp móng gia cố cũng là một giải pháp giúp tiết kiệm được nguồn vật liệu thiên nhiên. Tuy nhiên, loại KCMĐ này có nhược điểm là dễ xuất hiện các vết nứt do hiện tượng nứt phản ảnh và nguyên nhân một phần do chịu ảnh hưởng bất lợi của nhiệt độ. Ngoài ra, đối với mặt đường BTN, do tính chất đàn hồi-nhớt-dẻo của BTN nên cường độ mặt đường chịu ảnh hưởng nhiều vào nhiệt độ và tác dụng của tải trọng xe chạy. Dưới tác dụng lặp của tải trọng xe chạy, mặt đường BTN dễ phát sinh biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao (hiện tượng lún vệt bánh xe); ngược lại ở nhiệt độ thấp BTN trở nên giòn, dễ gãy vỡ và xuất hiện vết nứt. Từ đó cho thấy, trong giai đoạn khai thác đường thì nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ của KCMĐ này. Do vậy, nếu dự báo chính xác phân bố nhiệt độ cho KCMĐ dưới điều kiện làm việc thực tế sẽ giúp đưa ra các thông số tính toán chính xác của vật liệu phù hợp với trạng thái làm việc của mặt đường nhằm giảm các hiện tượng hư hỏng cho mặt đường, nâng cao chất lượng khai thác và tăng tuổi thọ cho KCMĐ. Mặt khác nhiệt độ là một trong những thông số đầu vào quan trọng, được sử dụng trong thiết kế tính toán KCMĐ mềm, cụ thể là xác định mô đun đàn hồi vật liệu BTN và để dự đoán các điều kiện làm việc về nứt và trượt. Để xét ảnh hưởng của nhiệt độ, tiêu chuẩn thiết kế KCMĐ theo phương pháp cơ học thực nghiệm AASHTO đã tích hợp các ảnh hưởng của nhiệt độ trong các đặc tính của vật liệu và của toàn bộ KCMĐ [5]. Nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt độ trong KCMĐ có ý nghĩa quan trọng, giúp xác định nhiệt độ phù hợp trong tính toán thiết kế KCMĐ mềm, đồng thời có thể dự báo cường độ và tuổi thọ của KCMĐ theo đặc điểm khí hậu của khu vực thiết kế. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng” là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối với công tác thiết kế và phân tích KCMĐ. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu chung
3 Nghiên cứu phát triển mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm có cấu tạo lớp mặt BTN trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CPĐD GCXM) thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, từ đó đánh giá ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ, đồng thời làm căn cứ đề xuất nhiệt độ áp dụng trong thực tiễn công tác thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ, nhằm hạn chế các hư hỏng của KCMĐ dưới tác dụng của tải trọng và khí hậu thời tiết trong quá trình khai thác. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Phát triển thiết bị xác định thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường trong phòng thí nghiệm, áp dụng xác định thông số nhiệt lý cho vật liệu BTN và CPĐD GCXM; - Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong KCMĐ thực nghiệm kích thước thật theo thời gian thực, có xét đến ảnh hưởng của thông số điều kiện khí hậu khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng; - Phát triển mô hình dự đoán nhiệt độ trong lớp mặt BTN và lớp móng CPĐD GCXM áp dụng cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng dựa trên kết quả quan trắc thực nghiệm và mô phỏng số; - Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM, làm cơ sở đề xuất cấu tạo chiều dày hợp lý của lớp mặt BTN trên lớp móng CPĐD GCXM và khuyến nghị nhiệt độ tham chiếu sử dụng trong thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ mềm khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Sự thay đổi nhiệt độ trong KCMĐ mềm gồm lớp mặt bê tông nhựa trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Vật liệu đá dăm và cấp phối đá dăm sử dụng trong nghiên cứu được lấy tại mỏ đá Hòa Nhơn thành phố Đà Nẵng;
4 - KCMĐ mềm gồm lớp mặt BTN chặt 12,5 dày 13 cm, lớp móng trên CPĐD Dmax31,5 gia cố 4% xi măng dày 15 cm; - Thông số khí hậu thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, trong đó tỉnh Quảng Nam (lấy tại trạm khí tượng Tam Kỳ) và thành phố Đà Nẵng (lấy tại đài khí tượng Trung Trung Bộ ở địa chỉ 660 Trưng Nữ Vương). 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu, cụ thể: - Phương pháp phân tích, thống kê kết hợp nghiên cứu lý thuyết; - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; - Phương pháp mô phỏng số. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học của luận án: - Luận án xây dựng phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm, áp dụng cụ thể cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng; đồng thời chỉ ra được ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ; - Phát triển mô hình dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM khu vực khí hậu Quảng Nam-Đà Nẵng, dựa trên các phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến, mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và mô phỏng bằng phần mềm ANSYS; đồng thời có thể mở rộng nghiên cứu cho các loại KCMĐ sử dụng vật liệu khác nhau, ở các vùng khí hậu khác nhau. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: - Phát triển được thiết bị cho phép xác định được các thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường giúp cho việc dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ chính xác hơn. Thiết bị phù hợp với các loại vật liệu mặt đường và kích cỡ mẫu thí nghiệm chế bị theo các phương pháp chế bị mẫu đang được sử dụng hiện nay. Đây là thiết bị hoàn toàn mới tại Việt Nam, hiện đang được nhóm nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện và tiến hành các thủ tục đăng ký thương mại hóa.
5 - Luận án đề xuất nhiệt độ tham chiếu để các đơn vị có liên quan có thể xem xét lựa chọn nhiệt độ sử dụng trong tính toán thiết kế kết cấu nền mặt đường thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, đồng thời kiến nghị xem xét sử dụng mô hình dự báo nhiệt độ để dự báo nhiệt độ mặt đường khi thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi KCMĐ mềm. 6. Cấu trúc của luận án Cấu trúc luận án gồm có 3 phần: Phần mở đầu Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Phần nội dung Nội dung luận án gồm 4 chương, cụ thể như sau: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về phân bố nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng bằng vật liệu gia cố xi măng. - Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm làm việc của kết cấu mặt đường mềm có lớp móng gia cố xi măng; - Phân bố nhiệt trong kết cấu mặt đường và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong KCMĐ; - Tổng quan các mô hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm; - Xác định hướng nghiên cứu. Chương 2: Nghiên cứu phát triển thiết bị trong phòng xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt cho vật liệu mặt đường. - Đánh giá các nghiên cứu xác định thông số nhiệt lý của vật liệu mặt đường; - Phát triển thiết bị thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của vật liệu mặt đường; - Thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của vật liệu bê tông nhựa và cấp phối đá dăm gia cố xi măng trong phòng thí nghiệm.
6 Chương 3: Mô hình nghiên cứu thực nghiệm quan trắc nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng. - Xác định chất lượng vật liệu xây dựng mô hình; - Xây dựng mô hình thực nghiệm; - Phân tích kết quả quan trắc và bàn luận. Chương 4: Phát triển mô hình dự đoán phân bố nhiệt và đề xuất nhiệt độ sử dụng trong tính toán thiết kế, kiểm tra kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng - Phân tích đặc điểm khí hậu khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng; Phân tích tương quan giữa thông số khí hậu và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm của khu vực nghiên cứu. - Phát triển các mô hình dự đoán phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm. - Phân tích ảnh hưởng của chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng. - Đề xuất nhiệt độ cho công tác kiểm tra và thiết kế kết cấu mặt đường trong thực tiễn. Phần kết luận và kiến nghị Bao gồm những kết quả đạt được của nghiên cứu, các phát hiện mới của luận án, kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo. Danh mục các công trình khoa học đã công bố Tài liệu tham khảo