Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng "Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động; nghiên cứu tính chất cơ học của nhựa đường và ma tít dưới tác dụng của tải trọng động;... Mời các bạn cùng tham khảo!

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 ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI VĂN PHÚ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI VĂN PHÚ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Quang Tuấn 2. PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc HÀ NỘI – 2024
-I- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Hà Nội, 05/2024 Tác giả luận án NCS. Bùi Văn Phú
-II- LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS. Nguyễn Quang Tuấn và PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy hướng dẫn đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình, đã đóng góp các ý kiến quý báu và tạo điều kiện thuận lợi để giúp nghiên cứu sinh thực hiện luận án này. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Đường Bộ, Khoa KHCB, Bộ môn Hình họa- Vẽ kỹ thuật, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thông vận tải, Phòng thí nghiệm trọng điểm LasXD 1256, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập nghiên cứu. Nghiên cứu sinh cũng trân trọng cảm ơn Quỹ đổi mới Sáng tạo Vingroup - VINIF đã cấp học bổng 1 năm cho những kết quả nghiên cứu khoa học có liên quan đến đề tài nghiên cứu sinh với mã số học bổng VINIF.2021.TS.148. Cuối cùng nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình, người thân đã giúp đỡ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, 05/2024
-III- MỤC LỤC MỞ ĐẦU............................................................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ....................................................................................... 6 1.1. Ứng xử của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa dưới tác dụng tải trọng động ............................................................................................................... 6 1.1.1. Nhựa đường và ma tít ...................................................................................6 1.1.2. Bê tông nhựa .................................................................................................8 1.1.3. Thí nghiệm mô đun phức động của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa .................................................................................. 10 1.1.4. Thí nghiệm từ biến ......................................................................................14 1.1.5. Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số ................................................15 1.1.6. Mô hình dự đoán tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và bê tông nhựa.......................................................................................................................20 1.2. Ứng xử của cấp phối đá dăm và đất nền dưới tác dụng tải trọng động ..... 26 1.2.1. Mô đun động MR của lớp móng cấp phối và đất đắp nền đường ...............26 1.2.2. Một số mô hình dự đoán MR .......................................................................28 1.3. Ứng xử của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng tải trọng động và các phương pháp thiết kế ..................................................................................... 31 1.3.1. Giới thiệu chung về kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng động ...31 1.3.2. Các dạng hư hỏng thường gặp của kết cấu áo đường mềm ........................34 1.3.3. Một số phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm ..............................35 1.4. Tình hình nghiên cứu ứng xử của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động tại Việt nam ............................................................. 39 1.5. Vấn đề nghiên cứu của luận án ............................................................... 40 1.6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 41 1.7. Kết luận chương 1 .................................................................................. 42
-IV- CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA NHỰA ĐƯỜNG VÀ MA TÍT DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ................................................................................................................43 2.1. Thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và ma tít ............................................................................................................ 43 2.1.1. Vật liệu thí nghiệm .....................................................................................43 2.1.2. Thiết bị thí nghiệm......................................................................................45 2.1.3. Kết quả thí nghiệm và nhận xét ..................................................................49 2.2. Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ kết quả thí nghiệm đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường ...................................................................................... 54 2.2.1. Mô phỏng ứng xử đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường ............................54 2.2.2. Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ tính chất đàn nhớt của nhựa đường ...................................................................................................................56 2.3. Mối liên hệ giữa tính chất đàn nhớt tuyến tính và nhiệt độ hóa mềm của nhựa đường ........................................................................................................... 62 2.3.1. Vật liệu thí nghiệm .....................................................................................63 2.3.2. Nhiệt độ hóa mềm tương đương TV theo phương pháp của Alisov ...........64 2.3.3. Nhiệt độ hóa mềm tương đương TK ............................................................65 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................. 70 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG NHỰA DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ...........................................................................................................................................71 3.1. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ........................................................................ 72 3.2. Thiết bị thí nghiệm ................................................................................. 75 3.3. Thí nghiệm mô đun phức động 3D .......................................................... 76 3.3.1. Phương pháp thí nghiệm .............................................................................76 3.3.2. Kết quả thí nghiệm và nhận xét ..................................................................78 3.4. Thí nghiệm từ biến 3D ........................................................................... 83 3.4.1. Phương pháp thí nghiệm .............................................................................83
-V- 3.4.2. Kết quả thí nghiệm và nhận xét ..................................................................83 3.5. Mô phỏng thí nghiệm từ biến 3D từ thí nghiệm mô đun phức động 3D ... 90 3.5.1. Mô hình Kelvin - Voigt 3D ........................................................................90 3.5.2. Dự đoán biến dạng từ biến từ thí nghiệm mô đun phức động ....................91 3.6. Dự đoán mô đun động của bê tông nhựa từ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường ................................................................................................. 102 3.7. Kết luận chương 3 ................................................................................ 104 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ................................................................................................................................................................................106 4.1. Giới thiệu phần mềm Viscoroute 2.0..................................................... 107 4.1.1. Thiết lập mô hình kết cấu và thông số tính chất vật liệu ..........................107 4.1.2. Thiết lập thông số tải trọng, vận tốc tính toán và dữ liệu đầu ra ..............108 4.1.3. Phân tích kết cấu và xuất kết quả..............................................................109 4.2. Lựa chọn kết cấu, tải trọng tính toán và các trường hợp tính toán .......... 109 4.2.1. Lựa chọn kết cấu và tải trọng....................................................................109 4.2.2. Các trường hợp tính toán ..........................................................................111 4.3. Các thông số tính chất vật liệu trong trường hợp tính toán đàn nhớt ...... 111 4.3.1. Mô phỏng tính chất đàn nhớt tuyến tính của lớp mặt bê tông nhựa .........111 4.3.2. Mô đun đàn hồi động của lớp đất nền ......................................................113 4.3.3. Mô đun động của lớp móng cấp phối đá dăm ..........................................120 4.4. Các thông số tính vật liệu trong trường hợp tính toán đàn hồi ............... 121 4.4.1. Mô đun tĩnh của vật liệu bê tông nhựa .....................................................121 4.4.2. Mô đun tĩnh của lớp đất nền đường và lớp móng cấp phối ......................121 4.5. So sánh ứng xử của kết cấu của hai trường hợp tính toán: đàn hồi và đàn nhớt ............................................................................................................ 122 4.5.1. So sánh ứng suất kéo uốn tại nhiệt độ 15°C .............................................123
-VI- 4.5.2. So sánh độ võng ở nhiệt độ 30°C .............................................................125 4.5.3. So sánh ứng suất cắt trượt ở nhiệt độ 60°C ..............................................126 4.6. Phân tích ảnh hưởng của tốc độ xe chạy và nhiệt độ đến ứng xử của của kết cấu khi tính toán đàn nhớt tuyến tính ........................................................... 129 4.6.1. Ảnh hưởng của tốc độ xe chạy .................................................................129 4.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................131 4.7. Kết luận chương 4 ................................................................................ 132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................................................................134 CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ....................................................................136 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................................................137
-VII- DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Ứng xử đàn hồi nhớt của nhựa đường dưới tác dụng của tải trọng [25] .........7 Hình 1-2. Các dạng ứng xử của BTN phụ thuộc vào biến dạng (ε) và số lượt tải trọng tác dụng (N) [31] .............................................................................................................9 Hình 1-3. Ứng suất - biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động.............11 Hình 1-4. Hai thành phần của mô đun phức động .........................................................12 Hình 1-5. Biểu đồ Cole-Cole biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thõa mãn Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số .................................................................................16 Hình 1-6. Biểu đồ Black biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thỏa mãn Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số.......................................................................................17 Hình 1-7. Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng của mô đun cắt động |G*| tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C..............................................................................................17 Hình 1-8. Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng góc lệch pha tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C .....................................................................................................................17 Hình 1-9. Ví dụ về hệ số aT phụ thuộc vào nhiệt độ T và mô phỏng theo quy luật WLF tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C................................................................................18 Hình 1-10. Biểu đồ Black của mô đun phức của nhựa đường polyme [78] ..................19 Hình 1-11. Đường cong đặc trưng mô đun phức động của BTN sử dụng nhựa đường polyme [78]....................................................................................................................19 Hình 1-12. Mô hình Maxwell ........................................................................................20 Hình 1-13. Mô hình Kelvin - Voigt ...............................................................................21 Hình 1-14. Mô hình Maxwell tổng quát ........................................................................21 Hình 1-15. Mô hình Kelvin – Voigt tổng quát ..............................................................22 Hình 1-16. Phần tử parabolic.........................................................................................23 Hình 1-17. Mô hình Huet-Sayegh .................................................................................24 Hình 1-18. Mô hình 2S2P1D .........................................................................................25 Hình 1-19. Tính chất của vật liệu rời dưới tác dụng của tải trọng lặp ..........................27
-VIII- Hình 1-20. Dạng tải trọng chu kỳ tác dụng lên mẫu trong thí nghiệm MR ...................28 Hình 1-21. Kết cấu tổng thể nền áo đường mềm...........................................................32 Hình 1-22. Minh họa trạng thái ứng suất trong kết cấu dưới tác dụng của tải trọng xe chạy [62] ........................................................................................................................32 Hình 1-23. Biến dạng theo phương đứng trên bề mặt lớp đất nền [40] ........................33 Hình 1-24. So sánh biến dạng ngang εyy trong tính toán đàn hồi, tính toán đàn nhớt và kết quả đo thực tế tại đáy lớp BTN [65] ........................................................................34 Hình 2-1. Thí nghiệm DSR: a) thiết bị DSR RHEOTEST RN 4.3; b) nguyên lý thí nghiệm ...........................................................................................................................46 Hình 2-2. Thí nghiệm dạng cắt góc (CG): a) thiết bị thí nghiệm; b) mô hình mẫu ......47 Hình 2-3. Thí nghiệm dạng kéo nén (K/N): a) thiết bị thí nghiệm; b) mô hình mẫu ....48 Hình 2-4. Đường cong đặc trưng của |G*| của 3 loại nhựa đường nghiên cứu .............50 Hình 2-5. Đường cong đặc trưng |G*| của nhựa đường 60/70 và ma tít tương ứng ......51 Hình 2-6. Đường cong đặc trưng |G*| của nhựa đường PMB3 và ma tít tương ứng .....51 Hình 2-7. Đường cong đặc trưng |G*| của nhựa đường 35/50 và ma tít tương ứng ......51 Hình 2-8. Hệ số dịch chuyển aT của nhựa đường 60/70 và ma tít tại Tref = 25°C .........52 Hình 2-9. Hệ số dịch chuyển aT của nhựa đường PMB3 và ma tít tại Tref = 25°C .......52 Hình 2-10. Hệ số dịch chuyển aT của nhựa đường 35/50 và ma tít tại Tref = 25°C .......52 Hình 2-11. Phân tích ANOVA thí nghiệm |G*| của vật liệu nhóm 1 .............................53 Hình 2-12. Phân tích ANOVA thí nghiệm |G*| của vật liêu nhóm 2 .............................53 Hình 2-13. Phân tích ANOVA thí nghiệm |G*| của vật liệu nhóm 3 .............................54 Hình 2-14. Kết quả mô phỏng của vật liệu nhựa đường tại Tref = 25°C .......................55 Hình 2-15. Kết quả dự đoán |G*| của ma tít nhựa đường 35/50 tại Tref = 25°C ............58 Hình 2-16. Kết quả dự đoán |G*| của ma tít nhựa đường 60/70 tại Tref = 25°C ............59 Hình 2-17. Kết quả dự đoán |G*| của ma tít nhựa đường PMB3 tại Tref = 25°C ...........60 Hình 2-18. Mối quan hệ giữa log(α) và hàm lượng bột khoáng V(%) ..........................61
-IX- Hình 2-19. Xác định giá trị TV của nhựa đường nguyên gốc 60/70 loại 1 ....................65 Hình 2-20. So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ hóa mềm tương đương TV .............65 Hình 2-21. Giá trị |G*| tại nhiệt độ hóa mềm .................................................................66 Hình 2-22. Giá trị δ tại nhiệt độ hóa mềm .....................................................................66 Hình 2-23. Giá trị tham số K tại nhiệt độ hóa mềm (tần số 10 rad/s) ...........................67 Hình 2-24. Tham số K tại các nhiệt độ và cách xác định T K của nhựa đường PMB3 ........................................................................................................ 68 Hình 2-25. So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ hóa mềm tương đương TK. ............68 Hình 3-1. Đường cong cấp phối: a) BTN C12,5 và BTN P12,5; b) BTN C19 .............73 Hình 3-2. Mẫu thí nghiệm. ............................................................................................74 Hình 3-3. Thiết bị thí nghiệm Cooper ...........................................................................75 Hình 3-4. a) Bố trí các đầu đo biến dạng; b) Hình chiếu bằng của mẫu; c) Thiết bị ghi dữ liệu ngoài ..................................................................................................................76 Hình 3-5. Sự phát triển theo thời gian của ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm nén dọc trục tải trọng hình sin [79, 81] ................................................................................77 Hình 3-6. Đường cong đặc trưng |E*| và ϕE của BTN C12,5 tại Tref = 40℃ .................79 Hình 3-7. Hệ số dịch chuyển aT của 3 loại BTN tại Tref = 40℃ ...................................79 Hình 3-8. Đường cong đặc trưng hệ số Poát xông |ν * | của 3 loại BTN tại T r e f = 40℃ ....................................................................................... 80 Hình 3-9. Đường cong đặc trưng góc lệch pha ϕν của 3 loại BTN tại Tref = 40℃ ........80 Hình 3-10. Phân tích ANOVA thí nghiệm |ν*| ..............................................................82 Hình 3-11. Phân tích ANOVA thí nghiệm |E*| ..............................................................82 Hình 3-12. Quá trình gia tải-dỡ tải của mẫu BTN C12,5 tại nhiệt độ thí nghiệm 30°C .................................................................................... 83 Hình 3-13. Thí nghiệm từ biến: Biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông của BTN C12,5 tại 15°C, 30°C và 60°C .......................................................................................84
-X- Hình 3-14. Thí nghiệm từ biến: Biến dạng dọc trục của 3 loại BTN tại 15°C, 30°C và 60°C ............................................................................................. 85 Hình 3-15. Biến dạng thể tích theo thời gian của mẫu BTN P12,5 tại nhiệt độ 60ºC ...86 Hình 3-16. Sự phát triển của hệ số Poát xông trong thí nghiệm từ biến ν(t) theo thời gian .................................................................................................... 87 Hình 3-17. Biến dạng dọc trục theo thời gian tương đương..........................................88 Hình 3-18. Biến dạng nở hông theo thời gian tương đương .........................................89 Hình 3-19. Mô hình Kelvin-Voigt 3D tổng quát ...........................................................90 Hình 3-20. Mô phỏng mô đun phức động của BTN C19 tại Tref = 40C ......................92 Hình 3-21. Mô phỏng hệ số Poát xông động |ν*| của BTN C19 tại Tref = 40C ............92 Hình 3-22. Mô đun động của BTN C12,5 trên biểu đồ Cole-Cole ...............................94 Hình 3-23. Đường cong đặc trưng |E*| của BTN C12,5 tại nhiệt độ Tref = 15C, 30C và 60C ............................................................................................. 95 Hình 3-24. Đường cong đặc trưng |ν*| của BTN C12,5 tại nhiệt độ Tref = 15C, 30C và 60C ............................................................................................. 96 Hình 3-25. Sự chồng chất của ứng suất tác dụng trong thí nghiệm từ biến ..................97 Hình 3-26. BTN C12,5 - thí nghiệm và mô phỏng tại các nhiệt độ của biến dạng dọc trục ..................................................................................................... 99 Hình 3-27. BTN C12,5 - thí nghiệm và mô phỏng tại các nhiệt độ của biến dạng nở hông ................................................................................................... 100 Hình 3-28. Thí nghiệm và mô phỏng biến dạng dọc trục của BTN C12,5, BTN C19 và BTN P12,5 tại nhiệt độ 30C .......................................................................................101 Hình 3-29. Kết quả dự đoán |E*| của BTN C12,5 tại Tref = 40°C ................................103 Hình 3-30. Kết quả dự đoán |E*| của BTN C19 tại Tref = 40°C ...................................103 Hình 3-31. Kết quả dự đoán |E*| của BTN P12,5 tại Tref = 40°C ................................103 Hình 4-1. Thiết lập mô hình kết cấu và lựa chọn thông số vật liệu: Tính toán đàn hồi .................................................................................................... 108
-XI- Hình 4-2. Thiết lập mô hình kết cấu và lựa chọn thông số vật liệu: Tính toán đàn nhớt .................................................................................................. 108 Hình 4-3. Thiết lập thông số tải trọng và vận tốc và dữ liệu đầu ra ............................109 Hình 4-4. Xuất kết quả ................................................................................................109 Hình 4-5. Mô phỏng kết cấu áo đường ........................................................................110 Hình 4-6. Mô hình tải trọng tính toán: a) tải trong trục đơn; b) tải trọng trục kép .....110 Hình 4-7. Tính chất đàn nhớt của BTN C12,5: a) Mô đun đ ộng |E*|; b) góc pha φ ............................................................................................. 112 Hình 4-8. Tính chất đàn nhớt của BTN C19: a) Mô đun động |E*|; b) góc lệch pha φ ....................................................................................................... 113 Hình 4-9. Biểu đồ thành phần hạt của các vật liệu nghiên cứu ...................................114 Hình 4-10. Chuẩn bị mẫu và cài đặt máy thí nghiệm ..................................................115 Hình 4-11. Phân tích phương sai ANOVA..................................................................116 Hình 4-12. Ảnh hưởng của cấp áp lực hông (a) và ứng suất lệch (b) đến giá trị MR của mẫu đất loại 1 ..............................................................................................................117 Hình 4-13. Ảnh hưởng của cấp áp lực hông (a) và ứng suất lệch (b) đến giá trị MR của mẫu đất loại 2 ..............................................................................................................118 Hình 4-14. Biến dạng của mẫu thí nghiệm BTN C12,5 tại nhiệt độ 30ºC theo thời gian gia tải và dỡ tải ............................................................................................................121 Hình 4-15. Ứng suất kéo uốn 𝜎xx tại đáy lớp BTN C19 - tải trọng trục đơn ..............123 Hình 4-16. Biến dạng 𝜀xx tại đáy lớp BTN C19 tại nhiệt độ 15°C ..............................123 Hình 4-17. Biến dạng 𝜀yy tại đáy lớp BTN C19 ..........................................................124 Hình 4-18. Ứng suất kéo uốn 𝜎xx tại đáy lớp BTN C19 - tải trọng trục kép ...............124 Hình 4-19. Độ võng của kết cấu ở nhiệt độ 30°C .......................................................126 Hình 4-20. Ứng suất cắt trượt τxz tại đáy lớp BTN C19 ở nhiệt độ 60°C ..................127 Hình 4-21. Ứng suất cắt trượt τxz lớn nhất theo chiều sâu kết cấu ở nhiệt độ 60°C ...127 Hình 4-22. Thiết lập nhiệt độ của các phân lớp BTN .................................................129
-XII- Hình 4-23. Ứng suất cắt trượt τxz tại đáy lớp BTN C19.............................................129 Hình 4-24. Ảnh hưởng của vận tốc xe chạy đến ứng suất 𝜎xx tại đáy lớp BTN C19 ....................................................................................... 130 Hình 4-25. Ảnh hưởng của vận tốc xe chạy đến biến dạng 𝜀 x x tại đáy lớp BTN C19 ....................................................................................... 130 Hình 4-26. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất 𝜎xx tại đáy lớp BTN C19 ..............131 Hình 4-27. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất τxz tại đáy lớp BTN C19 ..............131 Hình 4-28. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng 𝜀xx tại đáy lớp BTN C19 ............132
-XIII- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1. Các loại nhựa đường và ma tít tương ứng ....................................................45 Bảng 2-2. Kế hoạch thí nghiệm .....................................................................................45 Bảng 2-3. Giá trị |G*| của nhựa đường 35/50 và các ma tít tương ứng ở tần số 5 Hz ...50 Bảng 2-4. Các tham số của mô hình 2S2P2D cho các loại vật liệu ..............................54 Bảng 2-5. Tiêu chí phân loại của phương pháp đánh giá Goodness-of-fit....................56 Bảng 2-6. Mức độ phù hợp của kết quả dự đoán sử dụng mô hình 2S2P1D đối với vật liệu nghiên cứu ..............................................................................................................56 Bảng 2-7. Giá trị các tham số sử dụng cho phương pháp chuyển đổi ...........................57 Bảng 2-8. Mức độ phù hợp của mô hình dự đoán .........................................................61 Bảng 2-9. Vật liệu thí nghiệm .......................................................................................63 Bảng 2-10. Nhiệt hóa mềm và mô đun cắt động |G*|, góc pha  tại nhiệt hóa mềm .....64 Bảng 2-11. So sánh sự chênh lệch giữa nhiệt độ hóa mềm tương đương với nhiệt độ hóa mềm thực nghiệm ..........................................................................................................69 Bảng 2-12. Phương trình hồi quy của nhiệt độ hóa mềm với nhiệt độ hóa mềm tương đương .............................................................................................................................69 Bảng 3-1. Thông số của các hỗn hợp BTN ...................................................................73 Bảng 3-2. Số lượng mẫu và số lượng thí nghiệm mô đun phức động của BTN ...........74 Bảng 3-3. Các tham số của mô hình 2S2P1D cho các loại BTN ..................................92 Bảng 3-4. Các tham số của mô hình GKV 3D cho các loại BTN tại nhiệt độ thí nghiệm 15C và hệ số dịch chuyển tương ứng với nhiệt độ 30ºC and 60ºC ..............................93 Bảng 3-5. Giá trị các thông số của phương pháp dự đoán ..........................................102 Bảng 3-6. Mức độ phù hợp của mô hình dự đoán .......................................................102 Bảng 4-1. Các tham số mô hình Huet-Sayegh ............................................................112 Bảng 4-2. Mô đun đàn hồi động và góc lệch pha của vật liệu BTN tại các cặp nhiệt độ- tần số tính toán .............................................................................................................113 Bảng 4-3. Tính chất cơ lý cơ bản của vật liệu sử dụng làm thí nghiệm ......................114
-XIV- Bảng 4-4. Kế hoạch thí nghiệm mô đun động của đất nền .........................................115 Bảng 4-5. Giá trị mô đun đàn hồi động MR (MPa) của các mẫu thí nghiệm ..............116 Bảng 4-6. Kết quả nội suy giá trị mô đun đàn hồi động MR .......................................120 Bảng 4-7. Tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN và mô đun đàn hồi động của các vật liệu CPĐD và đất nền ..................................................................................................120 Bảng 4-8. Mô đun đàn hồi tĩnh của vật liệu ................................................................122 Bảng 4-9. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu trong lớp BTN .........................................128
-XV- DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT - AASHTO (American Association of Highway and Transportation Officials): Hiệp hội người làm đường bộ và vận tải Hoa Kỳ - ANOVA (Analysis of Variance): Phân tích phương sai - ASTM (American Society for Testing and Materials): Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ - MEPDG (Mechanistic Emprical Pavement Design Guide): Hướng dẫn thiết kế theo phương pháp cơ học – thực nghiệm - BTN: Bê tông nhựa - BTNC: Bê tông nhựa chặt - BTNP: BTN polyme - CPĐD: Cấp phối đá dăm - CG: Thí nghiệm mô đun phức động dạng cắt góc - DSR (Dynamic Shearing Rheometer): Cắt động lưu biến - ESAL (Equivalent Single Axle Load): tải trọng trục đơn tương đương - GKV (General Kelvin Voigt): Mô hình Kelvin Voigt tổng quát - LTPP (Long-Term Pavement Performance Program): Chương trình thực nghiệm mặt đường dài hạn - WLF (Williams, Landel and Ferry Principle): Quy tắc Williams, Landel and Ferry - K/N: Thí nghiệm mô đun phức động dạng kéo nén - PMB (Polymer modified bitumen): Nhựa đường Polyme - PSI (Pavement Serviceability Index): Chỉ số phục vụ của mặt đường - TCCS: Tiêu chuẩn cơ sở - TCĐBVN: Tiêu chuẩn đường bộ Việt Nam - SBS: Styrene - butadiene – styrene - SN (Structure Number): chỉ số kết cấu
-1- MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Tại Việt Nam cũng như các nước khác trên thế giới, kết cấu mặt đường bê tông nhựa (gọi tắt là BTN) được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến. Hiện nay hầu hết các tuyến đường cấp cao ở Việt Nam sử dụng loại kết cấu áo đường này. Kết cấu áo đường BTN có nhiều ưu điểm so với áo đường bê tông xi măng như: Chi phí sản xuất ban đầu thấp hơn. Mặt đường êm thuận, ít gây tiếng ồn. Lớp mặt BTN có tính kín không thấm nước xuống nền móng phía dưới. Cường độ tương đối cao và dễ dàng hơn trong công tác duy tu bảo dưỡng. Thời gian thi công nhanh và có thể đưa vào sử dụng nhanh chóng sau khi thi công...Tuy nhiên, lớp mặt BTN của loại kết cấu này là loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ, thường bị biến dạng ở nhiệt độ cao, nứt ở nhiệt độ thấp. Trong quá trình sử dụng, loại kết cấu áo đường này cũng thường xuyên đối mặt với các hư hỏng như: Hiện tượng nứt mỏi là do biến dạng theo phương ngang tại đáy của lớp BTN hay hư hỏng dạng hằn lún vệt bánh xe do biến dạng theo phương đứng trong các lớp móng của kết cấu... Những hư hỏng này gây thiệt hại lớn về mặt kinh tế, xã hội. Nguyên nhân của các hư hỏng trong kết cấu áo đường BTN có thể xuất phát trong các giai đoạn từ giai đoạn thiết kế đến giai đoạn thi công, giai đoạn vận hành và cả công tác duy tu bảo dưỡng. Trong đó, công tác thiết kế là giai đoạn đầu tiên đòi hỏi sự đảm bảo các yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như tính kinh tế của tuyến đường. Hiện nay ở Việt Nam, đang tồn tại song hành hai tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm là TCCS 37 : 2022/TCĐBVN [1] và TCCS 38 : 2022/TCĐBVN [2]. Trong đó, TCCS 38 : 2022/TCĐBVN vẫn được sử dụng phổ biến nhất do tiêu chuẩn này khá đơn giản để áp dụng và đã quen thuộc với nhiều thế hệ kỹ sư. Để công tác thiết kế kết cấu áo đường được đảm bảo về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế, việc mô tả đúng đắn ứng xử cơ học của các lớp vật liệu làm đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường đóng vai trò then chốt bởi các tính chất cơ học của vật liệu đóng vai trò là thông số đầu vào rất quan trọng của tất cả các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường hiện nay. Tải trọng xe chạy là tải trọng có tính động tức là tải trọng tác dụng lên một điểm có sự thay đổi về độ lớn và phương tác dụng theo thời gian xe chạy qua. Hơn nữa, các lớp vật liệu khác nhau trong kết cấu áo đường mềm có đặc tính cường độ và biến dạng khác nhau khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy. Một số nghiên cứu trên thế giới trước đây đã chỉ ra rằng, đối với lớp móng cấp phối và lớp đất nền, các loại vật liệu này thể hiện
-2- ứng xử phi tuyến phụ thuộc trạng thái ứng suất tức là mô đun độ cứng của chúng không phải là hằng số mà là hàm số của trạng thái ứng suất (gồm cấp tải trọng thẳng đứng và cấp áp lực hông) [41, 100]. Trong khi đó, đối với vật liệu BTN, đây là vật liệu có tính chất đàn hồi nhớt và nhạy cảm nhiệt. Ứng xử của BTN phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác dụng lực [26, 32, 36, 48]. Chất kết dính nhựa đường trong hỗn hợp chính là yếu tố gây ra tính chất này của vật liệu BTN. Khi sử dụng tính chất đàn hồi nhớt của vật liệu này thay cho tính chất đàn hồi tuyến tính trong tính toán, ứng xử của kết cấu áo đường mềm thay đổi rất rõ rệt. Tuy nhiên, trong phương pháp tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm quy định trong TCCS 38 : 2022/TCĐBVN của Việt Nam hiện hành, các giá trị mô đun của vật liệu là các giá trị mô đun tĩnh. Tức là các giá trị mô đun này được xác định trong điều kiện tải trọng tĩnh với phương, chiều và độ lớn của tải trọng tác dụng không thay đổi trong suốt quá trình gia tải. Do đó, các giá trị này không phản ánh chính xác ứng xử của vật liệu với thực tế làm việc của chúng dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường. Điều đó dẫn đến kết quả tính toán thiết kế kết cấu áo đường sẽ không có sự phù hợp với ứng xử thực tế của kết cấu. Hiện nay, rất nhiều tính toán đang hướng đến việc thay thế ứng xử đàn hồi tuyến tính của vật liệu BTN bằng đàn nhớt tuyến tính dưới tác dụng tải trọng động để có thể mô phỏng kết cấu sát hơn với trạng thái làm việc thực tế của các lớp vật liệu và kết cấu. Một số nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy rằng, kết quả tính toán khi coi ứng xử của BTN là đàn nhớt tuyến tính cũng cho kết quả phù hợp hơn với các giá trị biến dạng đo bằng các đầu đo đặt trong kết cấu áo đường thực tế [15, 65]. Tính chất đàn nhớt tuyến tính của vật liệu nhựa đường và BTN được đặc trưng bởi mô đun phức động E* (Complex Modulus) (hoặc mô đun cắt động G* - Shear Complex Modulus) và góc trễ pha φ giữa ứng suất tác dụng và biến dạng sinh ra. Tính chất của các lớp vật liệu rời (lớp móng cấp phối đá và đất đắp nền đường) được đặc trưng bởi mô đun động MR (Resilient Modulus). Các thông số này của vật liệu được xác định bằng thí nghiệm sử dụng tải trọng động (tải trọng biến thiên theo dạng hình sin hoặc haversine). Để đo các thông số này của các loại vật liệu cần những thiết bị máy móc có độ chính xác cao, hiện đại và đắt tiền mà không phải phòng thí nghiệm nào cũng có thể trang bị được. Ngoài ra, các loại thí nghiệm này cũng đòi hỏi nhân công thí nghiệm phải được đào tạo và có tay nghề cao. Do đó, ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính chất của vật liệu của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động là khá ít. Điều đó dẫn đến các tính toán kết cấu áo đường mềm sử dụng mô đun động của các lớp vật liệu và có
-3- tính đến đặc tính đàn nhớt của vật liệu BTN cũng còn hạn chế và mới mẻ. 2. Mục đích và nội dung nghiên cứu a) Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng tính chất cơ học của vật liệu kết cấu áo đường mềm (nhựa đường, ma tít, BTN và đất nền) dưới tác dụng của tải trọng có tính động trong điều kiện Việt Nam. Sử dụng các kết quả thực nghiệm của vật liệu để mô phỏng và dự đoán ứng xử của một kết cấu áo đường mềm thường dùng dưới tác dụng của tải trọng xe chạy. b) Nội dung nghiên cứu Nội dung của nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau: ❖ Thí nghiệm động xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của các pha của hỗn hợp BTN từ nhựa đường đến ma tít đến BTN dưới tác dụng của tải trọng động. Dự đoán mô đun phức động của Ma tít và BTN từ thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường. ❖ Thiết lập mối quan hệ định lượng giữa nhiệt hóa mềm được xác định bởi thí nghiệm Vòng và bi với các tham số đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường được xác định bằng thí nghiệm cắt động lưu biến (DSR- Dynamic Shearing Rheometer) gồm mô đun cắt động |G*| và góc lệch pha φ. ❖ Cải tiến thiết bị thí nghiệm để có thể tiến hành các thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính trong trường hợp 1D và 3D của BTN trên miền tần số và trên miền thời gian. Từ đó, hệ số Poát xông phức động và hệ số Poát xông từ biến được xác định. Ngoài ra, sự phát triển của biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông trong thí nghiệm từ biến 3D được tính toán và mô phỏng từ thí nghiệm mô đun phức động 3D. ❖ Phân tích, tính toán kết cấu áo đường mềm sử dụng mô đun đàn hồi động của các lớp vật liệu và có quan tâm đến tính chất đàn nhớt tuyến tính của lớp vật liệu BTN. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu ❖ Nghiên cứu tổng quan về đặc tính cơ học (đặc biệt là mô đun động) của các loại