Tài liệu Nghiên cứu một số thông số thiết kế tấm bê tông xi măng mặt đường cứng trong điều kiện khí hậu miền trung việt nam theo tiêu chuẩn aashto.

BỘ GIÁO DỤC VÀ VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM ĐĂNG NGUYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG CỨNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN AASHTO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHẠM ĐĂNG NGUYÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ THIẾT KẾ TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG MẶT ĐƯỜNG CỨNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN AASHTO Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã số: 62.58.02.05.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS Phạm Huy Khang 2. PGS.TS. Lã Văn Chăm HÀ NỘI - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Phạm Đăng Nguyên ii LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Giao Thông Vận Tải. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học GTVT, Bộ môn Đường bộ, tới quý Thầy cô giáo, các Nhà khoa học, các bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Đặc biệt, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới NGƯT.GS.TS Phạm Huy Khang và NGƯT.PGS.TS Lã Văn Chăm là hai thầy hướng dẫn đã có những chỉ dẫn tận tình và quý báu giúp tác giả hoàn thành luận án của mình. Tác giả iii MỤC LỤC Lời cam đoan ........................................................................................................... i Lời cảm ơn .............................................................................................................. ii Mục lục ..................................................................................................................iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................. vii Danh mục các bảng ................................................................................................. x Danh mục các hình .............................................................................................. xiv PHẦN MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 7 1.1. Tổng quan về mặt đường bê tông xi măng .................................................... 7 1.1.1. Những khái niệm cơ bản ........................................................................ 7 1.1.2.Cơ sở lý thuyết về sự làm việc của áo đường cứng ................................. 7 1.1.3.Xem xét trạng thái làm việc của tấm BTXM mặt đường dưới tác dụng của khí hậu thời tiết ................................................................................. 8 1.2. Tổng quan về các thông số đầu vào yêu cầu và phương trình tính toán mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO .................................................... 12 1.2.1.Các thông số liệu đầu vào yêu cầu ........................................................ 12 1.2.2. Phương trình tính toán mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO........ 13 1.3. Đặc điểm chung của điều kiện khí hậu miền Trung Việt Nam và công thức xác định các thông số chịu tác động của khí hậu khu vực trong tính toán mặt đường BTXM theo tiêu chuẩn AASHTO .................................................... 22 1.3.1. Đặc điểm chung của khí hậu miền Trung Việt Nam ............................. 22 1.3.2.Nghiên cứu xác định một số thông số thiết kế tấm bê tông xi măng mặt đường cứng trong điều kiện khí hậu thời tiết miền Trung Việt Nam theo tiêu chuẩn AASHTO .............................................................................. 25 1.4. Một số nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước ....................................... 26 1.4.1.Những nghiên cứu liên quan trong nước: .............................................. 26 1.4.2.Những nghiên cứu liên quan ở nước ngoài: ........................................... 28 1.5. Những vấn đề tồn tại mà luận án tập trung giải quyết ................................. 28 1.6. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ................................................ 30 1.6.1.Mục tiêu của đề tài nghiên cứu .............................................................. 30 1.6.2.Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 30 iv 1.7. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 31 1.8. Kết luận chương 1 ....................................................................................... 32 Chương 2: NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ VỀ KHÍ HẬU KHU VỰC MIỀN TRUNG SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ VÀ KHAI THÁC MẶT ĐƯỜNG CỨNG THEO TIÊU CHUẨN AASHTO .............................................. 34 2.1. Giới thiệu quy mô nguồn số thiệu thu thập .................................................. 34 2.1.1. Số lượng các trạm thu thập số liệu, thời gian thu thập.......................... 34 2.1.2.Các loại số liệu thu thập ........................................................................ 35 2.1.3. Đặc điểm của nguồn số liệu thu thập .................................................... 35 2.2. Quá trình xử lý số liệu. ................................................................................ 35 2.2.1. Trạm Đà Nẵng (TP Đà Nẵng) ............................................................... 37 2.2.2.Trạm TP Thanh Hóa, Tỉnh Thanh Hóa .................................................. 47 2.2.3.Trạm TP Vinh, Tỉnh Nghệ An ............................................................... 49 2.2.4.Trạm Kỳ Anh, Tỉnh Hà Tĩnh ................................................................. 51 2.2.5.Trạm Đồng Hới, Tỉnh Quảng Bình ........................................................ 53 2.2.6.Trạm Đông Hà, Tỉnh Quảng Trị ............................................................ 55 2.2.7.Trạm Hương Thủy, Tỉnh T.T.Huế ......................................................... 57 2.2.8.Trạm Tam Kỳ, Tỉnh Quảng Nam .......................................................... 59 2.2.9.Trạm Quảng Ngãi, Tỉnh Quảng Ngãi .................................................... 61 2.2.10.Trạm Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định ....................................................... 63 2.2.11.Trạm Tuy Hòa, Tỉnh Phú Yên ............................................................. 65 2.2.12.Trạm Nha Trang, Tỉnh Khánh Hòa ...................................................... 67 2.2.13.Trạm Buôn Ma Thuột, Tỉnh Đắc Lắc .................................................. 69 2.3. Kết quả quá trình xử lý số liệu, quy luật phân bố của các thông số đầu vào, mức độ ảnh hưởng và lựa chọn kết quả theo độ tin cậythiết kế .................. 72 2.3.1.Quy luật phân bố - giá trị phân phối của các thông số đầu vào ............. 72 2.3.2. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến kết quả tính toán TD(+) và TD(-) ................................................................................................. 73 2.3.3. Kết quả lựa chọn thông số độ chênh lệch nhiệt độ độ dương hữu hiệu (TD(+)) và độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu (TD(-)) theo độ tin cậy (R) ......... 75 2.4. Kết luận chương 2 ....................................................................................... 75 v Chương 3: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO, KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ TRONG TẤM BÊ TÔNG VÀ LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ TÍNH TOÁN TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG THEO AASHTO ... 77 3.1.Cách xác định các thông số tính toán theo AASHTO. .................................. 77 3.1.1. Tổng trục xe tiêu chuẩn dự báo (ESAL s), W80 cho cả thời kỳ phục vụ, ở làn xe thiết kế ........................................................................................ 77 3.1.2.Độ tin cậy (R) ........................................................................................ 78 3.1.3. Độ lệch tiêu chuẩn toàn phần S0 ........................................................... 79 3.1.4. Độ tổn thất khả năng phục vụ thiết kế (  PSI) ..................................... 79 3.1.5. Tính mô đun phản lực nền hữu hiệu (trị số k). ..................................... 80 3.1.6.Tính Cường độ chịu kéo uốn (Mô đun phá hỏng) của bê tông xi măng poóc lăng (S’c.) ..................................................................................... 89 3.1.7. Tính Mô đun đàn hồi của bê tông, (Ec.)................................................ 90 3.1.8.Mô đun đàn hồi của lớp móng, (Eb.)...................................................... 90 3.1.9.Hệ số ma sát giữa tấm bê tông xi măng với móng (f) ............................ 92 3.1.10.Chiều dày của lớp móng (Hb) .............................................................. 93 3.1.11. Điều kiện chống đỡ của mép làn xe.(Như mục 1.2.1)......................... 93 3.2. Xác định các thông số tính toán chịu ảnh hưởng của khí hậu khu vực khi thiết kế tấm BTXM mặt đường theo AASHTO. ................................................. 93 3.2.1. Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu của tấm bê tông xi măng ....... 93 3.2.2. Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu của tấm bê tông xi măng ............ 94 3.3. Nghiên cứu lựa chọn hệ số thoát nước......................................................... 95 3.3.1. Nghiên cứu lựa chọn hệ số thoát nước (Cd) dùng trong trong tính toán độ kênh của tấm BTXM mặt đường.. ..................................................... 95 3.3.2. Kiến nghi lựa chọn hệ số thoát nước Cd cho khu vực miền Trung (Bảng 3.13) và một số cấu tạo thoát nước tham khảo (PL7-2) ..................... 101 3.4. Khảo sát độ chênh lệch nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường trạm Đà Nẵng (PL 6-1)................................................................................................... 102 3.4.1. Sự xuất hiện của các yếu tố: Nhiệt độ, vận tốc gió, lượng mưa trong năm và sự ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đó đến tính toán chênh lệch nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường ................................................... 102 3.4.2.Khảo sát sự chênh lệch nhiệt độ trong tấm BTXM mặt đường ô tô khu vực Miền Trung - TP Đà Nẵng (Mùa hè) .............................................. 105 vi 3.4.3. Kết quả giá trị ∆T (Độ chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của tấm BTXM) tính ra theo các nhóm công thức khác nhau và theo khảo sát:(Bảng 3.22) ............................................................................................. 112 3.5. Hệ số giãn nhiệt của bê tông xi măng và vấn đề bố trí khe giãn trong thiết kế mặt đường BTXM ............................................................................... 112 3.5.1. Hệ số giãn nhiệt của BTXM ............................................................... 112 3.5.2. Vấn đề bố trí khe giãn trong mặt đường BTXM ................................. 113 3.5.3. Thiết kế khe giãn ở một số nước ........................................................ 115 3.6. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 120 Chương 4: TÍNH TOÁN TẤM BTXM MẶT ĐƯỜNG TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU MIỀN TRUNG VIỆT NAM VỚI CÁC THÔNG SỐ LỰA CHỌN ... 122 4.1.Các thông số nghiên cứu lựa chọn cho khu vực miền Trung Việt Nam ...... 122 4.1.1.Các thông số dùng để tính toán chênh lệch nhiệt độ trong tấm bê tông xi măng mặt đường ............................................................................... 122 4.1.2.Hệ số thoát nước Cd dùng trong thiết kế mặt đường BTXM theo AASHTO...................................................................................................... 124 4.2.Tính toán tấm BTXM mặt đường với các thông số nghiên cứu lựa chọn của luận án........................................................................................................ 124 4.2.1.Tính toán mặt đường BTXM thông thường có khe nối theo tiêu chuẩn AASHTO (Có thể sử dụng phần mềm để tính) .............................................. 124 4.2.2. Kiểm tra lại kết cấu mặt đường ở trên (chiều dày tấm BTXM tính ra theo AASHTO là 27 cm) theo Quyết định số: 3230/QĐ-BGTVT, ngày 14 tháng 12 năm 2012 của Bộ trưởng Bộ GTVT ............................................... 128 4.3. Kết luận chương 4 ..................................................................................... 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 135 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ... 137 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................. 138 PHẦN PHỤ LỤC (ĐƯỢC ĐÓNG THÀNH MỘT CUỐN RIÊNG) vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Ý nghĩa 1 𝑎𝑡 Hệ số hồi quy 2 B Chiều rộng tấm bê tông 3 𝐵𝐿 Hệ số ứng suất nhiệt độ tổng hợp 4 𝑏𝑡 Hệ số hồi quy 5 𝐶𝐿 Hệ số ứng suất uốn vồng do gradien nhiệt độ gây ra trong tấm BTXM mặt đường. Cường độ chịu nén, psi (1 psi = 6,89 kPa). 6 CS 7 𝑐𝑡 Hệ số hồi quy 8 𝐶𝑋 Hệ số phụ thuộcL/l, 9 𝐶𝑌 Hệ số phụ thuộcB/l 10 D Chiều dày tấm BTXM (mm) 11 𝐷𝐷 Hệ số phân bố theo chiều, thay đổi từ 0,3 đến 0,7 phù hợp với khảosát ở hiện trường. 12 𝐷𝐿 Hệ số phân bố theo làn trên mặt cắt ngang 13 E Hệ số điều chỉnh tuỳ vào sự chống giữ ở mép tấm BTXM 14 𝐸𝑏 Mô đun đàn hồi của bê tông (daN/cm2) 15 𝐸𝐶 Mô đun đàn hồi của BTXM (MPa); 16 𝐸𝑡 Môđuyn đàn hồi của bê tông khi chịu tác dụng của sự chênh lệch nhiệt độ lâu dài (từ 6-9 giờ), thường lấy bằng 0,6.𝐸 𝑏 17 𝐸 𝑐ℎ𝑚 18 F Môđuyn đàn hồi chung trên mặt móng,(daN/cm2) Tỉ số giữa ứng suất của tấm khi hệ số ma sát giữa tấm và móng có trị số là f với ứng suất của tấm khi ma sát là hoàn toàn 19 f𝐶 Nhân tố ma sát giữa tấm và móng 20 f ′𝑐 Cường độ chịu nén của bê tông xi măng, MPa 21 H Chiều dày tấm BTXM (cm) 22 𝐻𝑏 23 ℎ𝐶 Chiều dày tấm BTXM (m); 24 I(ℓ) Bán kính độ cứng của tấm bê tông: Chiều dầy của lớp móng, mm. viii TT Ký hiệu Ý nghĩa 25 k Mô đun phản lực nền hữu hiệu (hệ số nền) 26 𝑘𝑔 Hệ số giảm cường độ bức xạ mặt trời do đặc điểm của bầu khí quyển. 27 𝐾𝑡 Hệ số ứng suất kéo uốn gây mỏi do nhiệt 28 L Chiều dài tấm bê tông (khoảng cách giữa hai khe co) 29 𝑃1 Chỉ số phục vụ ban đầu của áo đường cứng 30 𝑃2 Chỉ số phục vụ cuối cùng của áo đường cứng 31 r Bán kính độ cứng tương đối của tấm BTXM (m); 32 𝑆𝐶 Cường độ chịu kéo uốn của bê tông trong qui định thi công,MPa 33 Sr Độ bão hòa của đất dính 34 SDs Độ lệch tiêu chuẩn ước tính của cường độ chịu kéo uốn của bê tông, MPa; 35 𝑆 ′𝐶 36 𝑡 𝑏𝑚 Nhiệt độ bề mặt của mặt đường.(°C) 37 𝑡 𝑘𝑘 Nhiệt độ không khí (°C) 38 𝑡 𝑏𝑥 Nhiệt độ tương đương do bức xạ mặt trời đốt nóng thêm bề mặt Trị số cường độ chịu kéo uốn của bê tông (Mô đun phá hỏng) kPa. của mặt đường bê tông xi măng(°C) 39 𝑇𝑔 Gradien nhiệt độ lớn nhất.(°C/cm) 40 𝑊80 Số trục xe tải trọng tương đương trong suốt thời kỳ phục vụ của làn xe thiết kế. 41 ˆ W80 Tổng số trục xe tải trọng tương đương trong suốt thời kỳ phục vụ của mặt đường. 42 Z Độ lệch tiêu chuẩn từ bảng phân bố chuẩn tương ứng với độ tin cậy R. 43 α Hệ số giãn dài do nhiệt độ của bê tông 44 𝛼𝐶 Hệ số giãn nở nhiệtcủa BTXM 45 ∆PSI 46 ∆T 47 T 48 µ Trị số độ tổn thất khả năng phục vụ Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm bê tông (°C) Gradien nhiệt độ trong tấm BTXM.(°C/cm) Hệ số Poisson của bê tông. [0,20 đối với thử nghiệm đường của AASHO] [34]. ix TT Ký hiệu Ý nghĩa 49 σ𝑡 Ứng suất uốn vồng theo hướng dọc ở giữa tấm(daN/cm2) 50 σ𝑛 Ứng suất uốn vồng theo hướng ngang ở giữa tấm (daN/cm2) 51 σ𝑐 Ứng suất uốn vồng theo hướng dọc ở cạnh tấm (daN/cm2) 52 σ𝑙 Ứng suất kéo tại chính giữa tấm, chỉ do tác dụng của tải trọng 53  ′𝑡 Ứng suất kéo tại chính giữa tấm (kPa) do tác dụng của tải trọng và nhiệt độ, với các số liệu đầu vào để thiết kế mặt đường mới. 54  𝑡𝑟 Ứng suất kéo uốn do gradien nhiệt gây mỏi giữa cạnh dọc tấm BTXM 55  𝑡𝑚𝑎𝑥 Ứng suất kéo uốn lớn nhất do gradient nhiệt độ lớn nhất gây ra trong tấm BTXM 56 AASHO (American Association of State Highway Officials): Hội Cầu đường Mỹ 57 AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials): Hội Cầu đường và Giao thông Mỹ 58 BĐKH Biến đổi khí hậu 59 BTXM Bê tông xi măng 60 CPĐD 61 CBR Chỉ số chịu tải Califonia 62 CRCP Mặt đường Bê tông cốt thép liên tục 63 DCB Chỉ số xuyên động 64 ESALs Cấp phối đá dăm Tổng số trục xe tiêu chuẩn dự báo cho cả thời kỳ phục vụ trên làn xe thiết kế 65 IPCC Ủy ban Liên chính phủ về Thay đổi khí hậu 66 JPCP Mặt đường Bê tông xi măng thông thường có khe nối 67 JRCP Mặt đường Bê tông xi măng - cốt thép có khe nối 68 PL Phụ lục 69 PS PS: số lượng cho phép của mẫu, (%) . 70 PRECIP Lượng mưa trung bình năm, mm. 71 TEMP Nhiệt độ trung bình năm, oC. 72 TD(+) Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu, oC 73 TD(-) Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu, oC 74 WIND Tốc độ gió trung bình năm, km/h./. x DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1: Đường kính tối thiểu của thanh truyền lực ...............................................19 Bảng 1.2: Hệ số thoát nước Cd đã được điều chỉnh..................................................20 Bảng 2.1.Tọa độ của các trạm khí tượng chọn thu thập số liệu ................................34 Bảng 2.2. Các số liệu đặc trưng năm của nhiệt độ, gió và mưa trạm Đà Nẵng ........37 Bảng 2.3. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD (+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đà Nẵng ............................43 Bảng 2.4. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD (-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đà Nẵng ............................45 Bảng 2.5. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD (+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm TP Thanh Hóa ...................48 Bảng 2.6. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD (-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm TP Thanh Hóa ...................49 Bảng 2.7. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD (+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm TP Vinh .............................50 Bảng 2.8. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD (-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm TP Vinh .............................51 Bảng 2.9. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD (+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Kỳ Anh..............................52 Bảng 2.10. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Kỳ Anh..............................53 Bảng 2.11. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đồng Hới ..........................54 xi Bảng 2.12. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đồng Hới ..........................55 Bảng 2.13. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đông Hà ............................56 Bảng 2.14. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Đông Hà ............................57 Bảng 2.15. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Hương Thủy ......................58 Bảng 2.16. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Hương Thủy ......................59 Bảng 2.17. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Tam Kỳ .............................60 Bảng 2.18. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Tam Kỳ .............................61 Bảng 2.19. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Quảng Ngãi .......................62 Bảng 2.20. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Quảng Ngãi .......................63 Bảng 2.21. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Quy Nhơn .........................64 Bảng 2.22. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Quy Nhơn .........................65 Bảng 2.23. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Tuy Hòa ............................66 xii Bảng 2.24. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Tuy Hòa ............................67 Bảng 2.25. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Nha Trang .........................68 Bảng 2.26. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Nha Trang .........................69 Bảng 2.27. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Buôn Ma Thuột .................70 Bảng 2.28. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD(-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO cho trạm Buôn Ma Thuột .................71 Bảng 2.29. Giá trị khởi tạo của các thông số nhiệt độ trung bình năm, tốc độ gió trung bình năm và lượng mưa trung bình năm đưa vào tính toán TD(+) và TD(-)cho các trạm ................................................................................72 Bảng 2.30. Mức độ ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến TD(+) và TD(-) ..........73 Bảng 3.1: Thời kỳ phân tích của một số loại đường (theo AASHTO 1993) ............77 Bảng 3.2: Hệ số phân bố theo làn DL ........................................................................78 Bảng 3.3: Độ tin cậy (R) ...........................................................................................79 Bảng 3.4: Độ tổn thất khả năng phục vụ PSI..........................................................80 Bảng 3.5: Khoảng giá trị k nên dùng đối với các loại đất khác nhau 2) ....................84 Bảng 3.6: Các lớp móng trên được dùng trong kết cấu áo đường cứng ...................90 Bảng 3.7: Các lớp móng dưới dùng trong kết cấu áo đường cứng. ..........................91 Bảng 3.8: Mô đun đàn hồi và hệ số ma sát đối với các loại móng khác nhau ..........92 Bảng 3.9: Đánh giá để chọn giải pháp thiết kế thoát nước kết cấu áo đường cứng .97 Bảng 3.10: Giá trị Cd dùng cho mặt đường bê tông xi măng.[52]. ..........................98 Bảng 3.11: Thời gian thoát nước tương ứng với chất lượng thoát nước[21] ............99 Bảng 3.12: Chất lượng thoát nước -Trị số Cd và Hệ số nền k tương ứng [41] ........99 Bảng 3.13: Hệ số thoát nước Cd đã được điều chỉnh và kiến nghị cho khu vực miền Trung .............................................................................................101 Bảng 3.14: Số lần xuất hiện nhiệt độ lớn nhất trong các tháng trong năm của 36 năm ........................................................................................................102 xiii Bảng 3.15: Số lần xuất hiện vận tốc gió lớn nhất trong các tháng trong năm của 36 năm. ..................................................................................................103 Bảng 3.16: Số lần xuất hiện lượng mưa ngày lớn nhất trong các tháng của năm trong 36 năm ..........................................................................................103 Bảng 3.17: Số lần xuất hiện đồng thời các yếu tố Nhiệt độ, vận tốc gió và lượng mưa vào các tháng trong năm ................................................................104 Bảng 3.18: Số liệu khảo sát thu thập tương ứng với 3 ngày đo ..............................106 Bảng 3.19: Nhiệt độ không khí, nhiệt độ mặt đường và độ ẩm không khí .............107 Bảng 3.20: Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm BTXM mặt đường .....................................................................................................110 Bảng 3.21: Dao động nhiệt độ trong từng vị trí đo trong một ngày đêm ................110 Bảng 3.22: Các giá trị ∆T (oC) theo tính toán và khảo sát ......................................112 Bảng 3.23: Hệ số giãn nở nhiệt αc của BTXM theo 3230/QĐ -BGTVT ................112 Bảng 3.24: Trị số c của bê tông theo hướng dẫn AASHTO .................................113 Bảng 3.25. Chiều rộng khe giãn tương ứng với các hệ số giãn nhiệt của BTXM ..114 Bảng 4.1. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu TD(+) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO.........................................................122 Bảng 4.2. Bảng thiết lập thông số Độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu TD (-) (0C) tương ứng với độ tin cậy thiết kế R (%) trong thiết kế mặt đường BTXM theo hướng dẫn AASHTO.........................................................123 xiv DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1: Cấu tạo các lớp trong kết cấu mặt đường BTXM đường ôtô có giải phân cách .....................................................................................................7 Hình 1.2: Cấu tạo các lớp trong kết cấu mặt đường BTXM đường ôtô không có giải phân cách. .............................................................................................8 Hình 1.3: Hệ tọa độ khảo sát tấm BTXM mặt đường ...............................................10 Hình 1.4: Biến dạng uốn vồng tấm BTXM mặt đường ............................................11 Hình 1.5: Biến dạng uốn võng tấm BTXM mặt đường ............................................11 Hình 1.6: Biến dạng co-giãn tấm BTXM mặt đường ...............................................11 Hình 2.1.Sơ đồ phân tích tính toán ...........................................................................36 Hình 2.2.Mô hình xác định giá trị đặc trưng theo độ tin cậy ....................................37 Hình 2.3.Sơ đồ hàm phân phối nhiệt độ ....................................................................38 Hình 2.4.Sơ đồ hàm phân phối tốc độ gió .................................................................39 Hình 2.5. Sơ đồ hàm phân phối lượng mưa ..............................................................40 Hình 2.6. Sơ đồ hàm phân phối chiều dày tấm bê tông ............................................40 Hình 2.7. Kết quả mô phỏng TD(+)............................................................................42 Hình 2.8. Kết quả mô phỏng TD(-) ............................................................................43 Hình 2.9. Kết quả mô phỏng quan hệ TD(+)- R .........................................................44 Hình 2.10. Kết quả mô phỏng quan hệ TD(-)- R .......................................................46 Hình 2.11. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+) .........................46 Hình 2.12. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(-) ..........................47 Hình 2.13. Các thông số tính toán trạm Thanh Hóa .................................................48 Hình 2.14. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................48 Hình 2.15. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-)(phải)......49 Hình 2.16. Các thông số tính toán trạm TP Vinh ......................................................50 Hình 2.17. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................50 Hình 2.18. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) ..51 Hình 2.19. Các thông số tính toán trạm Kỳ Anh.......................................................52 Hình 2.20. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................52 Hình 2.21. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải).....53 Hình 2.22. Các thông số tính toán trạm Đồng Hới ...................................................54 Hình 2.23.Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) .............................54 xv Hình 2.24. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) ..55 Hình 2.25. Các thông số tính toán trạm Đông Hà .....................................................56 Hình 2.26. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................56 Hình 2.27. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải).....57 Hình 2.28. Các thông số tính toán trạm Hương Thủy ...............................................58 Hình 2.29.Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) .............................58 Hình 2.30. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) ..59 Hình 2.31. Các thông số tính toán trạm Tam Kỳ ......................................................60 Hình 2.32. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................60 Hình 2.33. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) .......61 Hình 2.34. Các thông số tính toán trạm Quảng Ngãi ................................................62 Hình 2.35. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................62 Hình 2.36. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) .......63 Hình 2.37. Các thông số tính toán trạm Quy Nhơn ..................................................64 Hình 2.38. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................64 Hình 2.39. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) ..65 Hình 2.40. Các thông số tính toán trạm Tuy Hòa .....................................................66 Hình 2.41. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................66 Hình 2.42. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) ..67 Hình 2.43. Các thông số tính toán trạm Nha Trang ..................................................68 Hình 2.44. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................68 Hình 2.45. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) ..69 Hình 2.46. Các thông số tính toán trạm Buôn Mê Thuột ..........................................70 Hình 2.47. Kết quả mô phỏng TD(+) (bên trái) &TD(-) (bên phải) ............................70 Hình 2.48. Mức độ ảnh hưởng của các thông số khí hậu đến TD(+)(trái) &TD(-) (phải) ..71 Hình 2.49. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu đến TD(+) .............................74 Hình 2.50. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu đến TD(-) ..............................74 Hình 3.1: Quan hệ giữa trị số k với độ bão hoà của đất dính....................................82 Hình 3.2: Quan hệ gần đúng giữa trị số k với CBR ..................................................85 Hình 3.3: Quan hệ gần đúng giữa trị số k với chỉ số xuyên động DCP ....................85 Hình 3.4: Hiệu chỉnh giá trị k do ảnh hưởng của lớp cứng và/hoặc của đất đắp ......87 Hình 3.5:Cấu tạo thoát nước ở mép mặt đường BTXM ...........................................97 xvi Hình 3.6: Số lần xuất hiện yếu tố nhiệt độ cao nhất của các tháng trong năm của 36 năm ......................................................................................................102 Hình 3.7: Số lần xuất hiện yếu tố vận tốc gió cao nhất của các tháng trong năm của 36 năm ...............................................................................................103 Hình 3.8: Số lần xuất hiện yếu tố lượng mưa cao nhất của các tháng trong năm của 36 năm ...............................................................................................104 Hình 3.9: Sự xuất hiện đồng thời của 3 yếu nhiệt độ, vận tốc gió và lượng mưa cao nhất của các tháng trong của 36 năm ................................................105 Hình 3.10: Sơ đồ khảo sát nhiệt trong tấm BTXM mặt đường ...............................105 Hình 3.11: Biến thiên nhiệt độ không khí và nhiệt độ mặt đường ở các độ sâu khác nhau. ................................................................................................108 Hình 3.12: Biến thiên nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí và nhiệt độ bề mặt đường. ......................................................................................................108 Hình 3.13: Biến thiên nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, nhiệt độ bề mặt đường và tốc độ gió. ................................................................................109 Hình 3.14: Biến thiên nhiệt độ không khí và nhiệt độ mặt đường ở mặt và đáy tấm bê tông. ..............................................................................................109 Hình 3.15:Biến thiên nhiệt độ không khí và nhiệt độ tại các vị trí đo cho tấm BTXM ......................................................................................................111 Hình 3.16 Biến thiên nhiệt độ không khí và nhiệt độ tại các vị trí đo cho tấm BTXM ......................................................................................................111 Hình 3.17.Cấu tạo khe giãn trong mặt đường BTXM ............................................113 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu tóm tắt luận án - Trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô việc lựa chọn một phương pháp tính toán kết cấu mặt đường hợp lý, khoa học sẽ thể hiện trình độ phát triển và mang ý nghĩa lớn về kinh tế. Kết cấu mặt đường là một bộ phận quan trọng và đắt tiền trong tổng thể công trình đường ô tô. Do đó việc lựa chọn và áp dụng các phương pháp thiết kế mặt đường tiên tiến, khoa học sẽ góp phần giải quyết được vấn đề thực tiễn đặt ra. Vì vậy hiện nay Việt Nam đang từng bước áp dụng các phương pháp thiết kế phổ biến của các nước, trong đó có phương pháp thiết kế mặt đường theo hướng dẫn AASHTO. Tuy nhiên để việc áp dụng tính toán sát với điều kiện thực tế Việt Nam, cần có những điều chỉnh hợp lý để áp dụng hướng dẫn thiết kế của AASHTO mang lại hiệu quả tốt. Cùng với các hướng dẫn thiết kế của AASHTO đã có [20], [21], [34], [41], công trình nghiên cứu trong luận án góp phần tiếp tục hoàn thiện các thông số đầu vào liên quan đến điều kiện khí hậu thời tiết khu vực, cụ thể là vấn đề nghiên cứu lựa chọn các thông số về nhiệt độ- lượng mưa- tốc độ gió của khu vực thiết kế, nhằm ứng dụng thiết lập độ chênh lệch nhiệt độ dương hữu hiệu và độ chênh lệch nhiệt độ âm hữu hiệu, lựa chọn hệ số thoát nước, bố trí khe giãnkhi thiết kế tấm bê tông xi măng mặt đường. - Nội dung luận án gồm 4 chương; phần mở đầu; kết luận và kiến nghị; ngoài ra còn có một quyển phụ lục đóng riêng. +/ Phần mở đầu. +/ Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. +/ Chương 2: Nghiên cứu các thông số về khí hậu khu vực miền Trung sử dụng trong thiết kế và khai thác mặt đường theo AASHTO. +/ Chương 3: Xác định các thông số đầu vào, khảo sát sự thay đổi nhiệt độ trong tấm bê tông và lựa chọn một số thông số tính toán tấm bê tông xi măng mặt đường theo AASHTO. +/ Chương 4: Tính toán tấm bê tông xi măng mặt đường trong điều kiện khí hậu miền Trung Việt Nam với các thông số lựa chọn. +/ Kết luận và kiến nghị. 2 +/ Quyển Phụ lục luận án: được đóng riêng, trong đó là Số liệu khí hậu thời tiết của 13 trạm thuộc 13 tỉnh thành khu vực miền Trung với chuỗi thời gian 1980 đến 2015, các đồ thị, bảng tra kết quả tính và lựa chọn các thông số về chênh lệch nhiệt độ tấm BTXM mặt đường, hệ số thoát nước, hệ số giãn nhiệt-bề rộng khe giãn trong thiết kế mặt đường BTXM, và các nội dung khác liên quan đến luận án. 2. Lý do chọn đề tài. [21], [35], [40], [47]. -Mặt đường là kết cấu quan trọng và đắt tiền nhất trong các hạng mục công trình đường ô tô. Chất lượng mặt đường có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng khai thác đường, đến điều kiện chạy xe an toàn, êm thuận và nhanh chóng. Chất lượng mặt đường ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành, đến niên hạn sử dụng đường. Miền trung Việt Nam với những đặc điểm về địa lý, địa hình và khí hậu thời tiết có nhiều bất lợi cho đường ô tô, mưa nhiều, lượng mưa lớn,lại phân bố không đều theo mùa, lũ lụt, úng ngập thường xảy ra, nhiệt độ vào mùa hè cao cùng với đó là địa hình dốc, dòng chảy mạnh…và vì thế gây bất lợi cho công trình đường ô tô, sau những trận mưa, lũ hoặc những đợt nắng nóng kéo dài mặt đường thường xuống cấp nhanh chóng, nên phải sửa chữa rất tốn kém. Ngoài ra kinh phí duy tu bảo dưỡng đường sá của ta rất eo hẹp, kỹ thuật duy tu bảo dưỡng lạc hậu, khiến mặt đường xuống cấp rất nhanh. Trong các loại mặt đường hiện nay đã và đang sử dụng thì mặt đường Bê tông xi măng (BTXM) có nhiều ưu điểm vượt trội đang đươc khuyến khích hoàn thiện và đưa vào áp dụng. Chế độ thủy nhiệt: - Trong những năm gần đây, hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng diễn ra rất mạnh mẽ trên toàn cầu. Đây là hiện tượng đã được các nhà khoa học xác định là có thực và theo đánh giá thì Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng này, mà đặc biệt hơn là khu vực miền trung. Dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu, nước biển dâng, thiên tai và các hiện tượng khí hậu cực đoan gia tăng, ảnh hưởng đến chế độ mưa, sự thay đổi nhiệt độ và tốc độ gió ở nước ta. Do vậy ảnh hưởng đến các thông số đầu vào như: mưa, nhiệt và gió sử dụng trong tính toán thiết kế mặt đường, làm cho việc ứng dụng các