Tài liệu Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả xác định một số thông số mặt đường bê tông xi măng sân bay bằng thiết bị gia tải động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Nguyễn Thị Ngân NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY BẰNG THIẾT BỊ GIA TẢI ĐỘNG Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã số: 9580205-2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Nguyễn Thị Ngân NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG SÂN BAY BẰNG THIẾT BỊ GIA TẢI ĐỘNG Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã số: 9580205-2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Hoàng Tùng 2. TS. Ngô Việt Đức Hà Nội – Năm 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 11 tháng 5 năm 2022. Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngân ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Tùng, TS. Ngô Việt Đức đã tận tình hướng dẫn nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học cho tác giả. Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH. Dương Học Hải, PGS.TS. Vũ Hoài Nam, PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc đã có những định hướng và hỗ trợ quan trọng về chuyên môn. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy Bộ môn Đường ô tô và đường đô thị trường Đại Học Xây dựng Hà Nội đã có nhiều giúp đỡ, góp ý xác đáng và quý báu cho tác giả trong quá trình hoàn thiện luận án; cảm ơn Khoa Cầu Đường, Khoa Đào tạo Sau đại học (nơi tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án) đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện luận án. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình đã hiểu thương, động viên và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Với lòng biết ơn sâu sắc, tác giả tin rằng, nếu thiếu đi sự hỗ trợ của bất kỳ một người nào trên đây thì tác giả sẽ không thể hoàn thành nghiên cứu này. Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngân iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................ii MỤC LỤC.......................................................................................................................................iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................................................................vi CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN............................................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................................... x DANH MỤC HÌNH VẼ..............................................................................................................xii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ......................................................................... 7 1.1. Mặt đường BTXM sân bay .................................................................................. 7 1.1.1. Phân loại .......................................................................................................... 7 1.1.2. Cấu tạo chung.................................................................................................. 8 1.2. Quá trình truyền nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt độ trong mặt đường BTXM .... 10 1.2.1. Các thông số nhiệt lý của vật liệu làm mặt đường ........................................ 10 1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mặt đường BTXM ............................................ 13 1.3. Đánh giá mặt đường BTXM sân bay bằng HWD ............................................. 15 1.3.1. Giới thiệu thiết bị gia tải động HWD ............................................................ 15 1.3.2. Các thông số của mặt đường BTXM đánh giá bằng HWD .......................... 19 1.4. Các nghiên cứu có liên quan ............................................................................. 23 1.4.1. Các nghiên cứu về truyềt nhiệt trong mặt đường BTXM ............................. 24 1.4.2. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số được đánh giá bằng HWD của tấm BTXM ..................................................................................... 28 1.5. Nhận xét chung về kết quả nghiên cứu tổng quan............................................. 39 CHƯƠNG 2. TỔNG HỢP CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHỤC VỤ HIỆU CHỈNH PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM BẰNG HWD ...................................................................................................................42 2.1. Phương trình truyền nhiệt trong mặt đường BTXM.......................................... 42 2.1.1. Dạng tổng quát của phương trình truyền nhiệt và các giả thuyết tương ứng 42 2.1.2. Một số phương pháp xác định phân bố nhiệt trong tấm BTXM ................... 43 iv 2.1.3. Lựa chọn phương pháp xác định biến thiên nhiệt độ trong tấm BTXM và các tham số cần hiệu chỉnh ............................................................................................. 51 2.1.4. Hiệu chỉnh một số thông số của phương trình truyền nhiệt .......................... 52 2.2. Xác định thông số của mặt đường BTXM từ kết quả đo HWD ........................ 56 2.2.1. Xác định PCN ............................................................................................... 56 2.2.2. Xác định LTE ................................................................................................ 64 2.2.3. Xác định các thông số thuộc nhóm thứ 2 ...................................................... 64 2.3. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 67 CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT BIẾN THIÊN NHIỆT ĐỘ VÀ XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM BẰNG THIẾT BỊ HWD ...........69 3.1. Thí nghiệm khảo sát nhiệt độ trong tấm BTXM ............................................... 69 3.1.1. Mục tiêu thí nghiệm ...................................................................................... 69 3.1.2. Quy hoạch thí nghiệm ................................................................................... 69 3.1.3. Thực hiện thí nghiệm .................................................................................... 72 3.1.4. Đánh giá về số liệu và độ tin cậy của thiết bị đo........................................... 74 3.1.5. Kết qủa thí nghiệm ........................................................................................ 74 3.2. Thí nghiệm đánh giá mặt đường BTXM sân bay bằng HWD........................... 78 3.2.1. Mục tiêu của thực nghiệm ............................................................................. 78 3.2.2. Quy hoạch thí nghiệm ................................................................................... 79 3.2.3. Thực hiện thí nghiệm .................................................................................... 86 3.2.4. Đánh giá về điều kiện và số liệu thí nghiệm HWD....................................... 87 3.2.5. Kết quả thí nghiệm ........................................................................................ 88 3.3. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 91 CHƯƠNG 4: HIỆU CHỈNH PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỚI THÔNG SỐ CỦA TẤM BTXM SÂN BAY XÁC ĐỊNH BẰNG HWD ..........................................................................................................92 4.1. Kiểm nghiệm lại quy luật biến thiên của nhiệt độ trong ngày........................... 92 4.1.1. Biến thiên nhiệt độ ........................................................................................ 92 4.1.2. Biến thiên chênh lệch nhiệt độ ...................................................................... 94 4.2. Xác định điều kiện biên và các tham số của phương trình truyền nhiệt theo kết quả đo đạc nhiệt độ .................................................................................................. 97 v 4.2.1. Nhiệt độ trung bình mặt đường trong ngày, ttbmặt:......................................... 97 4.2.2. Biên độ dao động nhiệt lớn nhất trong ngày, tnmax: ....................................... 97 4.2.3. Hệ số truyền nhiệt độ a ................................................................................. 97 4.2.4. Chiều sâu tắt biên độ dao động ngày đêm zmax ............................................. 97 4.2.5. Thiết lập điều kiện biên cho phương trình truyền nhiệt ................................ 98 4.2.6. Xác định thông số K trong phương trình truyền nhiệt .................................. 99 4.2.7. Đánh giá lại phương trình truyền nhiệt trong mặt đường BTXM đã hiệu chỉnh qua kết quả thí nghiệm ........................................................................................... 106 4.3. Xác định biến thiên nhiệt độ và các thông số trong tấm BTXM mặt đường sân bay110 4.3.1. Biến thiên nhiệt độ ...................................................................................... 110 4.3.2. Các thông số của mặt đường BTXM từ kết quả đo HWD .......................... 114 4.4. Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số của mặt đường BTXM sân bay..... 117 4.4.1. Xác định phạm vi phân tích ảnh hưởng giữa nhiệt độ và các thông số....... 117 4.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ võng ........................................................... 118 4.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả truyền lực khe nối (LTE) ................. 122 4.4.4. Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số tính toán thiết kế của mặt đường BTXM sân bay ............................................................................................ 123 4.4.5. Kiến nghị về thời điểm thích hợp và hiệu chỉnh kết quả đo HWD theo nhiệt độ .... 126 4.5. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 131 4.5.1. Đối với nội dung liên quan tới phương trình truyền nhiệt: ......................... 131 4.5.2. Về ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ tới các thông số mặt đường BTXM đánh giá bằng HWD ....................................................................................................... 132 KẾT LUẬN .................................................................................................................................134 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ..137 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................138 vi CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO Hiệp hội những người làm đường và vận tải Hoa Kỳ (American Association of State Highway and Transportation Officials) BTXM Bê tông xi măng CHC Cất hạ cánh FWD Phương pháp chùy rơi (Falling Weight Deflectometer) HPPE Màng chống thấm (Hight Polypropylenne) HWD High Weight Deflectometer ICAO Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (International Civil Aviation Organization) LTE Khả năng truyền lực NDT Thí nghiệm không phá hủy (Nondestructive Deflection Test) PCN Chỉ số phân loại mặt đường (Pavement Classification Number) TCN Tiêu chuẩn ngành TCXD Tiêu chuẩn xây dựng TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam CÁC KÝ HIỆU CƠ BẢN r Bán kính vệt bánh xe (inches) AREA Hệ số tính đổi từ độ võng xác định theo các đầu đo của FWD a Hệ số truyền nhiệt, (m2/h) B Độ cứng tiết diện tấm bê tông mặt đường (kN.m2/m) BL Hệ số ứng suất nhiệt độ tổng hợp b Bán kính vệt bánh máy bay C Nhiệt dung riêng cv Nhiệt dung riêng theo thể tích (calo/cm3.0C hoặc J/cm3.0C) cg Nhiệt dung riêng theo khối lượng (calo/g.0C hoặc J/g.0C) vii di Độ võng tại sensor thứ i dr * Hệ số độ võng không đơn vị của khoảng cách hướng tâm r Ebt Mô đun đàn hồi của tấm BTXM En Mô đun đàn hồi của đất nền móng Esug Mô đun đàn hồi lớp móng, (psi) Etd Mô đun đàn hồi tổng thể hệ kết cấu F Diện tích vùng chậu võng fr Cường độ kéo khi uốn của BTXM (MPa) h Chiều dày tấm K Thông số biểu thị phân bố trường nhiệt độ dừng, (oC/cm) Ki Hệ số điều chỉnh thực nghiệm k Mô đun phản lực nền kest Mô đun phản lực nền có được từ kết quả tính ngược theo phương pháp AREA kt Hệ số gây ứng suất kéo uốn gây mỏi nhiệt ku Hệ số tính đến số lần trùng phùng tải trọng LTEmes Hệ số truyền lực đo bằng FWD LTEpred Hệ số truyền lực dự báo LTED Hệ số truyền lực về mặt độ võng LTEs Hệ số truyền lực về mặt ứng suất l Bán kính độ cứng tương đối của hệ tấm BTXM lest Độ cứng tương đối của tấm từ kết quả tính ngược theo phương pháp AREA li Khoảng cách từ tâm tải trọng đến vị trí đầu đo n Số lần đo nhiệt trong ngày P Tải trọng tác dụng Q Nhiệt lượng (kCal) ! q Véc tơ mật độ dòng nhiệt viii R Hệ số hiệu chỉnh khả năng truyền tải Rbtb, Rbtb.ser cường độ tính toán của bê tông chịu kéo khi uốn (MPa) Rku Cường độ chịu kéo khi uốn Rs cường độ tính toán của cốt thép chịu kéo (MPa) R2 Hệ số tương quan Se Sai số chuẩn của ước tính Sy Độ lệch chuẩn T Thời gian Tg Gadien nhiệt độ lớn nhất tuỳ thuộc vùng xây dựng mặt đường BTXM, (oC/m) t Nhiệt độ tm Nhiệt độ bề mặt tmax Nhiệt độ lớn nhất tmin Nhiệt độ nhỏ nhất tnmax Biên độ dao động nhiệt độ lớn nhất trong ngày ttb.mat Nhiệt độ trung bình bề mặt tấm BTXM tL Nhiệt độ của lưu chất (chất lỏng hoặc khí), (oC) tT Nhiệt độ của vật thể, (oC) tz Nhiệt độ tại độ sâu z Thông số mặt Thông số mặt đường BTXM được đo đạc trực tiếp hoặc qua tính đường BTXM toán khi đánh giá bằng HWD y Modun đo lường động y’ Modun đo lường thuộc tính y Giá trị trung bình của modun đo lường động z Chiều sâu tấm BTXM V Thể tích v Số lượng biến độc lập trong mô hình W Tải trọng gây ra ứng suất sc (KG) ix zmax Chiều sâu tắt biên độ dao động ngày đêm α Hệ số cấp nhiệt ac Hệ số dãn nở một chiều của BTXM, (1/oC) b Hệ số nhiệt độ D loaded _ slab Độ võng của tấm chịu tải (µm) D unloaded _ slab Độ võng của tấm không chịu tải (µm) Dt Chênh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa mặt trên và mặt dưới tấm Dt * Chênh lệch nhiệt độ tính từ phương trình và thực tế Dt Gradien nhiệt độ lớn nhất tính trung bình cho 1cm bề dày tấm BTXM (oC/cm) g Hệ số Euler γc Hệ số điều kiện làm việc của mặt đường BTXM l Hệ số dẫn nhiệt, [W/moC] µ Hệ số poisson của nền r Khối lượng riêng sc ứng suất kéo uốn cho phép của bê tông (KG/cm2) s loaded _ slab Ứng suất trong tấm chịu tải (psi) s unloaded _ slab Ứng suất trong tấm không chịu tải (psi) s t max s tr Ứng suất kéo khi uốn gây mỏi do gradient nhiệt lớn nhất tại vị trí dễ bị phá hoại mặc định; (MPa) Ứng suất kéo khi uốn gây mỏi do tác dụng của nhiệt độ tại vị trí dễ bị phá hoại mặc định (MPa) x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Hệ số truyền nhiệt của một số vật liệu thường sử dụng ...........................12 Bảng 1.2. Các mã mặt đường để thông báo PCN .....................................................21 Bảng 1.3. Tham số của phương trình tương quan giữa nhiệt độ bề mặt tới độ võng tại góc và cạnh tấm [87] .................................................................................................35 Bảng 2.1. Số liệu về bức xạ mặt trời và nhiệt độ không khí [39][40][11] ................46 Bảng 2.2. Trị số tính toán hệ số truyền nhiệt của nền đất tại đài khí tượng Láng thay đổi theo tn.max [25] .....................................................................................................53 Bảng 2.3. Giá trị thông số K thay đổi theo từng tháng trong năm [24] ....................55 Bảng 2.4. Các hằng số dựa trên phương pháp AREA...............................................58 Bảng 2.5. Các phần mềm sử dụng trong công tác phân tích, đánh giá và thiết kế mặt đường ...................................................................................................................................59 Bảng 2.6. Số liệu đầu vào về dòng máy bay đang khai thác .....................................62 Bảng 2.7. Kết quả tính toán bằng COMFAA cho mặt đường BTXM sân bay .........63 Bảng 3.1. Tiêu chí phân loại chủ quan về mức độ phù hợp ......................................73 Bảng 3.2. Thời điểm và lý do loại bỏ số liệu bất thường ..........................................75 Bảng 3.3. Chuỗi số liệu đo đạc cho ngày 6/2/2021...................................................77 Bảng 3.4. Số liệu kết cấu mặt đường BTXM sân bay đưa vào thí nghiệm ...............82 Bảng 3.5. Hướng dẫn lựa chọn khoảng cách và vị trí thí nghiệm cho đường lăn và đường cất hạ cánh [44] ..............................................................................................83 Bảng 3.6. Hướng dẫn lựa chọn mật độ và vị trí thí nghiệm cho sân đỗ [44] ............84 Bảng 3.7. Kết quả đo độ võng và nhiệt độ bề mặt bằng HWD tại tâm tấm BTXM .88 Bảng 3.8. Kết quả đo độ võng và nhiệt độ bề mặt bằng HWD tại vị trí cạnh tấm BTXM ...90 Bảng 4.1. Chênh lệch nhiệt độ lớn nhất theo tháng ..................................................95 Bảng 4.2. Tần xuất suất hiện Dt lớn nhất trong tháng ...............................................95 xi Bảng 4.3. Kết quả tính K tại từng thời điểm đo và K trung bình ngày ở độ sâu 1.5cm của ngày 6/2/2021 ...................................................................................................100 Bảng 4.4. Kết quả tổng hợp K trung bình ngày và tính K trung bình tháng tại độ các độ sâu z = 1,5cm, 20cm và 40cm của tháng 2/2021. ..............................................102 Bảng 4.5. Ktb của các tháng trong năm theo số liệu nhiệt độ giữa tấm (z=20cm) ..104 Bảng 4.6. Ktb của các tháng trong năm theo số liệu nhiệt độ đáy tấm (z=40cm) ...104 Bảng 4.7. Kết quả xác định nhiệt độ trong tấm BTXM (trường hợp đo HWD tại giữa tấm)...110 Bảng 4.8. Kết quả xác định nhiệt độ trong tấm BTXM (trường hợp đo HWD tại cạnh tấm) .........................................................................................................................113 Bảng 4.9. Tổng hợp giá trị Mô đun đàn hồi tấm, Hệ số nền và PCN khi đo HWD tại giữa tấm...................................................................................................................114 Bảng 4.10. Tổng hợp giá trị Mô đun đàn hồi tấm, Hệ số nền, PCN và LTE khi đo HWD tại cạnh tấm...................................................................................................116 Bảng 4.11. Phạm vi xét ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và các thông số ................117 Bảng 4.12. Thời gian có thể thực hiện HWD tại tâm tấm trong từng tháng ...........127 Bảng 4.13. Biến thiên Dt trong từng ngày của tháng 9+10 .....................................128 Bảng 4.14. Hiệu chỉnh độ võng về điều kiện chuẩn ...............................................129 Bảng 4.15. Hiệu chỉnh các thông số làm việc về điều kiện chuẩn ..........................129 Bảng 4.16. Hiệu chỉnh thông số tính toán thiết kế về điều kiện chuẩn ...................130 xii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ phân tấm và bố trí khe mặt đường BTXM có khe nối ......................8 Hình 1.2. Các lớp kết cấu mặt đường BTXM .............................................................8 Hình 1.3. Cấu tạo khe mặt đường BTXM thông thường ..........................................10 Hình 1.4. Hiệu ứng chèn móc - aggregate interlock .................................................13 Hình 1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu ứng aggregate interlock và LTE ...........14 Hình 1.6. Ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ tới sự uốn vồng của BTXM ...................14 Hình 1.7. Độ vồng do chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm BTXM [57] .15 Hình 1.8. Quy ước về độ vồng của tấm BTXM do chênh lệch nhiệt độ...................15 Hình 1.9. Thiết bị gia tải động HWD ........................................................................16 Hình 1.10. Mô tả xung tải tạo ra bởi thiết bị HWD [40]...........................................18 Hình 1.11. Các đầu đo hướng tâm từ tấm nén [44] ...................................................18 Hình 1.12. Sơ đồ chậu võng và các lớp kết cấu áo đường dưới bàn ép ....................18 Hình 1.13. Chuyển vị và ứng suất tại cạnh tự do của tấm ........................................22 Hình 1.14. Sự tham gia chịu lực đồng thời của hai tấm cạnh nhau khi chịu tải trọng ... 22 Hình 1.15. Sơ đồ xác định LTE thông qua thiết bị FWD [64] ..................................23 Hình 1.16. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm BTXM theo giờ trong ngày ..........25 Hình 1.17. Nhiệt độ theo chiều sâu trong tấm BTXM [84] ......................................27 Hình 1.18. Nhiệt độ trong tấm bê tông xi măng sân bay [82][81] ............................28 Hình 1.19. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đo k của mặt đường BTXM bằng FWD [64]29 Hình 1.20. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đánh giá LTE .................................30 Hình 1.21. Ảnh hưởng của ∆" nhất tới LTE [64] .....................................................30 Hình 1.22. Thay đổi của độ võng theo mùa [66] ......................................................31 Hình 1.23. Sơ đồ đánh giá LTE bằng FWD cho mặt đường BTXM [62] ................32 Hình 1.24. Ảnh hưởng của gradien nhiệt độ (oC/mm) tới kết quả đo độ võng (µm) bằng FWD [62] .........................................................................................................32 Hình 1.25. Kết cấu thí nghiệm trong [61] .................................................................33 Hình 1.26. Quan hệ giữa độ võng và nhiệt độ bề mặt tấm BTXM [61] ...................34 Hình 1.27. Ảnh hưởng của gradien nhiệt độ theo chiều sâu tới đô võng tại cạnh tấm [61]....35 xiii Hình 1.28. Ảnh hưởng của gradien nhiệt độ tới độ võng lớn nhất tại góc tấm [61] .36 Hình 1.29. Ảnh hưởng của gradien nhiệt độ tới độ võng lớn nhất tại giữa tấm [61] 37 Hình 1.30. Ảnh hưởng của nhiệt độ và mùa tới độ võng tại góc tấm [52] ...............38 s Hình 2.1. Kết quả nghiên cứu về quy luật phân bố nhiệt độ theo chiều sâu tấm BTXM tại Mĩ [71][75][57] (h.S: giờ sáng, h.C: giờ chiều). .................................................42 Hình 2.2. Sự thay đổi nhiệt độ trong tấm BT ở các độ sâu khác nhau (các số trên đường cong chỉ độ sâu cm) .......................................................................................48 Hình 2.3. Sơ đồ lưới sai phân....................................................................................49 Hình 2.4. Thay đổi nhiệt ngày đêm theo chiều sâu lớp bê tông ................................50 Hình 2.5. Biến thiên nhiệt độ bề mặt và biên nhiệt độ theo thời gian ngày 9/9/2020..........52 Hình 2.6. Mô tả hệ số AREA ....................................................................................57 Hình 2.7. Giao diện của phần mềm COMFAA.........................................................61 Hình 2.8. Giao diện của phần mềm COMFAA khi khai báo số liệu đầu vào ...........62 Hình 3.1. Thiết bị thí nghiệm EXTECH SDL200 .....................................................70 Hình 3.2. Thiết bị đo nhiệt kiểu tiếp xúc JMZX-300L và thiết bị cầm tay UNI-T ...71 Hình 3.3. Sơ đồ bố trí đầu đo nhiệt ...........................................................................71 Hình 3.4. Các đầu đo của thiết bị EXTECH SDL200...............................................72 Hình 3.5. Bố trí đầu đo của thiết bị JMZX-300L ......................................................72 Hình 3.6. Chứng nhận kiểm định của hãng Sweco đối với thiết bị HWD đã sử dụng .. 81 Hình 3.7. Kết cấu mặt đường của của dải cất hạ cánh CHK Vân Đồn .....................82 Hình 3.8. Vị trí đo ở giữa tấm và cạnh tấm BTXM ..................................................84 Hình 3.9. Sơ đồ các tấm thí nghiệm ..........................................................................85 Hình 4.1. Biến thiên nhiệt độ tại các vị trí đo ngày 9/9/2020 theo thời gian ............93 Hình 4.2. Biến thiên nhiệt độ bề mặt tấm theo thời gian ngày 9/9/2020 ..................93 Hình 4.3. Biến thiên nhiệt độ đáy tấm theo thời gian ngày 9/9/2020 .......................94 Hình 4.4. Biến thiên chênh lệch nhiệt độ trong ngày ................................................94 Hình 4.5. Tương quan b trung bình tháng của nhiệt độ tại z=1.5cm – ttb mặt ............98 Hình 4.6. Tương quan b trung bình tháng của nhiệt độ giữa bề dày tấm – ttb mặt ......99 xiv Hình 4.7. Tương quan b trung bình tháng của nhiệt độ tại đáy tấm – ttb mặt ..............99 Hình 4.8. Thông số Ktb ngày tại độ sâu z=1.5cm theo các giá trị nhiệt độ trong cả năm..103 Hình 4.9. Thông số Ktb ngày tại độ sâu z=20cm theo các giá trị nhiệt độ trong cả năm ..103 Hình 4.10. Thông số Ktb ngày tại độ sâu z=40cm theo các giá trị nhiệt độ trong cả năm 104 Hình 4.11. Thống số Ktb tháng của các tháng trong năm tại các độ sâu khác nhau (z=20cm và z=40cm) ..............................................................................................105 Hình 4.12. Thống số Ktb tháng của các tháng trong năm tại các độ sâu khác nhau so với Ktb tháng trong [21] .........................................................................................105 Hình 4.13. Biến thiên nhiệt độ giữa bề dày tấm theo thời gian tháng 11/2020 theo (1.8) và số liệu thực tế .............................................................................................107 Hình 4.14. Biến thiên nhiệt độ đáy tấm theo thời gian tháng 11/2020 theo (1.8) và số liệu thực tế. ..............................................................................................................107 Hình 4.15. Biến thiên nhiệt độ đáy tấm theo thời gian tháng 11/2020 theo (2.16) và số liệu thực tế. .........................................................................................................108 Hình 4.16. Biến thiên nhiệt độ đáy tấm theo thời gian tháng 11/2020 theo (2.16) và số liệu thực tế. .........................................................................................................108 Hình 4.17. Biến thiên Dt* giữa tấm theo thời gian tháng 11/2020 .........................109 Hình 4.18. Biến thiên Dt* đáy tấm theo thời gian tháng 11/2020 ...........................109 Hình 4.19. Tương quan độ võng tại cạnh tấm và nhiệt độ bề mặt tấm ...................118 Hình 4.20. Tương quan độ võng tại tâm tấm và Dt .................................................119 Hình 4.21. Tương quan độ võng tại cạnh tấm và chênh nhiệt độ ...........................120 Hình 4.22. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ tới tiếp xúc đáy tấm (T1>T2) .......121 Hình 4.23. Tương quan chỉ số PCN và chênh nhiệt độ...........................................121 Hình 4.24. Tương quan LTE và nhiệt độ bề mặt tấm .............................................122 Hình 4.25. Tương quan LTE và chênh nhiệt độ .....................................................123 Hình 4.26. Tương quan chiều cao vùng chịu nén của bê tông và Dt ......................124 Hình 4.27. Tương quan mô men uốn giới hạn và Dt ...............................................124 Hình 4.28. Tương quan bán kính độ cứng tương đối của tấm - Dt .........................125 Hình 4.29. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ và ứng suất trong cốt thép chịu kéo .....126 -1- MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Thông qua thiết bị HWD và các phương pháp tính toán đi kèm, có thể xác định được các nhiều thông số cho mặt đường BTXM trong sân bay như độ võng, số phân cấp mặt đường PCN, hệ số truyền lực tại khe nối LTE, mô đun đàn hồi của tầng móng, … Trong đó, độ võng là thông số được đo đạc trực tiếp, các thông số còn lại có liên quan chặt chẽ và được tính toán từ độ võng thông qua các mô hình toán học, được hỗ trợ thêm bởi phần mềm chuyên dụng. Mặc dù thiết bị HWD đã được tiêu chuẩn và quốc tế hóa nhưng trên thực tế, kết quả đánh giá bằng thiết bị này chịu ảnh hưởng rất nhiều của yếu tố nhiệt độ, vì các lý do sau đây: - Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới, tấm BTXM bị uốn vồng (hình 0.1). Khi đó, đáy tấm sẽ không tiếp xúc tốt với bề mặt tầng móng, ảnh hưởng trực tiếp tới độ võng khi đo bằng HWD [32][33]. a. Nhiệt độ mặt trên cao hơn b. Nhiệt độ mặt dưới cao hơn Hình 0.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự uốn vồng của tấm BTXM - Khi nhiệt độ trong tấm BTXM tăng hoặc giảm, tấm bị dãn dài hoặc co ngót. Hiệu ứng chèn móc (aggregate interlock) tạo bởi ma sát giữa hai mặt bên của hai tấm liền kề sẽ bị ảnh hưởng. Cụ thể, nếu tấm bị dãn dài, hai tấm liền kề tiếp xúc với nhau nhiều hơn, hiệu ứng chèn móc tăng lên, cho phép hai tấm làm việc đồng thời tốt hơn. Khi đó, dưới tác dụng của tải trọng, độ võng tại mép tấm ở vị trí khe nối giảm, hệ số truyền lực qua khe nối (LTE) tăng lên. Ngược lại, tấm bị co ngót (do giảm nhiệt độ), độ võng tại mép tấm ở khe nối và LTE sẽ giảm theo [78][79]. -2- Tiếp xúc đáy tấm hoặc hiệu ứng chèn móc (aggregate interlock) là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới độ võng của tấm khi chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng nói chung, tải trọng của thiết bị đo HWD nói riêng. Như trình bày ở trên, yếu tố độ võng này là tham số quan trọng nhất liên quan tới kết quả đo của thí nghiệm HWD. Do vậy, việc nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả xác định các thông số của mặt đường BTXM sân bay bằng HWD là rất cần thiết. Kết quả nghiên cứu cho phép tìm ra các điều kiện “chuẩn” để thực hiện thí nghiệm HWD và hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm về các điều kiện cụ thể. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu được ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả xác định một số thông số của mặt đường BTXM sân bay bằng thiết bị HWD. Để đạt được mục đích đó, cần thực hiện được một số mục tiêu, nhiệm vụ cụ thể sau: - Tổng hợp được các lý thuyết liên quan tới phương trình truyền nhiệt và xác định thông số của mặt đường BTXM sân bay bằng thiết bị HWD PRIMAX 2500; - Bằng thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết, xây dựng xây dựng được phương trình truyền nhiệt theo chiều sâu của tấm BTXM (phương trình này cho phép khảo sát được nhiệt độ ở các điểm khác nhau dựa vào số liệu nhiệt độ ở một điểm bất kỳ theo chiều sâu tấm BTXM); - Dùng thiết bị HWD và các mô hình tính toán tương ứng xác định được các thông số của mặt đường BTXM ứng với nhiệt độ bề mặt tương ứng ở một số sân bay thực tế; từ nhiệt độ bề mặt, dùng phương trình truyền nhiệt xác định bổ sung nhiệt độ theo chiều sâu của tấm BTXM; - Thiết lập quan hệ giữa từng thông số với yếu tố nhiệt độ trong tấm BTXM ở thời điểm đo (yếu tố nhiệt độ ở đây có thể là nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ trung bình trong tấm hoặc chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới của tấm). Từ đó, đưa ra được nhận xét về ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số vừa nêu; -3- - Xác định được điều kiện đo chuẩn (theo nhiệt độ) khi thực hiện thí nghiệm HWD và đề xuất nội dung hiệu chỉnh số liệu đo từ điều kiện đo thực tế về điều kiện đo chuẩn đã kiến nghị; Trong quá trình thực nghiệm, sử dụng hai loại mẫu: - Mẫu được chế tạo tại hiện trường để phục vụ đo nhiệt độ; - Mẫu là tấm BTXM thuộc đường lăn, đường băng của các sân bay Vân Đồn, Nội Bài; 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính là mặt đường BTXM đang được sử dụng rộng rãi trong các sân bay [24][45] trong điều kiện khí hậu miền bắc. Để đánh giá chất lượng mặt đường này trong quá trình khai thác, phương pháp phổ biến nhất hiện nay, được ICAO chấp thuận và yêu cầu áp dụng là dùng thiết bị đo võng bằng quả nặng rơi HWD (Heavy Weight Deflectometer) hay còn gọi là thiết bị gia tải động. Ở Việt Nam, thiết bị đang được dùng rộng rãi là HWD PRIMAX 2500. Nhiệt độ được khảo sát bằng thiết bị EXTECH SDL200; độ võng và các chỉ tiêu đánh giá mặt đường bê tông xi măng sân bay được đo bằng thiết bị HWD Primax 2500 và tính toán, phân tích bằng các phần mềm phân tích hồi quy Minitab, phần mềm tính chỉ số PCN COMFAA [51][85][86]. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: phân tích, tổng hợp các lý thuyết về truyền nhiệt, phương pháp đánh giá mặt đường BTXM sân bay bằng HWD và các mô hình tính xác định các chỉ tiêu thông số của mặt đường BTXM sân bay từ kết quả HWD. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm hiện trường xác định trường nhiệt độ phân bố theo chiều sâu trong tâm BTXM ở điều kiện miền Bắc; thực nghiệm hiện trường đo độ võng bằng thiết bị HWD tại một số sân bay ở miền Bắc. - Phương pháp xác suất thống kê: sử dụng phần mềm Minitab nghiên cứu đề xuất một số thông số của quá trình biến thiên nhiệt độ trong tấm BTXM; nghiên cứu đánh giá mức độ hồi quy của số liệu thực nghiệm. -4- 5. Cơ sở khoa học của đề tài Các nghiên cứu hiện hành đều chỉ ra rằng có thể sử dụng lời giải của bài toán truyền nhiệt trong bán không gian vô hạn theo quy luật Fourier để tính trường nhiệt độ theo chiều sâu tấm [24][39][40]: ¶t ¶ 2t =a ¶T ¶z 2 (0.1) Trong đó: t là nhiệt độ; T là thời gian; z là toạ độ theo phương thẳng đứng; a là hệ số truyền nhiệt độ của vật liệu (m2/h). Nếu giải phương trình này với các điều kiện ban đầu (T=0) và các điều kiện biên (z=0 tại lớp mặt) hoặc (z=z tại điểm bất kỳ) ta sẽ được các lời giải khác nhau để xác định được nhiệt độ ở mỗi phân tố (mỗi điểm) trong BTXM, tức là xác định được trường nhiệt độ phân bố trong BTXM theo không gian (vị trí) và thời gian (thời điểm T) khác nhau. Đối với việc đánh giá mặt đường bằng HWD, phương pháp thí nghiệm và xác định độ võng đã được tiêu chuẩn hóa tại Việt Nam [44] cũng như trên thế giới (với lưu ý là chúng ta chưa xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đo). Từ độ võng, theo phương pháp AREA hay theo Westergaard, sẽ tính toán được các thông số còn lại [70][68]. Do vậy, việc xác định các thông số và yếu tố nhiệt độ có đủ cơ sở khoa học. Từ đó, kết quả khảo sát thông số bằng HWD và nhiệt độ tại thời điểm khảo sát có thể được tổng hợp, xử lý bằng công cụ toán học để tìm ra ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số như mục tiêu đã đề ra của luận án. 6. Đóng góp mới của luận án - Hoàn thiện được phương trình truyền nhiệt dựa trên nghiên cứu lý thuyết và chuỗi số liệu đo đạc thực tế liên tục trong 1 năm ở điều kiện môi trường thực tế; - Khảo sát được nhiều thông số của mặt đường BTXM ở một số sân bay bằng thiết bị HWD (trước đây chỉ khảo sát chủ yếu bằng FWD, với số lượng thông số hữu hạn, tập trung vào PCN);