BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
----------------------

CAO TIẾN QUÝ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG ÁP DỤNG CHO DỰ ÁN QUỐC LỘ 1
ĐOẠN TRÁNH THÀNH PHỐ PHỦ LÝ
VÀ ĐOẠN KM215+775-KM235+885 TỈNH HÀ NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
----------------------

CAO TIẾN QUÝ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG ÁP DỤNG CHO DỰ ÁN QUỐC LỘ 1
ĐOẠN TRÁNH THÀNH PHỐ PHỦ LÝ
VÀ ĐOẠN KM215+775-KM235+885 TỈNH HÀ NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ,
tạo điều kiện nhiệt tình và quý báu của nhiều cá nhân, tập thể.
Lời đầu tiên tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận
văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô trong trường Đại học
Giao thông Vận tải - Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt
thời gian theo học, thực hiện và hoàn thành luận văn, cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình
của bạn bè, người thân và các đồng nghiệp trong thời gian làm luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và
năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
được những đóng góp quí báu của quý thầy cô và các bạn.
Tác giả

Cao Tiến Quý


iii
MỤC LỤC

1.1.1. Khái niệm kết cấu áo đường mềm.................................................................................3
1.1.2. Giới thiệu điển hình kết cấu áo đường mềm.................................................................3
1.2.1. Sơ đồ bố trí các lớp trong kết cấu mặt đường bê tông nhựa.........................................4
1.2.2. Yêu cầu đối với kết cấu mặt đường bê tông nhựa.........................................................5
1.3.1. Phương pháp thiết kế theo 22TCN211-06......................................................................6
1.3.2. Phương pháp thiết kế theo 22TCN274-01......................................................................6
1.3.3. Phương pháp thiết kế theo AI (Asphalt Institute)..........................................................7
1.3.4. Phương pháp thiết kế theo cơ học thực nghiệm MEPDG..............................................8
1.4.1. Chương trình BISAR.....................................................................................................10

2.1.9. Bong bật......................................................................................................................43
2.1.10. Vết vá mặt đường/ Ổ gà............................................................................................44
2.1.11. Chảy nhựa.................................................................................................................45
2.2.1. Nguyên nhân do nhiệt độ không khí cao......................................................................46
2.2.2. Nguyên nhân do tải trọng xe và lưu lượng xe:.............................................................47
2.2.3. Nguyên nhân do công tác khảo sát thiết kế.................................................................48
2.2.4. Nguyên nhân do công tác thi công...............................................................................49
2.2.5. Nguyên nhân do tải trọng vượt quá của phương tiện.................................................50
2.3.1. Thiết kế kết cấu mặt đường:........................................................................................51
2.3.2. Lựa chọn lớp mặt đường BTN:....................................................................................52
2.3.3. Đảm bảo chất lượng thi công:.....................................................................................54
2.3.4. Quản lý khai thác đường hợp lý..................................................................................55
3.2.1. Môđun đàn hồi mặt đường cu.....................................................................................58
3.2.2. Khảo sát kết cấu mặt đường cu...................................................................................59
3.3.1. Nhiệt độ......................................................................................................................60
3.3.2. Độ ẩm..........................................................................................................................60
3.3.3. Mưa gió.......................................................................................................................60
3.4.1. Đất đắp........................................................................................................................61
3.4.2. Cát đắp........................................................................................................................61
3.4.3. Đá xây dựng.................................................................................................................61
3.5.1. Tải trọng xe chạy tính toán...........................................................................................62
3.5.2. Lưu lượng xe tính toán (Tn).........................................................................................62
3.6.1. Phân tích lựa chọn lớp mặt đường..............................................................................63
3.6.2. Phân tích lựa chọn lớp móng đường...........................................................................63
3.6.3. Phân tích lựa chọn lớp đáy áo đường..........................................................................64
3.7.1. Phân tích, xử lý số liêu nhiêt đô của các trạm khí tượng............................................64
3.7.2. Mô hình SHRP..............................................................................................................65
3.7.3. Mô hình LTPP...............................................................................................................65
3.7.4. Xác định mác nhựa PG từ các mô hình tính toán.........................................................66
3.7.5. Độ tin cậy thiết kế........................................................................................................66

Bảng 1.9: Các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế hỗn hợp...........................................................28
Bảng 2.1: So sánh nhựa đường thông thường và Multiphalte......................................53
Bảng 3.1: Môđun đàn hối mặt đường cũ bằng cần Benkelman.....................................59
Bảng 3.2: Khảo sát kết cấu mặt đường cũ....................................................................59
Bảng 3.3: Mô tả đất đắp...............................................................................................61
Bảng 3.4: Mô tả cát đắp...............................................................................................61
Bảng 3.5: Mỏ đá xây dựng...........................................................................................61
Bảng 3.6: Thành phần ô tô các loại trên đường QL1.....................................................62
Bảng 3.7: Trạm khí tượng nghiên cứu..........................................................................64
Bảng 3.8: Kết quả phân tích nhiệt độ các trạm khí tượng miền Bắc..............................64
Bảng 3.9: Kết quả tính toán mác nhựa PG theo SHRP và LTPP.......................................66
Bảng 3.10: Điều chỉnh mác nhựa theo điều kiện giao thông.........................................67
Bảng 3.11: Tính lưu lượng ESAL trong 20 năm..............................................................67
Bảng 3.12: Bảng tính lưu lượng trong 20 năm phục vụ kết cấu áo đường....................76
Bảng 3.13: Kết cấu mặt đường tuyến tránh..................................................................80
Bảng 3.14: Nhiệt độ trung bình tháng của khu vực Hà Nam..........................................80
Bảng 4.1 Kết quả phân tích thành phần hạt..................................................................94
Bảng 4.2 Thiết kế phối trộn hỗn hợp cốt liệu.................................................................94
Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý:.............................................................96
Bảng 4.4: Kết quả phối trộn cốt liệu – Giai đoạn thiết kế hoàn chỉnh.............................96


vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu mặt đường mềm............................................4
Hình 1.2: Trình tự thiết kế mặt đường mềm theo AI.......................................................8
Hình 1.3: Trình tự thiết kế theo MEPDG........................................................................10
Hình 1.4: Giao diện chính của EverStressFE version 1.0.................................................12
Hình 1.5: Giao diện chính của KENPAVE........................................................................13

Hình 2.10: ổ gà.............................................................................................................44
Hình 2.11: chảy nhựa....................................................................................................46
Hình 2.12: Quan hệ giữa nhiệt độ không khí với nhiệt độ các loại áo đường...............46
Hình 2.13: Mô hình tương tác nhiệt độ của kết cấu áo đường......................................47
Hình 2.14: Ảnh hưởng của tải trọng bánh xe đến lún vệt hằn bánh xe..........................48
Hình 2.15: Biểu đồ ứng suất cắt trượt theo chiều sâu...................................................50
Hình 2.16: Lún vệt bánh xe tại nút giao thông nơi có xe nặng lưu thông do lực ngang
phát sinh bởi điều kiện tăng, giảm tốc của xe nặng......................................................51
Hình 2.17: Điển hình hư hỏng lún vệt bánh xe nơi có xe nặng lưu thông do lớp móng
dưới hoặc nền đất........................................................................................................51
Hình 3.1: Sơ đồ khối phân tích kết cấu áo đường mềm.................................................57
Hình 3.2: Kết cấu mặt đường........................................................................................72
Hình 3.3: Phần mềm SW-1 thiết kế kết cấu áo đường...................................................79
Hình 3.4: Tải trọng bánh xe của trục đơn, bánh kép......................................................80
Hình 3.5: Mô hình bài toán DAMA................................................................................81
Hình 3.6: Điều kiện nhiệt độ..........................................................................................81
Hình 3.7: Điều kiện tải trọng.........................................................................................82
Hình 3.8: Điều kiện vật liệu lớp đất nền và hệ số của phương trình tính toán...............82
Hình 3.9: Điều kiện vật liệu lớp cấp phối đá dăm loại 1 gia cố 5% xi măng....................83
Hình 3.10: Điều kiện vật liệu lớp cấp phối đá dăm loại 2...............................................83
Hình 3.11: Điều kiện vật liệu lớp bê tông nhựa 12.5......................................................84
Hình 3.12: Điều kiện vật liệu lớp bê tông nhựa 19........................................................84
Hình 3.13: Kết quả phân tích kết cấu làm mới...............................................................85
Hình 4.1: Sơ đồ về các lỗ rỗng và thành phần hỗn hợp BTN đầm chặt...........................92
Hình 4.2: Đường cong cấp phối hỗn hợp giai đoạn thiết kế hoàn chỉnh.........................97


ix
CÁC THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA
Bê tông nhựa nóng (Hot mix asphalt-HMA)

Cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu (Maximum size of aggregate)
Cỡ sàng nhỏ nhất mà lượng lọt qua cỡ sàng đó là 100%.
Cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu (Nominal maximum size of
aggregate)
Cỡ sàng lớn nhất mà lượng sót riêng biệt trên cỡ sàng đó không lớn hơn 10%.
Cốt liệu thô (Coarse aggregate)
Cốt liệu hầu hết có kích cỡ nằm trên sàng 4,75 mm. Còn được gọi là đá dăm.
Cốt liệu mịn (Fine aggregate)
Cốt liệu có kích cỡ lọt qua sàng 4,75 mm và hầu hết nằm trên sàng 0,075
mm. Còn được gọi là cát. Là sản phẩm khoáng thiên nhiên (cát tự nhiên) hoặc sản
phẩm nghiền từ đá tảng (cát xay).
Bột khoáng (Mineral filler)
Sản phẩm được nghiền mịn từ đá các bô nát (đá vôi can xit, đolomit ...), từ xỉ
bazơ của lò luyện kim hoặc là xi măng, có ít nhất 70% lọt qua sàng 0,075 mm.
Hàm lượng bitum (Bitumen content)
Lượng bitum trong hỗn hợp BTN. Có hai cách biểu thị hàm lượng bitum,
hoặc tính theo phần trăm của tổng khối lượng hỗn hợp BTN (cốt liệu thô, cốt liệu
mịn, bột khoáng, bitum), hoặc tính theo phần trăm tổng khối lượng cốt liệu (cốt liệu
thô, cốt liệu mịn, bột khoáng).
Cách biểu thị hàm lượng bitum theo phần trăm của tổng hỗn hợp BTN, ký
hiệu là Pb, được áp dụng phổ biến trên thế giới và được sử dụng trong Luận văn này.
Hàm lượng bitum tối ưu (Optimum Nhựa content)
Hàm lượng bitum được xác định khi thiết kế BTN, tương ứng với một tỷ lệ
phối trộn cốt liệu đã chọn và thỏa mãn nhất tất cả các yêu cầu kỹ thuật quy định với
cốt liệu và BTN được chỉ ra tại Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu Bê tông Nhựa đó.
Hàm lượng bitum hấp phụ (Absorbed Nhựa Content)
Lượng bitum bị cốt liệu hấp phụ vào trong các lỗ rỗng ở bề mặt hạt cốt liệu,
được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm khối lượng của hỗn hợp cốt liệu; ký hiệu là Pba.
Hàm lượng bitum có hiệu (Effective Nhựa content)
Hàm lượng bitum có hiệu của hỗn hợp BTN được tính bằng lượng bitum có

một nhiệt độ xác định.
Tỷ trọng khối (bão hòa-khô bề mặt)(Bulk Specific Gravity-saturated
surface-dry)
Là tỷ lệ giữa khối lượng cân trong không khí (sau khi ngâm bão hòa và làm
khô bề mặt) của một đơn vị thể tích cốt liệu (bao gồm cả thể tích của các lỗ rỗng


xii
trên bề mặt hạt cốt liệu) chia cho khối lượng cân trong không khí của một thể tích
nước cất tương đương ở cùng một nhiệt độ xác định.
Tỷ trọng biểu kiến (Apperent Specific Gravity)
Là tỷ lệ giữa khối lượng cân trong không khí (sau khi sấy khô) của một đơn
vị thể tích cốt liệu (không bao gồm thể tích của các lỗ rỗng trên bề mặt hạt cốt liệu)
chia cho khối lượng cân trong không khí của một thể tích nước cất tương đương ở
cùng một nhiệt độ xác định.
Độ hấp phụ nước (Absorption)
Là sự tăng khối lượng cốt liệu do nước thấm vào trong các lỗ rỗng trên bề
mặt hạt cốt liệu. Độ hấp phụ nước được biểu thị bằng % khối lượng cốt liệu khô.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Mặt đường nhựa ở nước ta được dùng phổ biến trên mọi loại đường, trên các
con đường quan trọng thì mặt đường nhựa là giải pháp duy nhất, độc tôn. Chất
lượng mặt đường nhựa vì vậy đóng vai trò đặc biệt quan trọng, có ý nghĩa kinh tế
kỹ thuật rất lớn đối với ngành Giao thông Vận tải và đối với đất nước. Hiện tượng
hư hỏng mặt đường nhựa hàng loạt mỗi khi có sự thay đổi đột biến về tải trọng xe,
lưu lượng xe, khí hậu, thời tiết diễn ra ở mọi quốc gia, và ở nước ta thì trầm trọng
hơn.

4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề ra được các giải pháp thiết kế kết cấu mặt đường hợp lý trong điều kiện thực
tế, đảm bảo mặt đường được bền vững và êm thuận, thiết kế kết cấu áo đường theo TCN
211-06 [3] và AASHTO 274-01 [1], tính tuổi thọ áo đường theo AI DAMA để đưa ra
đánh giá phân tích kết cấu áo đường hợp lý.
5. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở các nghiên cứu đánh giá các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường
trên thế giới, phương pháp thiết kế kết cấu áo đường theo 211-06 [3] và bước đầu kiến
nghị định hướng áp dụng tuyến Quốc lộ 1 đoạn tránh thành phố Phủ Lý và trên QL1 cũ.
Phân tích điều kiện từng khu vực để đưa ra những giải pháp thiết kế mặt đường
hợp lý nhất.
Đánh giá tình trạng mặt đường từ đó đưa ra những giải pháp thiết kế phù hợp.
6. Kết cấu của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn kết
cấu gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm
và thiết kế thành phần hỗn hợp BTN.
Chương 2: Phân tích nguyên nhân phá hoại kết cấu mặt đường BTN và giải
pháp khắc phục.
Chương 3: Nghiên cứu đề xuất kết cấu áo đường mềm hợp lý áp dụng cho
dự án Quốc lộ 1 đoạn tránh thành phố Phủ Lý và đoạn Km215+775-Km235+885
tỉnh Hà Nam.
Chương 4: Nghiên cứu thiết kế thành phần hỗn hợp BTN áp dụng cho dự án
Quốc lộ 1 đoạn tránh thành phố Phủ Lý và đoạn Km215+775-Km235+885 tỉnh Hà
Nam.


3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU

4
III chỉ có một lớp bê tông nhựa dày 5- 7 cm trên các lớp móng cấp phối, qua quá
trình đưa vào khai thác thấy rằng số đường quốc lộ chỉ có một lớp mặt bê tông nhựa
hư hỏng nhiều, thậm chí vừa mới đưa vào sử dụng như QL6, QL48.
1.2. Cấu tạo kết cấu áo đường mềm
1.2.1. Sơ đồ bố trí các lớp trong kết cấu mặt đường bê tông nhựa
Kết cấu mặt đường bê tông nhựa (hay kết cấu mặt đường mềm) gồm có tầng
mặt lằm bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có trộn nhựa hay tưới nhựa
đường và tầng móng làm bằng các loại vật liệu khác nhau đặt trực tiếp trên khu vực
tác dụng của nền đường hoặc trên lớp đáy móng.
Tầng mặt áo đường mềm cấp cao có thể có nhiều lớp gồm lớp tạo nhám, tạo
phẳng hoặc lớp bảo vệ, lớp hao mòn ở trên cùng (đây là các lớp không tính vào bề
dày chịu lực của kết cấu mà là các lớp có chức năng hạn chế các tác dụng phá hoại
bề mặt và trực tiếp tạo ra chất lượng bề mặt phù hợp với yêu cầu khai thác đường)
rồi đến lớp mặt trên và lớp mặt dưới là các lớp chịu lực quan trọng tham gia vào
việc hình thành cường độ của kết cấu áo đường mềm.
Tầng móng cũng thường gồm lớp móng trên và lớp móng dưới (các lớp này

Lí p ®¸ y mãng (C apping layer)

(KÕt cÊu tæng thÓ nÒn mÆt ® êng)

Lí p mãng d í i (Sub-base)

KÕt cÊu nÒn ¸ o ® êng

Lí p mãng trª n (Base)

(Pavement structure)


suất sẽ giảm đến một mức độ đất nền đường có thể chịu được mà không tạo nên
biến dạng thẳng đứng hoặc biến dạng trượt quá lớn.
Vật liệu lớp móng có thể dùng loại rời rạc nhưng phải đảm bảo có độ cứng
nhất định. Có thể bố trí các lớp vật liệu có cường độ giảm dần theo chiều sâu, phù
hợp với biểu đồ phân bố ứng suất do tải trọng bánh xe truyền xuống nền mặt đường.
Như vậy, có thể tận dụng được vật liệu địa phương để giảm giá thành xây dựng.
1.2.1.3 Lớp đáy áo đường
Lớp đáy áo đường có các chức năng sau: tạo được một lòng đường chịu lực
đồng nhất, sức chịu tải tốt; ngăn chặn ẩm thấm từ trên xuống nền đất và từ dưới lên
móng áo đường; tạo "hiệu ứng đe" để bảo đảm chất lượng đầm nén các lớp móng
phía trên; tạo điều kiện cho xe máy đi lại trong quá trình thi công áo đường không
gây hư hại nền đất phía dưới.
1.2.1.4 Móng nền đất
Móng nền đất cũng là một bộ phận của kết cấu áo đường, gọi là kết cấu tổng
thể nền mặt đường. Kết cấu tổng thể nền mặt đường gồm kết cấu mặt đường ở trên
và phần khu vực tác dụng của nền đường ở dưới. Thiết kế tổng thể nền mặt đường
có nghĩa là ngoài việc chú trọng các giải pháp thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường còn
phải chú trọng đến các giải pháp nhằm tăng cường độ và độ ổn định cường độ đối
với khu vực tác dụng của nền đường.
1.2.2. Yêu cầu đối với kết cấu mặt đường bê tông nhựa
Trong suốt thời hạn thiết kế quy định, mặt đường mềm phải có đủ cường độ
và duy trì được cường độ để hạn chế được tối đa các trường hợp phá hoại của xe cộ


6
và các yếu tố môi trường tự nhiên. Cụ thể là hạn chế được các hiện tượng tích lũy
biến dạng dẫn đến tạo vệt bánh xe trên mặt đường, hạn chế phát sinh hiện tương nứt
nẻ hạn chế bào mòn và bong tróc bề mặt, hạn chế được các nguồn ẩm xâm nhập vào
các lớp kết cấu và phần trên của nền đường trong phạm vi khu vực tác dụng, hoặc
phải đảm bảo lượng nước xâm nhập vào được thoát ra một cách nhanh nhất.

Bảng 1.1: Hệ số tải trọng tương đương khuyến cáo
Loại xe
Xe con
Ô tô buýt
Xe tải đơn
- Xe hai trục, 4 bánh
- Xe hai trục, 6 bánh
- Xe ba trục và lớn
hơn
Tổng
cho xe đơn
Sơ mi mooc kéo
theo
< 4 trục
= 5 trục
≥ 6 trục
Chung cho các xe có
mooc
Chung cho các xe
tải

Hệ số tải trọng tương

Hệ số tải trọng tương đương

đương (đường quốc lộ)
0.001
0.56

(các đường chính khác)


0.42

1.3.3. Phương pháp thiết kế theo AI (Asphalt Institute)
Trình tự các bước thiết kế theo AI như Hình 1.2


8

Hình 1.2: Trình tự thiết kế mặt đường mềm theo AI
1. Phương pháp AI dựa trên lời giải của bài toán bán không gian vô hạn đàn
hồi nhiều lớp với 2 trạng thái giới hạn là lún vệt bánh của toàn kết cấu và điều kiện
mỏi trong các lớp bê tông nhựa. Phương pháp đủ đơn giản, rõ ràng và dễ áp dụng ở
Việt Nam. Mô hình bài toán cũng được sử dụng trong tiêu chuẩn 22TCN211-06 [3];
2. Phương pháp AI dựa trên hệ thống thí nghiệm hiện đại của ASTM và
AASHTO phù hợp với xu hướng phát triển chung của ngành GTVT Việt Nam;
3. Phương pháp cũng chưa tính được biến dạng không hồi phục của các lớp
bê tông nhựa mà chỉ chọn loại nhựa theo cấu tạo phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ
không khí, nhiệt độ mặt đường khu vực xây dựng;
4. Để áp dụng được phương pháp AI ở Việt Nam cần nhiều thời gian và kinh
phí, để sử dụng được cần có những nghiên cứu nhằm “địa phương hóa các thông số
đầu vào” và hiệu chỉnh các hệ số với điều kiện Việt Nam.
1.3.4. Phương pháp thiết kế theo cơ học thực nghiệm MEPDG
1. Thiết kế cấu tạo một kết cấu ban đầu bao gồm: số lớp vật liệu, loại và


9
chiều dày mỗi lớp, phù hợp với những điều kiện cụ thể như: Đất nền, đặc trưng
vật liệu, tải trọng, khí hậu, điều kiện thi công, …
2. Đưa ra các thông số trạng thái giới hạn (các đặc trưng hư hỏng), đặc