ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN XUÂN THỌ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG
XE CHẠYĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC TRONG KẾT CẤU
ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI
TUYẾN TÍNH BURMISTER

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông
Mã số: 60.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. NGUYỄN HỒNG HẢI
2. TS. NGUYỄN MAI LÂN

Phản biện 1: PGS.TS. PHAN CAO THỌ
Phản biện 2: TS. NGUYỄN VĂN THÁI

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông họp tại
Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 12 tháng 8 năm 2017

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu phân bố ứng suất, biến dạng trong kết
cấu mặt đường mềm nhiều lớp chịu tác dụng của tải trọng
bánh xe có áp lực phân bố đều trên diện tích vệt bánh xe
có dạng hình tròn.


3
Trạng thái ứng suất, biến dạng trong các lớp vật
liệu được xác định theo mô hình đàn hồi tuyến tính của
Burmister bằng phần mềm phân tích Alizé được phát triển
bởi Trung tâm thí nghiệm cầu đường Pháp (LCPC).
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Tải trọng xe chạy trên đường được giả định là tải
trọng tĩnh.Áp lực bánh xe nghiên cứu lớn hơn 0,6Mpa.
Kết cấu áo đường gồm 2 đến 3 lớp, được xem là hệ
biến dạng tuyến tính, mỗi lớp vật liệu có trị số mô đun đàn
hồi Ei và hệ số Poisson i.
4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tính toán.
Phương pháp khảo sát, thu thập thông tin từ số liệu cân tải
trọng xe để lựa chọn, đề xuất tải trọng phân tích. Phương
pháp so sánh giữa lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn thiết
kế 22TCN211-06 [1] và phương pháp tiếp cận của luận
văn.
5. Kết cấu luận văn
Phần Mở đầu
Chương 1: Đặc điểm làm việc của kết cấu áo
đường mềm dưới tác dụng của tải trọng xe chạy.

1.2. ĐẶC ĐIỂM TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE
CHẠY LÊN MẶT ĐƯỜNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA
TẢI TRỌNG XE CHẠY ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC
CỦA NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG
1.2.1. Tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường
mềm
Tác dụng của tải trọng xe chạy lên kết cấu nền mặt
đường thông qua tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường.


5
Tải trọng tác dụng lên mặt đường là tải trọng động, tức
thời và có tính chất trùng phục. Độ lớn của tải trọng tác
dụng lên mặt đường phụ thuộc vào tải trọng trục xe, diện
tích tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường, cấu tạo hình
dạng và kích thước lốp xe.
1.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến cơ chế làm
việc của nền đất và vật liệu áo đường
Dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, trong các lớp kết
cấu áo đường và nền đất phát sinh các ứng suất và biến
dạng.
1.2.3. Hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm và
nguyên lý tính toán cường độ áo đường mềm
Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe, ngay dưới mặt
tiếp xúc của bánh xe với lớp mặt của kết cấu áo đường sẽ
bị nén, xung quanh phạm vị tiếp xúc phát sinh ứng suất
cắt. Trên mặt đường cong xung quanh chỗ tiếp xúc các
đường nứt hướng tâm, vật liệu thường được đẩy trồi lên,
mặt đường thường bị nứt vỡ trên bề mặt. Tại vị trí đáy kết
cấu áo đường, ngay bên dưới bánh xe sẽ bị nứt do ứng

nền đất và sử dụng các giả thuyết đơn giản hóa của
Navier: (1) mặt phẳng trung bình trùng với trục trung hòa;
(2) các mặt cắt ngang vẫn giữ nguyên trạng thái phẳng
trong suốt quá trình biến dạng; (3) bỏ qua ứng suất theo
phương ngang.
1.4.3. Mô hình đàn hồi tuyến tính nhiều lớp Burmister
(1943)
Để giải bài toán hệ đàn hồi tuyến tính nhiều lớp,
Burmister đã sử dụng các giả thuyết:


7
- Mỗi lớp vật liệu là đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi
tuyến tính với cùng một môđuyn E và hệ số Poisson ν.
- Mỗi lớp có chiều dày hữu hạn, ngoại trừ lớp cuối
cùng (nền đất) có chiều dày vô hạn.
- Áp lực do tải trọng xe chạy tác dụng trên bề mặt trên
một diện tích hình tròn.
- Tại mặt phân cách giữa các lớp, điều kiện liên tục
hoặc không liên tục có thể được xét đến;
- Tác dụng của tải trọng phức tạp có thể sử dụng quy
tắc cộng tác dụng cho từng trường hợp tải trọng riêng lẻ.
1.5. ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU
ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI
TRỌNG XE CHẠY THEO MÔ HÌNH ĐÀN HỒI
TUYẾN TÍNH NHIỀU LỚP BURMISTER
1.5.1. Mô hình tính toán và các giả thuyết
Như đã trình bày ở mục 1.4.3 về các giả thiết và mô
hình đàn hồi tuyến tính nhiều lớp Burmister. Trong mô
hình này, các lớp được xem là vật liệu rắn đàn hồi, đẳng

CHƯƠNG 2. PHÂN LOẠI XE VÀ ĐỀ XUẤT TẢI
TRỌNG TÍNH TOÁN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT
CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM
2.1. PHÂN LOẠI XE VÀ PHƯƠNG PHÁP QUI ĐỔI
TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯỜNG VỀ TẢI TRỌNG
TRỤC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO
ĐƯỜNG MỀM
2.1.1. Phân loại xe trên đường
2.2.1.1. Theo Hiệp hội quản lý đường cao tốc Hoa Kỳ
(FHWA)
Chia làm 13 loại như Hình 2.1. Trong đó định nghĩa
mỗi loại xe.


10

Hình 2. 1.Phân loại xe theo FHWA [9]


11

2.2.1.2. Theo tiêu chuẩn Australia (AUSTROADS)
Chia làm 4 nhóm, 12 loại dựa trên 3 thông số: chiều dài
xe, cấu tạo số trục, cụm trục và hình dạng xe (Bảng 2.2), cụ
thể như sau:
- Xe con, tải nhẹ (Loại 1, 2): thân liền 2 trục, chiều dài
tối đa 5,5m;
- Xe Bus, xe tải trung (Loại 3 đến 5); xe thân liền từ 24 trục, chiều dài từ 5,5 – 14,5m;
- Xe Bus, xe tải hạng nặng (Loại 6 đến 9): xe khách
thân liền và xe đầu kéo kéo rơ moóc từ 3- 6 trục, chiều dài

(QL) 1, QL5 và QL20 (Hình 2.2a), tác giả đã chỉ ra rằng
trong tổng số 19.912 xe được cân xác định tải trọng trục có
khoảng 18% trục có tải trọng vượt quá giới hạn cho phép là
10T (Hình 2.2b).

a) Vị trí khảo sát
b) Kết quả phân tích tải trọng trục
Hình 2. 2. Kết quả khảo sát cân động xác định tải trọng trục
trên 1 số tuyến QL [4]
2.2.2. Kết quả khảo sát thực tế tại trạm thu phí Bắc Hải
Vân (Km892+332 Quốc lộ 1)
Để phục vụ cho việc phân loại xe và phân loại chi tiết
cấu hình trục, tác giả đã tiến hành khảo sát và phân loại xe


13
tại trạm thu phí Bắc Hải Vân, Km892+332 Quốc lộ 1. Thời
gian khảo sát từ 7h đến 17h ngày 27/02/2017. Các thông tin
khảo sát bao gồm số lượng xe, số trục xe, loại xe, tải trọng
từng xe qua trạm, các xe được phân loại tổng hợp theo giờ.
Kết luận: Dựa trên tỷ lệ phân bố của từng loại xe và
phân bố tổng tải trọng mỗi loại trong thành phần dòng xe
thực tế khảo sát, có thể nhận thấy ngoài xe con 4, 7 chỗ
chiếm tỷ lệ lớn nhất trong thành phần dòng xe (31%) và
thành phần xe tải nhẹ, xe buýt loại nhỏ có tổng tải trọng
nhỏ hơn tổng tải trọng qui định. Ngoài xe tải thân liền 4
trục (xe loại 3) chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong thành phần dòng
xe (0,63%), các loại xe tải còn lại đều có tổng trọng lượng
xe vượt quá tổng trọng lượng cho phép. Đây cũng chính là
thành phần xe có ảnh hưởng lớn nhất đến tác dụng phá hoại

tế trên đường.


15

CHƯƠNG 3. SỬ DỤNG PHẦN MỀM ALIZÉ-LCPC
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG XE
CHẠY ĐẾN ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG MỀM VÀ ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO
MẶT ĐƯỜNG DỰ ÁN CAO TỐC ĐÀ NẴNG QUẢNG NGÃI
3.1. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ALIZE-LCPC
Alizé-LCPC là phần mềm tính toán thiết kế kết cấu mặt
đường được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường
Paris (LCPC) và Uỷ ban nghiên cứu kỹ thuật đường bộ và
đường cao tốc Pháp (SETRA) dựa trên mô hình lý thuyết
đàn hồi lớp Burmister.
3.2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG VÀ
TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN
3.2.1. Mô hình và thông số tính toán kết cấu áo đường
Để nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng đến ứng xử cơ
học của kết cấu áo đường, luận văn chọn kết cấu mặt
đường thiết kế cho dự án Cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi,
đoạn từ Km16+629 đến Km16+680, có cấu tạo các lớp như
sau:

Hình 3. 1. Kết cấu áo đường tuyến cao tốc Đà Nẵng Quảng Ngãi (Km16+629 đến Km16+680)


16
3.2.2. Tải trọng tính toán

KIỆN PHÁ HOẠI NỨT MỎI VÀ TÍCH LUỸ BIẾN
DẠNG DƯ
3.4.1. Theo điều kiện nứt mỏi (Fatigue Cracking)
Có nhiều mô hình phá hoại mỏi cho phép xác định số
lần tác dụng lặp lại của tải trọng gây phá hoại mỏi trong kết
cấu áo đường, [12], trong nội dung nghiên cứu của luận
văn, học viên chọn 2 mô hình phân tích của Viện Asphalt
(1991).
3.4.1.1. Theo Viện Asphalt (1991):
Số lần tác dụng của tải trọng gây phá hoại mỏi trong
lớp mặt BTN trong trường hợp hỗn hợp bê tông nhựa có độ
rỗng dư 5% và hàm lượng nhựa 11% (theo thể tích), có thể
xác định theo công thức 3.1:
Nf = 0,0796.(εt)−3.291.(E)−0.854
3.4.2. Theo điều kiện tích luỹ biến dạng dư (Permanent
Deformation)
Số lần tác dụng của tải trọng gây nên biến dạng dư tích
luỹ ở bề mặt móng nền đất 13 mm (0.5 in) được xác định
theo công thức:
Nf(13) = 1,365*10−9(εv)−4.477
3.5. HỆ SỐ QUI ĐỔI TẢI TRỌNG TƯƠNG ĐƯƠNG
VỀ TẢI TRỌNG TRỤC TÍNH TOÁN TIÊU CHUẨN
DỰA TRÊN KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG SUẤTBIẾN DẠNG VÀ MÔ HÌNH PHÁ HOẠI THỰC
NGHIỆM
Do dòng xe trên đường gồm nhiều loại xe có cấu hình,
tải trọng phân bố trên các trục và cụm trục khác nhau, nên
để thuận lợi cho việc tính toán tiêu chuẩn Việt Nam thường


18



19
- Theo điều kiện chịu cắt trượt của nền đất:
T = Tax + Tav = 0,002Mpa < Ctt/Ktrdt
=0,02Mpa
3.6.3. Kiểm toán khả năng làm việc của kết cấu dựa
trên kết quả phân tích ứng suất-biến dạng bằng phần
mềm Alizé-LCPC và các mô hình phá hoại
3.6.3.1. Kết quả phân tích ứng suất-biến dạng:
Sử dụng phần mềm Alizé phân tích ứng suất-biến dạng
trong các lớp kết cấu dưới tác dụng của tải trọng trục tiêu
chuẩn 120kN, áp lực p =0,6Mpa ở các điều kiện nhiệt độ
khác nhau 10oC, 30oC và 60oC. Kết quả cụ thể trình bày ở
Bảng 3.10.
3.6.4. Kết luận
3.6.4.1. Theo điều kiện tích luỹ biến dạng dư
(Permanent Deformation Criteria)
Số lần tác dụng lặp lại cho phép của tải trọng trục tiêu
chuẩn 120kN để kiểm soát sự biến dạng không hồi phục:
Nf_120 =1,365*10-9 (ɛz)-4,477
Trong đó: ɛz - biến dạng nén thẳng đứng tại bề mặt đáy
áo đường (móng nền đất) ở nhiệt độ tính toán tiêu chuẩn
30oC.
ɛz = 344,4 µdef = 344,4x10-6 def
= > Nf_120 =4,35x106
3.6.4.2.Theo điều kiện nứt mỏi trong các lớp bê tông
nhựa (Fatigue Criterion)
Số lần tác dụng lặp lại cho phép trong điều kiện mẫu
tiêu chuẩn (hàm lượng nhựa chiếm 11% thể tích, độ rỗng

tính toán tiêu chuẩn 100kN và 120kN: theo 22TCN 211-06,
theo kết quả phân tích biến dạng ở đáy lớp bê tông nhựa và
theo bảng tra của Viện Asphalt. Kết quả phân tích cho thấy
hệ số quy đổi có sự sai khác đáng kể giữa 3 phương pháp.
Điều này cho thấy cần có nhiều nghiên cứu tiếp tục để làm
rõ tác dụng phá hoại của các loại xe có cấu hình trục khác
nhau trên đường.


21
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
Sự làm việc của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng
của tải trọng xe chạy và các yếu tố khí hậu thời tiết là phức
tạp, do tính chất đàn hồi phi tuyến của các lớp vật liệu và
đặc trưng cường độ tính toán của các vật liệu thay đổi theo
trạng thái ứng suất và điều kiện nhiệt độ môi trường. Có
nhiều phương pháp thiết kế mặt đường đã được phát triển,
trong đó mô hình cơ học - thực nghiệm có thể xem là một
phương pháp thiết kế mới đã và đang được nghiên cứu áp
dụng ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới.
Có nhiều lý thuyết được phát triển để xác định ứng
suất, biến dạng trong các lớp kết cấu, trong đó lý thuyết đàn
hồi lớp Burmister với giả thuyết vật liệu đàn hồi tuyến tính
và lý thuyết đàn hồi phi tuyến được phát triển bởi Huang là
các lý thuyết đã và đang được sử dụng phổ biến cho các
phần mềm tính toán theo phương pháp cơ học - thực
nghiệm hiện nay. Một trong các phần mềm tính toán theo
lý thuyết lớp Burmister là bộ phần mềm Alizé, được phát
triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường Paris (LCPC, nay

đang sử dụng có nhiều sai khác rất đáng kể. Luận văn đã
làm rõ sai khác này bằng việc tính toán so sánh 3 phương
pháp xác định hệ số tải trọng trục tương đương (EALF) từ
các loại xe có cấu hình và tải trọng trục (cụm trục) khác
nhau về tải trọng tính toán tiêu chuẩn 100kN và 120kN:
theo 22TCN 211-06, theo kết quả phân tích biến dạng ở
đáy lớp bê tông nhựa và theo bảng tra của Viện Asphalt.
Điều này cho thấy cần có nhiều nghiên cứu tiếp tục để làm


23
rõ tác dụng phá hoại của các loại xe có cấu hình trục khác
nhau trên đường.
Thông qua mô hình tính toán của Viện Asphalt dựa
trên điều kiện phá hoại nứt mỏi và phá hoại tích luỹ biến
dạng dư tại bề mặt lớp subgrade. Xác định số lần tác dụng
lặp lại cho phép của tải trọng đạt đến trạng thái phá hoại
của kết cấu. Kết quả phân tích cho thấy, xe kéo sơmi rơ
moóc và xe thân liền có tải trọng trục vượt quá tải trọng
cho phép là các loại xe có tác dụng bất lợi nhất đến sự làm
việc của kết cấu mặt đường.
Luận văn sử dụng phần mền Alizé - LCPC được phát
triển bởi Viện Nghiên cứu Cầu đường Paris (LCPC) và Uỷ
ban nghiên cứu kỹ thuật đường bộ, đường cao tốc Pháp
(SETRA) để phân tích ứng suất, biến dạng trong kết cấu áo
đường, kết hợp mô hình thực nghiệm phá hoại nứt mỏi và
tích lũy biến dạng của viện Asphalt đánh giá kết cấu áo
đường đang áp dụng trong dự án cao tốc Đà Nẵng - Quảng
Ngãi, đoạn Km16+629 - Km16+680, kết quả cho thấy với
kết cấu đang áp dụng thì điều kiện nứt mỏi và điều kiện