ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THANH QUANG

ỨNG DỤNG ABAQUS PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CÓ XÉT ĐẾN
TÍNH CHẤT PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ THANH QUANG

ỨNG DỤNG ABAQUS PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN
DẠNG TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CÓ XÉT ĐẾN
TÍNH CHẤT PHI TUYẾN CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG

Chuyên ngành
Mã số

: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Tác giả luận văn

Lê Thanh Quang


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài....................................................................... 3
6. Dự kiến nội dung của luận văn................................................................................. 3
CHƯƠNG 1. ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC
DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY ........................................................................ 4
1.1. YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO
ĐƯỜNG ...................................................................................................................... 4
1.1.1. Yêu cầu chung ................................................................................................... 4
1.1.2. Cấu tạo kết cấu áo đường ................................................................................... 4
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 .................................................................... 5
1.2.1. Tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường mềm ........................................... 5
1.2.1.1. Áp lực tính toán .............................................................................................. 6
1.2.1.2. Tải trọng trục tính toán .................................................................................... 6
1.2.2. Ảnh hưởng của tải trọng xe chạy đến cơ chế làm việc của nền đất và vật liệu áo
đường .......................................................................................................................... 6
1.2.3. Hiện tượng phá hoại kết cấu áo đường mềm và nguyên lý tính toán cường độ áo
đường mềm theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 ................................................................ 7
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM .................................... 9

2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT-BIẾN DẠNG TRONG KẾT
CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC ................................... 21
2.1.1. Phương pháp phân tích dựa trên mô hình đàn hồi lớp ....................................... 21
2.1.1.1. Mô hình Boussinesq (1958)........................................................................... 21
2.1.1.2. Mô hình 1 lớp ............................................................................................... 21
2.1.1.3. Lý thuyết tính toán cho hệ nhiều lớp ............................................................. 23
2.1.1.4. Các chương trình tính toán hỗ trợ phân tích ứng xử cơ học mặt đường dựa trên
lý thuyết hệ đàn hồi tuyến tính nhiều lớp ................................................................... 23
2.2.1.5. Chương trình tính toán mặt đường Alizé - LCPC .......................................... 24
2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn .......................................................................... 26
2.1.2.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 26
2.1.2.2. Một số kết quả nghiên cứu ứng xử cơ học mặt đường của các tác giả trên thế
giới sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................... 26
2.2. PHẦN MỀM ABAQUS VÀ ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC
MẶT ĐƯỜNG MỀM ................................................................................................ 27
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Abaqus ........................................................................... 27
2.2.2. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................. 28
2.2.3. Các loại phần tử sử dụng trong tính toán của phần mềm Abaqus ...................... 28
2.2.4. Hệ đơn vị sử dụng trong Abaqus ...................................................................... 29
2.2.5. Phân tích ứng xử trong kết cấu mặt đường tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi
dưới tác dụng của tải trọng trục tính toán bằng phần mềm Abaqus............................. 29
2.2.5.1. Kết cấu áo đường và thông số tính toán ......................................................... 29
2.2.5.2. Mô hình hóa bài toán..................................................................................... 30
2.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG
TUYẾN CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS .. 31


2.3.1. Ứng suất theo phương ngang σ11 ...................................................................... 31
2.3.2. Ứng suất theo phương đứng σ22........................................................................ 33
2.3.3. Biến dạng theo phương ngang ɛ11 ..................................................................... 39

Tác giả luận văn

Lê Thanh Quang


ỨNG DỤNG ABAQUS PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG TRONG
KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM CÓ XÉT ĐẾN TÍNH CHẤT PHI TUYẾN CỦA
VẬT LIỆU LỚP MÓNG
Học viên: Lê Thanh Quang Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 85.80.205 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt
Kết cấu áo đường ô tô gồm nhiều lớp vật liệu có tính chất khác nhau, trong đó lớp móng
phổ biến là các vật liệu đất, đá thiên nhiên có hoặc không có sử dụng chất liên kết, có cường độ
và độ ổn định cường độ thay đổi theo chế độ thuỷ nhiệt và đặc trưng tác dụng của tải trọng xe
chạy. Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06 giả thuyết các lớp vật liệu áo đường
là đồng nhất, đẳng hướng, nền đất được xem là bán không gian đàn hồi tuyến tính. Điều này
không hoàn toàn phù hợp với thực tế, đặc biệt đối với lớp móng bằng vật liệu đất, đá thiên nhiên
không sử dụng chất liên kết. Luận văn đã sử dụng phần mềm Abaqus phân tích trạng thái ứng
suất - biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi. Kết quả
phân tích được kiểm chứng với kết quả tính toán trên phần mềm Alizé. Luận văn đã sử dụng
mô hình Uzan được lập trình trong chương trình con mô hình vật liệu Umat do người dùng định
nghĩa của Abaqus để xét đến tính chất phi tuyến của vật liệu lớp móng. Kết quả cho thấy, tính
chất phi tuyến của vật liệu lớp móng có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử trong các lớp kết cấu
mặt đường mềm, đặc biệt là biến dạng ở đáy của lớp mặt bê tông nhựa, biến dạng thẳng đứng
tại đỉnh lớp móng, nền đất (subgrade) và độ võng của kết cấu áo đường.
Từ khóa - mặt đường mềm; phi tuyến tính; Abaqus; bê tông nhựa; lớp móng.
USING ABAQUS FOR STRESS-STRAIN ANALYSIS OF FLEXIBLE
PAVEMENT CONSIDERING OF NON-LINEARITY IN UNBOUND BASE LAYER

Abstract

Phương pháp phần tử hữu hạn
Chương trình con
Phần tử hữu hạn


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Các thông số mô hình K-θ điển hình cho các loại vật liệu cấp phối
khác nhau (Rada và Witczak, 1981)

15

2.1

Hệ đơn vị sử dụng trong Abaqus

29

2.2

Đặc trưng tính toán của vật liệu theo 22TCN 211-06 [1]


D=36cm)
Độ võng mặt đường tại tâm trục bánh xe w 22 (tải trọng trục
P=100KN, D=33cm)
Độ võng mặt đường tại tâm trục bánh xe w 22 (tải trọng trục
P=120KN, D=36cm)

38

3.1

Số liệu đầu vào các lớp kết cấu áo đường

54

3.2

Số liệu tính toán lớp móng kết cấu áo đường theo Kim [12]

54

3.3

Kết quả tính toán ứng suất

59

3.4

Kết quả tính toán biến dạng


66

3.10

Kết quả tính toán biến dạng theo phương đứng ɛ22

67

3.11

Kết quả tính toán độ võng mặt đường w22 tại tâm trục bánh xe

68

2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12

40
41
44
45
47
47


DANH MỤC HÌNH ẢNH


7

1.5

Ảnh hưởng của tải trọng bánh xe đến kết cấu áo đường

9

1.6

Sơ đồ thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm

12

1.7

Biến dạng của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng (Huang 1993) [9]

13

1.8

Thí nghiệm 3 trục và ứng xử đàn hồi của vật liệu cấp phối [10]

14

Mối quan hệ điển hình K và n cho các loại vật liệu cấp phối khác nhau
(Rada và Witczak, 1981) [12]
So sánh các kết quả thí nghiệm và dự đoán khi sử dụng mô hình K-θ


2.4

Ứng xử cơ học của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng đặc biệt [4]

24

2.5

Giao diện chính của phần mềm sau khi khởi động

25

2.6

Module tính toán ngược xác định môđun đàn hồi của các lớp vật liệu
dựa trên kết quả đo chảo lún mặt đường bằng thiết bị FWD

25

2.7

Mô hình tính toán kết cấu mặt đường theo lý thuyết đàn hồi lớp

25

2.8

Giao diện phần mềm Abauqs /CAE và Abaqus /Viewer


2.15 Chia lưới phần tử cho trường hợp (a) và (b)

31

2.16 Quan hệ ứng suất ngang σ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 10oC

32

2.17 Quan hệ ứng suất ngang σ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 30oC

32

2.18 Quan hệ ứng suất ngang σ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 60oC

32

2.19 Quan hệ ứng suất theo phương đứng σ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 10oC

33

2.20 Quan hệ ứng suất theo phương đứng σ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 30oC

36

2.21 Quan hệ ứng suất theo phương đứng σ22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 60oC

36

2.22 Quan hệ biến dạng phương ngang ɛ11 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 10oC


46

2.30 Quan hệ độ võng mặt đường w22 và chiều sâu Z ở nhiệt độ 60oC

46

3.1

Kỹ thuật tìm kiếm mô đun đàn hồi (Tutumluer, 1995) [12]

51

3.2

Sơ đồ khối dữ liệu của người sử dụng (Umat) [12]

52

3.3

Sơ đồ khối của chương trình (Umat) trong phân tích Abaqus

53

3.4

Kết cấu áo đường

53


56

3.10 Ứng suất theo phương đứng trường hợp tuyến tính và phi tuyến

56

3.11 Biến dạng theo phương ngang trường hợp tuyến tính và phi tuyến

56

3.12 Biến dạng theo phương đứng trường hợp tuyến tính và phi tuyến

56

3.13 Độ võng mặt đường trường hợp tuyến tính và phi tuyến

57

3.14 Biểu đồ quan hệ ứng suất σ với chiều sâu Z

57

3.15 Biểu đồ quan hệ biến dạng ɛ với chiều sâu Z

57

3.16 Biểu đồ quan hệ độ võng mặt đường w22 với chiều sâu Z

58


đường ô tô hàng năm với khối lượng vật liệu dùng để sửa chữa rất lớn. Do đó việc thiết
kế kết cấu áo đường đúng đắn là có ý nghĩa hết sức to lớn về mặt kinh tế, kĩ thuật [2].
Kết cấu mặt đường ô tô là hệ nhiều lớp, trong đó các lớp vật liệu có tính chất và
đặc trưng khác nhau, chịu ảnh hưởng nhiều của các yếu tố khí hậu thời tiết và tác dụng
của tải trọng xe chạy. Để có lời giải chính xác, đòi hỏi cần phải hiểu rõ tính chất của tải
trọng xe chạy tác dụng, đặc tính chịu tải (hay cơ chế làm việc dưới tác dụng của tải trọng
xe chạy) của nền đất và vật liệu làm kết cấu áo đường, cũng như phải biết được mối
quan hệ giữa cường độ và các trạng thái, các hình thức phá hoại của kết cấu áo đường
[2].
Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm Việt Nam hiện nay (22TCN 211-06) giả định
sử dụng mô hình lý thuyết đàn hồi nhiều lớp, trong đó vật liệu mặt và móng đường giả
định là đồng nhất và đẳng hướng, nền đất được xem là bán không gian đàn hồi tuyến
tính. Trị số mô đun đàn hồi đặc trưng cho vật liệu là không đổi theo trạng thái ứng suất,
giả thuyết này chỉ phù hợp trong trường hợp vật liệu có tính chất đàn hồi. Tuy nhiên,
đối với các lớp móng sử dụng chất liên kết hữu cơ hoặc lớp móng bằng vật liệu đất, đá
thiên nhiên không dùng chất liên kết, giả thuyết này không hoàn toàn chính xác và phù
hợp với các lý thuyết và phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường dựa trên mô hình cơ
học thực nghiệm hiện nay tại nhiều nước trên thế giới [3][9].

Hình 1. Thay đổi trạng thái ứng suất tại một điểm trong kết cấu áo đường mềm dưới
tác dụng của tải trọng động [13]


2

Với sự tăng trưởng không ngừng về số lượng cũng như chủng loại phương tiện
tham gia giao thông, cùng với các diễn biến phức tạp về điều kiện khí hậu do hiệu ứng
nhà kính tại Việt Nam trong những năm gần đây, đòi hỏi cần có những nghiên cứu, tiếp
cận mới về phương pháp tính toán, trong đó có việc xác định các thông số đầu vào khi
tính toán các đặc trưng về ứng suất và biến dạng trong các lớp vật liệu mặt đường (xem

3.1. Đối tượng nghiên cứu
Ứng suất, biến dạng của các lớp kết cấu mặt đường mềm chịu tác dụng của tải
trọng xe chạy.


3

3.2. Phạm vi nghiên cứu
Mặt đường mềm có cấu tạo 2 lớp, trong đó lớp mặt là bê tông nhựa chặt thông
thường (một hoặc hai lớp) và lớp móng là vật liệu đá dăm không sử dụng chất liên kết.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích và tổng hợp lý thuyết tính toán kết cấu áo
đường, phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu;
- Phương pháp mô hình hoá: Sử dụng phần mềm Abaqus mô phỏng sự làm việc
của mặt đường mềm dưới tác dụng của tải trọng.
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài
Đề tài đã đưa ra các hạn chế của phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm
của Việt Nam hiện nay theo 22TCN-211-06 [1]. Đề xuất phương pháp tính toán kết cấu
áo đường theo phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Abaqus và xét đến
tính chất phi tuyến vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết được sử dụng trong lớp
móng của kết cấu áo đường, giúp cho các đơn vị thiết kế và thi công lựa chọn, đề xuất,
tính toán các lớp kết cấu áo đường phức tạp gồm nhiều lớp kết cấu và tính chất khác
nhau của vật liệu đầu vào của từng lớp. Ngoài ra, còn sử dụng để đối chứng, kiểm tra lại
kết quả tính toán theo các phương pháp thông thường, để tìm ra nguyên nhân và hạn chế
tối đa các hư hỏng của kết cấu áo đường.
6. Dự kiến nội dung của luận văn
Mở đầu
Chương 1. Ứng xử cơ học của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng
xe chạy
Chương 2. Phần mềm Abaqus và ứng dụng phân tích ứng xử cơ học kết cấu trong

cho duy tu, sửa chữa định kỳ càng giảm. Chất lượng bề mặt áo đường mềm càng tốt thì
chi phí vận doanh sẽ càng giảm và thời hạn định kỳ sửa chữa vừa trong quá trình khai
thác sẽ được tăng lên.
1.1.2. Cấu tạo kết cấu áo đường
Kết cấu áo đường mềm gồm nhiều lớp vật liệu phù hợp với chức năng làm việc
của mỗi lớp bao gồm: Lớp mặt bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có xử lý nhựa
như bê tông nhựa, đá dăm trộn nhựa, thấm nhập nhựa, láng nhựa, cấp phối đá dăm, cấp
phối cuội sỏi gia cố hoặc không gia cố bi tum, xi măng, vôi, các phế phẩm công nghiệp
như xỉ lò cao, xỉ than v.v…; lớp nền đất đáy móng áo đường.
Quá trình thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường cần lưu ý tuân thủ theo nguyên tắc
thiết kế tổng thể nền áo đường, tức là trong mọi trường hợp phải chú trọng các biện
pháp nâng cao cường độ và sự ổn định cường độ của khu vực tác dụng của nền đường,
tạo điều kiện cho nền đất tham gia chịu lực cùng với áo đường đến mức tối đa, từ đó
giảm được bề dày áo đường và hạ giá thành xây dựng. Đồng thời, còn phải sử dụng các
biện pháp tổng hợp khác nhau (biện pháp sử dụng vật liệu và tổ hợp các thành phần vật
liệu, biện pháp thoát nước cho các lớp có khả năng bị nước xâm nhập) để hạn chế tác


5

dụng của các nguồn ẩm và nhiệt đến cường độ và độ bền của mỗi tầng, lớp trong kết
cấu áo đường, đặc biệt là biện pháp hạn chế các hiện tượng phá hoại bề mặt đối với lớp
mặt trên cùng do xe chạy gây ra.
Hình 1.1. Giới thiệu một số dạng kết cấu mặt đường mềm điển hình được sử
dụng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới [9].

Lớp bê tông nhựa
đệm

a) Kết cấu truyền thống

thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06 [1] quy định áp lực tính toán dưới tác dụng của
tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn là 0,6MPa.
1.2.1.2. Tải trọng trục tính toán
Tải trọng tiêu chuẩn trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường giữa các nước
không hoàn toàn như nhau. Đại bộ phận các nước quy định tải trọng trục tiêu chuẩn tính
toán là 100kN, cũng có nước quy định tải trọng tính toán là 130kN (Pháp). Anh và Mỹ
sử dụng tải trọng tính toán là 80kN (18kips). Quy trình Trung Quốc chọn nhóm trục đơn
hai bánh 60kN và 100kN (xe BZZ60 và BZZ100) làm tải trọng trục tiêu chuẩn. Tiêu
chuẩn thiết kế áo đường mềm của nước ta hiện nay sử dụng tải trọng trục thiết kế tiêu
chuẩn 100kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, đường ô tô các
cấp trên mạng lưới chung, đường đô thị cấp khu vực trở xuống; 120kN đối với đường
trục chính đô thị, một số đường cao tốc, đường có nhiều xe nặng lưu thông.
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 ứng suất và biến dạng. Trị số ứng suất và biến dạng phụ thuộc vào tính chất,
cường độ của các lớp vật liệu mặt đường và nền đất (đặc trưng bởi trị số mô đun đàn hồi
của vật liệu, hệ số Poisson ν), đặc điểm tác dụng của tải trọng như thời gian lặp lại (cấu
hình cụm trục, tần số hay thời gian tác dụng của tải trọng, liên quan đến tốc độ xe chạy),
độ lớn của tải trọng. Thời gian tác dụng của tải trọng càng lâu (tần số tác dụng của tải
trọng càng lớn hay tốc độ xe chạy càng chậm), áp lực của tải trọng trên mặt đường càng
lớn, ứng suất và biến dạng trong các lớp vật liệu mặt đường càng lớn.
Ngoài ra, do đất và các lớp vật liệu mặt đường có tính đàn hồi nhớt hoặc đàn hồi


7

nhớt-dẻo nên dưới tác dụng của tải trọng động, trùng phục sẽ làm cho kết cấu mặt đường
và các lớp vật liệu phát sinh hiện tượng mỏi và tích luỹ biến dạng dư.
Hình 1.3 minh hoạ hai dạng hư hỏng điển hình của mặt đường nhựa dưới tác dụng


nền đất dưới tác dụng của tải trọng xe chạy tính toán.
Lgh - độ võng đàn hồi (biến dạng thẳng đứng) cho phép.
Ktr - hệ số dự trữ cường độ về độ võng.
- Điều kiện về nứt mỏi (kéo uốn): Ứng suất kéo uốn (hay biến dạng theo phương
ngang) ở đáy lớp bê tông nhựa hoặc lớp vật liệu toàn khối dưới tác dụng của tải trọng
xe chạy tính toán phải nhỏ hơn trị số ứng suất kéo uốn (hay biến dạng) cho phép của vật
liệu.
Rku . ku  Rku
(1.2)
Trong đó:
Kku - hệ số dự trữ cường độ về trạng thái kéo uốn.
σku - ứng suất kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy bê tông nhựa hoặc lớp vật liệu
toàn khối do tải trọng gây ra.
Rku - ứng suất kéo uốn giới hạn (cho phép) của vật liệu.
- Điều kiện trượt giữa các lớp vật liệu: Ứng suất gây trượt tại mọi điểm trong nền
đất và các lớp vật liệu rời rạc do tải trọng xe chạy và các lớp vật liệu nằm trên lớp vật
liệu tính toán gây ra phải nhỏ hơn ứng suất cắt giới hạn.
(1.3)
K tr .   cp
Trong đó:
𝜏 - ứng suất cắt tại mọi điểm trong nền đất dưới kết cấu áo đường và trong kết
cấu áo đường do tải trọng xe chạy và các lớp vật liệu nằm trên lớp vật liệu tính toán gây
ra.
𝜏cp - ứng suất cắt giới hạn của lớp vật liệu tính toán.
Ktr - hệ số dự trữ cường độ về trạng thái giới hạn trượt.
Để đảm bảo điều kiện làm việc của kết cấu áo đường không phát sinh hiện tượng
nứt và tích luỹ biến dạng dư quá lớn, tiêu chuẩn thiết kế áo đường của một số nước
(Viện Asphalt, tiêu chuẩn thiết kế mặt đường của Pháp NF P98-086, AUSTROADS,
Phương pháp cơ học thực nghiệm MPEDG) quy định trị số biến dạng giới hạn tại đáy

thêm vào chỉ là gần đúng. Một số quy trình (Trung Quốc, Liên Xô) đã có kết quả giải
hệ đàn hồi ba lớp, việc tính đổi sẽ chính xác hơn. Mặt khác, với sự phát triển của máy
tính điện tử thì việc giải chính xác bài toán hệ đàn hồi nhiều lớp không là vấn đề quá
khó khăn.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM
Theo Huang [9], có thể chia phương pháp thiết kế mặt đường mềm thành 05
nhóm:
- Phương pháp thực nghiệm có hoặc không xét đến sức chống cắt của nền đất;
- Phương pháp dựa trên phá hoại giới hạn cắt;
- Phương pháp độ võng giới hạn;
- Phương pháp hồi quy dựa trên đặc trưng cường độ mặt đường hoặc thí nghiệm
trên các tuyến đường thực tế;
- Phương pháp cơ học - thực nghiệm.
1.3.1. Phương pháp thực nghiệm (Empirical Method)
Phương pháp thực nghiệm không cần kiểm tra cường độ của nền đất được hình
thành dựa trên hệ thống phân loại đất trong xây dựng đường giao thông (Hogentogler
and Terzaghi, 1929), trong đó lớp móng được phân loại là đồng nhất từ A-1 đến A-8


10

và không đồng nhất từ B-1 đến B-3. Hệ thống phân loại đất này sau đó đã được sửa đổi
bởi Ủy ban Nghiên cứu Đường cao tốc (HRB, 1945), trong đó đất được nhóm từ A-1
đến A-7 và bổ sung chỉ số nhóm (GI) để phân biệt mỗi nhóm. Steele (1945) đã áp dụng
phân loại đất theo HRB và chỉ số nhóm để ước tính chiều dày của lớp móng dưới và
toàn bộ kết cấu mặt đường mà không cần kiểm tra cường độ.
Phương pháp thực nghiệm có thí nghiệm xác định sức chống cắt của nền đất lần
đầu tiên được sử dụng tại bang California (Hoa Kỳ) vào năm 1929, trong đó chiều dày
của kết cấu mặt đường được xác định dựa trên hệ số sức chịu tải CBR. Phương pháp
thiết kế dựa trên sức chịu tải CBR được Quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu sử dụng trong

Saal và Pell (1960) đề nghị sử dụng biến dạng kéo theo phương ngang (horizontal
tensile strain) ở đáy của lớp bê tông nhựa để hạn chế hiện tượng nứt mỏi. Hai điều kiện
này đã được chấp nhận bởi tập đoàn Shell và Viện Asphalt sử dụng trong các phương
pháp thiết kế cơ học-thực nghiệm. Ưu điểm của phương pháp cơ học là cải thiện độ tin
cậy của thiết kế, có khả năng miêu tả, dự đoán các dạng hư hỏng, đồng thời có thể
ngoại suy khi các dữ liệu thí nghiệm hiện trường và trong phòng thí nghiệm bị hạn chế.

Hình 1.6. Sơ đồ thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm


12

1.4. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA VẬT LIỆU LỚP MÓNG TRONG KẾT CẤU
ÁO ĐƯỜNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG XE CHẠY
1.4.1. Đặc điểm của vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết
Vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết thường được sử dụng trong lớp nền,
móng của kết cấu áo đường mềm. Vật liệu cấp phối bao gồm cốt liệu, không khí và
nước. Đặc tính của các loại vật liệu này liên quan đến ứng xử của các yếu tố cấu thành
và sự tương tác giữa chúng. Khi vật liệu cấp phối chịu tác dụng của tải trọng sẽ bị biến
dạng, nén chặt và hao mòn xảy ra. Vì vậy, ứng xử của các hạt cốt liệu phải được nghiên
cứu để mô tả đúng ứng xử cơ học của vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết. Thực
tế hiện nay, ứng xử của vật liệu cấp phối không gia cố chất liên kết được coi là liên tục.
Tuy nhiên, nó bị ảnh hưởng bởi lịch sử gia tải, mật độ, độ rỗng, hàm lượng nước,... nên
rất khó để phát triển một mô hình toán học thích hợp bao gồm tất cả các yếu tố trong
khuôn khổ cơ học liên tục.
1.4.2. Khái niệm cơ học thiết kế móng kết cấu áo đường
Phương pháp thiết kế và phân tích kết cấu áo đường hiện tại thường tuân theo
một số quy trình thực nghiệm được phát triển thông qua các cuộc điều tra từ kết cấu áo
đường cụ thể với điều kiện hạn chế. Các phương pháp này đưa ra một cách tiếp cận kỹ
hơn về đặc tính cường độ của vật liệu, địa chất nền móng trong kết cấu áo đường mềm.