Tính toán khả năng chống rutting của kết cấu áo đường
Rutting là một dạng hư hỏng kết cấu áo đường phổ biến ở Việt Nam những năm gần đây. Nguyên nhân chủ yếu là do vật liệu bê tông nhựa (BTN) bị biến dạng không hồi phục dưới tác dụng trùng phục của tải trọng xe cộ. Rutting được chia ra làm 3 dạng: rutting trên bề mặt BTN, rutting trong lớp móng của kết cấu áo đường (bao gồm các lớp móng đường và nền đường) và vừa rutting trong BTN vừa rutting trong lớp móng. Thường gặp nhất là dạng thứ nhất và thứ ba. Có ba cơ chế hình thành rutting: rutting do đầm nén thứ cấp, rutting do biến dạng từ biến và rutting do biến dạng trượt (hay biến dạng dẻo). Trong ba cơ chế trên, cơ chế hình thành rutting do biến dạng trượt được cho là chủ đạo. Kiểm soát được biến dạng trượt của BTN sẽ là chìa khóa để kiểm soát hiện tượng rutting.
Phương pháp phổ biến để đánh giá khả năng chống rutting của kết cấu áo đường là phương pháp thực nghiệm mô phỏng sự làm việc thực tế của kết cấu áo đường. Trên thế giới hiện đang phổ biến hai loại thí nghiệm: thí nghiệm trên đường thử và thí nghiệm với mô hình thu nhỏ. Trong đó, thí nghiệm với mô hình thu nhỏ là phổ biến hơn và thí nghiệm thường dùng là thí nghiệm vệt hằn bánh xe Hamburg Wheel Tracking Test.
Bên cạnh phương pháp thực nghiệm, phương pháp tính toán cơ học để đánh giá khả năng chống rutting của kết cấu áo đường có nhiều ưu điểm hơn và hiện đang là chủ đề nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Phương pháp này cho phép dự tính được độ lún vệt hằn bánh xe của toàn bộ kết cấu áo đường chứ không phải của mẫu thí nghiệm như trong thí nghiệm vệt hằn bánh xe. Công ty BMT đang nghiên cứu một phương pháp tính toán sứ dụng mô hình đàn hồi – dẻo để đánh giá khả năng chống rutting của kết cấu áo đường.
BTN là một loại vật liệu rời có sử dụng chất kết dính. Khả năng chống trượt của nó được đặc trưng bằng hai chỉ tiêu: lực dính c và góc nội ma sát . Phòng nghiên cứu – phát triển và thí nghiệm công ty BMT đang áp dụng phương pháp của [Christensen và đồng nghiệp, 2002] để xác định c,
. Nội dung phương pháp này như sau. Gọi
uni là cường độ của BTN khi nén đơn trục và pidt là lực nén phá hoại mẫu khi nén ép chẻ.
Lực dính c và góc nội ma sát được xác định từ hai phương trình cân bằng giới hạn
Với hai chỉ tiêu này, chúng ta có thể đánh giá sơ bộ khả năng chống rutting của kết cấu áo đường thông qua tính toán giới hạn đàn hồi và giới hạn sức chịu tải của kết cấu áo đường. Mô hình tính toán sử dụng mô hình c- của Morh-Coulomb hay của Drucker-Prager. Nếu tải trọng nhỏ hơn giới hạn đàn hồi, hiện tượng rutting sẽ không xãy ra. Nếu tải trọng lớn hơn sức chịu tải cực hạn, hiện tượng rutting xãy ra trong thời gian rất ngắn do tải trọng vượt sức chịu tải của kết cấu áo đường. Trường hợp còn lại, hiện tượng rutting sẽ xãy ra sau một thời gian khai thác. Chiều sâu rutting sẽ phụ thuộc vào thời tiết, tải trọng tác dụng, đặc trưng vật liệu cũng như số lần trùng phục của tải trọng. Chiều sâu rutting được định nghĩa là độ lún không hồi phục của mặt đường. Việc tính toán chiều sâu rutting có ý nghĩa quan trọng, cụ thể như sau:
(i) Bài toán thuận: cho trước cấu tạo kết cấu áo đường, tải trọng tác dụng; đặc trưng vật liệu; số lượt tác dụng. Dự tính chiều sâu rutting của kết cấu áo đường kết hợp với thang đánh giá mức độ nghiêm trọng của rutting sẽ trả lời câu hỏi “có rutting hay không?” và “rutting sau bao lâu?”
(ii) Bài toán ngược: chọn loại kết cấu áo đường, tải trọng tác dụng, loại vật liệu để chiều sâu rutting nhỏ hơn giá trị cho phép, có nghĩa là hiện tượng rutting không xãy ra.
Để dự tính chiều sâu rutting theo thời gian khai thác, cần xác định module biến dạng dẻo H(N) của vật liệu BTN. Module biến dạng dẻo có giá trị giảm dần theo thời gian khai thác và được mô hình hóa dưới dạng hàm logarit
[Ben-Naim 1998, Karrech 2011].
Trong đó các hằng số 
mô tả qui luật rutting của vật liệu và được xác định thông qua thí nghiệm. Với bài toán trình bày bên dưới, biến dạng dẻo theo thời gian có nghiệm giải tích
Đồ thị quan hệ giữa áp lực tác dụng và chuyển vị, giữa chiều sâu rutting và số lượt tác dụng như hình bên dưới
Quan hệ áp lực – chuyển vị
Chiều sâu rutting – chu kì tác dụng
Chuyển vị không hồi phục phát triển nhanh trong khoảng 1000 lượt tác dụng đầu tiên sau đó chậm dần. Điều này hoàn toàn phù hợp với quan sát chiều sâu rutting trong thì nghiệm vệt hằn bánh xe cũng như ở ngoài ngoài hiện trường.
Nguyễn H T Tài
Phòng NC-PT và thí nghiệm, công ty CP đầu tư xây dựng BMT