Đánh giá ảnh hưởng tốc độ xe chạy đến độ lún vệt bánh xe mặt đường bê tông nhựa

PGS. TS.Nguyễn Văn Hùng ThS. Nguyễn Sơn Đông Trường Đại học Giao thông vận tải ThS. NCS. Phan Gia Khải Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng giao thông KTC Người phản biện: TS. Vũ Thế Sơn TS. Nguyễn Quang Phúc

Tóm tắt: Hiện nay, trên một số tuyến đường bê tông nhựa có xe tải trọng nặng lưu thông, mặt đường bê tông nhựa xuống cấp một cách nhanh chóng, sớm xuất hiện lún vệt bánh xe. Độ lún vệt bánh xe tại các vị trí trên tuyến đường là khác nhau, có sự chênh lệch khá lớn tại nút giao, điểm dừng xe… và ngoài phạm vi nút giao. Bài báo phân tích ảnh hưởng của tốc độ xe chạy đến độ lún vệt bánh xe mặt đường bê tông nhựa và đề xuất giải pháp khắc phục.

Từ khóa: Tốc độ xe, độ lún vệt bánh xe, mặt đường bê tông nhựa.

Abstract: Recently, there are heavy trucks on some asphalt concrete roads, the asphalt concrete pavements have been damaged, and rutting has appeared rapidly. The depths of rutting on different positions of the roads are also different. Depths of rutting vary significantly between interchange, vehicle stopping position, etc. and out of interchange boundary. This paper analyses efffect of vehicle speed to the depth of rutting on asphalt concrete pavement and propose countermeasure for this problem.

Keywords: Vehicle speed, asphalt surface, subsidence, wheel.

1. Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển nhanh của nền kinh tế, nhu cầu vận chuyển hàng hóa với khối lượng lớn tăng không ngừng, trên hầu hết trên các tuyến đường chính, QL, tỉnh lộ… đều có xe tải nặng với nhiều trục, thậm chí có cả các xe siêu trường, siêu trọng lưu thông, dẫn đến chất lượng mặt đường xuống cấp. Đặc biệt nghiêm trọng là hiện tượng hằn lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa (BTN). Thống kê cho thấy, trị số độ lún vệt bánh xe mặt đường lớn nhất là ở các vị trí dừng xe, tại các nút giao thông... có thể đạt 11 - 14cm, lớn hơn nhiều so với tại các vị trí nằm ngoài phạm vi nút giao thông chỉ là 5 - 7cm (Hình 1.1).

Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng hằn lún vệt bánh xe mặt đường như: Do công tác thiết kế kết cấu áo đường, thi công, khai thác (nhiệt độ mặt đường, tải trọng trục xe, tốc độ xe chạy)… Hiện nay, trong tiêu chuẩn của Việt Nam, ảnh hưởng của tốc độ xe chạy đến trị số độ lún vệt bánh xe mặt đường chưa được xem xét đầy đủ, dẫn đến việc tổ chức giao thông và thiết kế kết cấu áo đường tại các vị trí có tốc độ xe chạy thấp chưa hợp lý.

2. Đánh giá sự ảnh hưởng tốc độ xe chạy trên đường đến độ lún vệt bánh xe mặt đường BTN

2.1. Cơ sở lý thuyết

Bê tông nhựa là vật liệu có tính chất lưu biến. Độ lớn của biến dạng dư mặt đường phụ thuộc vào tính chất lưu biến của BTN. Bitum tạo nên đặc tính đàn hồi, dẻo của BTN nên đóng vai trò chủ đạo trong việc hình thành các đặc tính làm việc của BTN mặt đường (tính chất chống biến dạng lâu dài và chống nứt) [1].

Trên Hình 2.1, 2.2 cho thấy, tăng biến dạng theo thời gian của BTN là do tính dẻo của vật liệu.Biến dạng đàn hồi do tải trọng xuất hiện ngay cùng với tăng biến dạng theo thời gian khi dỡ tải (Hình 2.1), biến dạng thường xuyên không thể hồi phục do tính dẻo của bitum. Ở Hình 2.2 cho thấy, biến dạng thường xuyên có độ lớn nhỏ hơn so với biến dạng đàn hồi nhưng dưới tác dụng lặp của tải trọng, biến dạng sẽ đuợc tích lũy và dễ gây phá hoại mặt đường. Điều này giải thích vì sao độ lún vệt bánh xe mặt đường BTN lại lớn và xuất hiện khi nhiệt độ cao, xe chạy chậm hoặc đứng yên.

Để đánh giá tích lũy biến dạng dẻo ở trong các lớp BTN (không xét đến biến dạng của lớp móng) có thể được mô tả bằng quan hệ thực nghiệm, nhận được bởi tác giả A.M Богуславским theo công thức sau [2]:

 

(1)

 

Trong đó:

S_BTN - Độ lún vệt bánh xe của lớp BTN;

N_e  - Tổng tải trọng trục tích lũy;

t_td - Thời gian 1 lần tác dụng của xe chạy lên mặt đường (s);

η - Hệ số sức kháng nhớt (Pa.s) của BTN;

τ - Sức kháng cắt trong lớp BTN.

Từ công thức (1) cho thấy, độ lún vệt bánh xe mặt đường S_BTN phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc của bánh xe với mặt đường t_td hay thời gian tác dụng của 1 lần xe chạy và tỷ lệ nghịch với tốc độ xe chạy [2]                                                   

ct 2

 

(2)

 

Trong đó: V_tt - Tốc độ xe chạy tính toán, km/h;

D - Đường kính vệt tiếp xúc bánh xe với mặt đường;

K - Hệ số khai thác, đảm bảo tốc độ tính toán trên đoạn đường nghiên cứu;

t - Độ lệch chuẩn phù hợp suất đảm bảo 95%, được lấy bằng 1,64;

α - Hệ số ảnh hưởng của lưu lượng xe chạy;

β - Tỷ lệ % xe tải và ô tô buýt trong dòng xe;

N - Lưu lượng xe chạy, xcqđ/h.

Như vậy, từ công thức (1), (2) cho thấy vận tốc xe chạy trên đường tỷ lệ nghịch với trị số độ lún vệt bánh xe trên mặt đường BTN.

Ngoài ra, để đánh giá ảnh hưởng của tốc độ xe chạy đến độ lún vệt bánh xe mặt đường BTN, có thể dùng công thức tính toán theo “Hướng dẫn tính toán và loại bỏ lún vệt bánh xe trên áo đường mềm” của Cộng hòa Liên bang (CHLB) Nga [3]

 

(3)

Trong đó:

S₀ - Độ lún ban đầu của lớp BTN, xác định bằng toán đồ Hình 2.3, phụ thuộc vào tổng số trục xe tích lũy tính toán N_tt;

K_n - Hệ số tính đến sức kháng nhớt thực tế của nhựa đường chế tạo BTN;

K_p - Hệ số tính đến sự trồi nhựa lên trên (thường lấy K_p = 1,3).

Hình 2.3: Biểu đồ xác định độ lún ban đầu S₀ của lớp BTN

Tổng số trục xe tích lũy tính toán N_tt (được quy đổi về thời gian tác dụng tiêu chuẩn của một lần xe chạy t_td = 0,1s) được tính toán theo công thức sau:

 

(4)

 

Trong đó: N_tc - Tổng số trục xe tích lũy tiêu chuẩn, ứng với thời gian tác dụng của xe chạy là 0,1s;

t_td - Thời gian tác dụng tính toán của 1 lần xe chạy lên mặt đường, được xác định theo Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Thời gian tác dụng tính toán của 1 lần xe chạy lên mặt đường BTN (khi độ dốc dọc đường <3%) [3]

Như vậy, khi thay đổi vận tốc từ 80km/h xuống 40km/h thì thời gian tác dụng của 1 lần xe chạy lên mặt đường BTN tăng từ 1,75 lần (ở ngoài phạm vi nút giao) và tăng 2,48 lần (ở trong phạm vi nút giao) và thời gian tác dụng của 1 lần xe chạy ở ngoài phạm vi nút giao tăng so với trong phạm vi nút từ 1,25 - 1,77 lần.

2.2. Ví dụ, đánh giá ảnh hưởng tốc độ xe chạy đến độ lún vệt bánh xe trên Đại lộ Đông Tây, TP. Hồ Chí Minh

Hình 2.4: Kết cấu áo đường trên đoạn nghiên cứu của Đại lộ Đông Tây

Để làm rõ ảnh hưởng tốc độ xe chạy đến lún vệt bánh xe mặt đường, chúng tôi sử dụng “Hướng dẫn tính toán và loại bỏ lún vệt bánh xe trên áo đường mềm” của CHLB Nga [3] và phần mềm M-E PDG [4] tính toán lún vệt bánh xe mặt đường cho kết cấu áo đường Đại lộ Đông Tây (Hình 2.4).

Phương pháp cơ học thực nghiệm (M-E PDG) đã và đang được sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đường ở Mỹ và một số nước khác, khắc phục được các nhược điểm của phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường thuần thực nghiệm phát triển trên cơ sở các thử nghiệm AASHO. M-E PDG được nhiều nước nghiên cứu sử dụng trong phân tích kết cấu mặt đường. M-E PDG sử dụng vĩ độ, chiều sâu mực nước ngầm tại công trình và các thông số khí hậu theo từng giờ liên tục tối thiểu trong 24 tháng là: Nhiệt độ không khí, lượng mưa, vận tốc gió, phần trăm nắng (thông qua độ che phủ của mây) và độ ẩm.

Vì không có điều kiện thu thập số liệu của TP. Hồ Chí Minh (do trạm Tân Sơn Nhất bàn giao cho quân đội, trạm Nhà Bè có rất ít số liệu) nên nghiên cứu sử dụng bộ số liệu khí hậu từng giờ của trạm Láng, Hà Nội (hiện đại nhất Việt Nam) liên tục trong 36 tháng gần đây (từ tháng 01/2008 đến tháng 12/2010) để thay thế cho khí hậu TP. Hồ Chí Minh.

Bảng 2.2. Kết quả tính lún vệt bánh xe mặt đường ở các tốc độ xe chạy khác nhau với thời gian khai thác 4 năm (kể từ khi đưa tuyến đường vào sử dụng) [5]

Kết quả Bảng 2.2 cho thấy có sự chênh lệch kết quả dự tính độ lún vệt bánh xe giữa tiêu chuẩn của CHLB Nga và phương pháp M-E PDG là do yêu cầu số liệu đầu vào của tiêu chuẩn Nga phải có: Lực dính C, góc nội ma sát φ của bê tông nhựa, thống kê chi tiết nhiệt độ bất lợi trong năm… và đối với phần mềm M-E PDG là mô-đun đàn hồi động, thống kê chi tiết khí hậu… (nhưng do điều kiện khảo sát và thu thập số liệu hạn chế, nên không thể đáp ứng yêu cầu số liệu đầu vào ở cả 2 phương pháp dự tính độ lún, nhóm tác giả phải sử dụng các số liệu tham khảo). Tuy nhiên, kết quả Bảng 2.2 đã cho thấy, trị số độ lớn lún vệt bánh xe mặt đường và tốc độ xe chạy là có quan hệ chặt chẽ với nhau. Khi tốc độ tăng từ 40km/h lên 80 km/h thì độ lún vệt bánh xe mặt đường giảm 1,21 lần (theo tiêu chuẩn của CHLB Nga) và 1,14 lần (theo M-E PDG).

Để so sánh các kết quả tính toán và thực tế, ngày 26/3/2015, nhóm tác giả đã khảo sát lún vệt bánh xe mặt đường và đo tốc độ xe chạy trên Đại lộ Đông Tây, TP. Hồ Chí Minh. Kết quả (Bảng 2.3), tại các vị trí gần nút giao có tốc độ thấp 10km/h và các vị trí tốc độ 60km/h thì độ lún vệt bánh xe chênh nhau 84,21% (tương ứng là 64mm). Kết quả này phù hợp với kết quả tính toán ở Bảng 2.2.

Bảng 2.3. Kết quả đo lún vệt bánh xe ngoài thực tế trên tuyến Đại lộ Đông Tây sau 4 năm khai thác

3. Đề xuất giải pháp

Trên cơ sở các phân tích ở trên, để khắc phục chênh lệch độ lún vệt bánh xe tại nút giao và ngoài phạm vi nút, đồng thời giảm trị số độ lớn lún vệt bánh xe mặt đường, tăng tuổi thọ của kết cấu áo đường, cần thực hiện đồng bộ các giải pháp sau:

Do tại nút giao thông xe ô tô phải thường xuyên dừng, hãm phanh nên ngoài tác dụng lực thẳng đứng thì còn chịu tác dụng lực đẩy ngang (lực đẩy ngang có thể đạt 75% lực thẳng đứng)[6]. Vì vậy, kết cấu áo đường tại nút giao thông làm việc trong điều kiện bất lợi về lực và thời tác dụng của tải trọng, dẫn đến độ lún vệt bánh xe là rất lớn. Cho nên, cần thiết kế tăng cường kết cấu áo đường tại nút so với tại các vị trí ngoài phạm vi nút giao.

Để giảm thời gian dừng xe tại các nút giao thông, cần tăng số làn xe vào nút và tối ưu hóa thời gian của chu kỳ đèn tín hiệu để thời gian chờ xe tại nút là nhỏ nhất.

Để khắc phục về chênh lệch độ lún vệt bánh xe giữa các làn xe chạy, khi tổ chức giao thông cần đảm bảo hệ số làm việc giữa các làn tương đối đều nhau, sẽ giúp tăng vận tốc xe chạy trên các làn xe và giảm tổng tải trọng trục tích lũy tập trung trên 1 làn quá lớn, gây ra hiện tượng lún vệt bánh xe cục bộ chỉ trên một số làn nhất định (hiện tượng này đã xuất hiện trên Tỉnh lộ 25B, xa lộ Đại Hàn, TP. Hồ Chí Minh với hệ số phân phối tải trọng trục của một làn khá lớn).

Do tích lũy biến dạng dư của mặt đường BTN chủ yếu xảy ra khi ở nhiệt độ cao, nên cần ưu tiên tổ chức cho xe chạy vào ban đêm khi nhiệt độ mặt đường thấp để hạn chế độ lún vệt bánh xe mặt đường.

4. Kết luận

Ứng xử động của kết cấu mặt đường BTN dưới tác dụng của tải trọng động đóng vai trò quan trọng khi đánh giá năng lực khai thác của kết cấu mặt đường. Vận tốc xe chạy trên đường ảnh hưởng rất lớn đến độ lún vệt bánh xe mặt đường BTN. Cần phải thiết kế tăng cường kết cấu áo đường (theo tiêu chí kháng lún vệt bánh xe) tại nơi dòng xe có tốc độ thấp như: Tại các vị trí dừng xe, tại các nút giao thông, đường có dốc dọc lớn…

Đối với các tuyến đường có có khả năng xuất hiện lún vệt bánh xe, cần chú ý tổ chức giao thông hợp lý (có xét đến quy luật phân bố của phương tiện theo làn xe chạy đối với đường nhiều làn xe; tăng số làn xe vào nút; tối ưu hóa chu kỳ đèn tín hiệu; cho xe tải trọng nặng chạy vào thời điểm mặt đường có nhiệt độ thấp…) để tăng tốc độ xe chạy, giảm tổng tải trọng trục tích lũy của một làn xe chạy nhằm giảm hoặc hạn chế lún vệt bánh xe mặt đường.

Tài liệu tham khảo

[1]. The Shell bitumen Handbook, 1993.

[2]. C.В. Лугов (2001), Расчет глубины в асфвльтобетонном покрытии на жестком основании, Сборник научных трудов “Строителство и эксплуатация автомобильных дорог: задачи и решения”,Московский автомобильно - дорожный институт.

[3]. Министерство транспорта Российской Федерации государственная служба дорожного хозяйства (2002),Рекомендации по выявлению и устранению колей на нежестких дорожных одеждах.

[4]. Applied research associates - Transportation arizona state university (2009), M - E PDG 1.100.

[5]. Nguyễn Sơn Đông (2014), Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp khắc phục lún vệt bánh xe trên một số tuyến đường chính khu vực thành phố Hồ Chí Minh, Luận văn Thạc sỹ.

[6]. Nguyễn Văn Hùng (2014), Đánh giá bổ sung chỉ tiêu kiểm toán ổn định lún vệt bánh xe mặt đường bê tông nhựa vào tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06, TP. Hồ Chí Minh.