Nghiên cứu góp phần hoàn thiện phương pháp thiết kế mặt đường mềm sân bay tại Việt Nam

ành theo tài liệu "Thiết kế mặt đường sân bay" của Sở kỹ thuật cĕn cứ hàng không (STBA) và Sở các cĕn cứ hàng không (SBA) và được lập thành toán đồ (xem phục lục 1.3). 1.3.2.4. Phương pháp thiết kế của Anh [5] Phương pháp của Cục môi trường Vương quốc Anh ban hành. Các tham số thiết kế mặt đường mềm gồm có chất lượng của vật liệu mặt đường, cường độ nền đường, ACN thiết kế, tần suất vận chuyển, tuổi thọ thiết kế 20 nĕm, ... Tính chiều dày mặt đường theo toán đồ thiết kế (xem phụ lục 1.4). 1.3.2.5. Phương pháp thiết kế của hãng sản xuất máy bay Boeing, Airbus Thực chất là phương pháp thiết kế CBR hoặc phương pháp thiết kế theo chỉ số phân cấp tải trọng LCN (Load Classification Number) được xây dựng thành các toán đồ thiết kế cho từng loại máy bay, chiều dày kết cấu phụ thuộc vào sức chịu tải của nền đất, tải trọng máy bay, tần suất hoạt động, áp suất bánh hơi và kích thước bánh máy bay. 6 1.3.3. Phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm 1.3.3.1. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 [65] Dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi xem kết cấu áo đường mềm là hệ đàn hồi nhiều lớp, dưới tác dụng của tải trọng tàu bay, xây dựng thành một phần mềm thiết kế mặt đường sân bay FAARFIELD. Tính toán sức chịu tải mặt đường mềm sân bay theo tiêu chuẩn biến dạng thẳng đứng lớn nhất nền đường εv và biến dạng ngang lớn nhất dưới đáy lớp mặt bê tông nhựa εh phụ thuộc vào tần suất khai thác và tuổi thọ mặt đường. 1.3.3.2. Phương pháp của Viện bêtông Asphalt Mỹ [14], [60], [61] Dưới tác dụng của tải trọng tàu bay trong mặt đường hình thành biến dạng kéo theo phương ngang εh ở đáy lớp BTN và biến dạng thẳng đứng εc tại đỉnh nền đường theo trục đối xứng của diện tích tiếp xúc giữa bánh tàu bay và mặt đường, được xây dựng thành các toán đồ (xem phụ lục 1.5). 1.3.4. Đánh giá ưu, nhược điểm các phương pháp và khả nĕng áp dụng vào Việt Nam 1.3.4.1. Phương pháp lý thuyết Ưu điểm của phương pháp là trình bày cơ sở lý thuyết rõ ràng, tương đối chặt chẽ, tính toán được kết quả cụ thể và có thể áp dụng được tại nhiều nước; Nhược điểm không sát với thực tế vì dựa trên các giả thiết bỏ qua nhiều nhân tố tác dụng đồng thời và việc cập nhật các thông số tàu bay khó khĕn; 1.3.4.2. Phương pháp thực nghiệm Ưu điểm là xét được mọi yếu tố đồng thời ảnh hưởng đến kết cấu mặt đường nhưng về lý thuyết chưa thấy có lời giải rõ ràng, có cĕn cứ khoa học về sự ảnh hưởng đó, việc áp dụng trong thiết kế đơn giản, nhanh chóng. Nhược điểm là mang tính cục bộ địa phương, khi những điều kiện khác biệt thì kết quả thiết kế sẽ có những sai số.. 1.3.4.3. Phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm Là phương pháp đã kết hợp được ưu điểm và hạn chế được một số nhược điểm của phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm, cơ sở lý thuyết chặt chẽ, dựa vào mô hình thực nghiệm để xây dựng các chỉ tiêu thiết kế gắn với các yếu tố đồng thời ảnh hưởng đến chiều dày kết cấu mặt đường. 1.3.4.4. Đánh giá khả nĕng áp dụng vào Việt Nam Phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 là phương pháp hiện đại và mới được ban hành 11/10/2016 được ICAO khuyến cáo áp dụng, với xu thế hội nhập và đồng bộ tiêu chuẩn của ICAO, việc xem xét áp dụng tiêu chuẩn này đã bắt đầu được Cục Hàng không Việt Nam nghiên cứu và xây dựng lộ trình áp dụng. 1.4. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 [24] 1.4.1. Tính toán theo tiêu chuẩn độ võng tương đối giới hạn Khi tính mặt đường mềm sân bay theo độ võng tương đối giới hạn, toàn bộ kết cấu phải thỏa mãn tiêu chuẩn: .d c u   (1.15) 7 Trong đó: d là độ võng tương đối tính toán của mặt đường do tải trọng gây ra; c là hệ số điều kiện làm việc lấy theo các khu vực mặt đường sân bay; A-1; B và C - 1,05; D - 1,1 (xem hình 1.6); u là độ võng tương đối giới hạn của mặt đường, xác định theo toán đồ hình 1.10. 1.4.2. Tính toán theo tiêu chuẩn cường độ chịu kéo uốn của các lớp BTN Cường độ của các lớp bê tông nhựa của mặt đường mềm sân bay phải thỏa mãn tiêu chuẩn: .r c dR  (1.25) Trong đó: r là ứng suất kéo uốn lớn nhất trong lớp tính toán do tải trọng tính toán gây ra, MPa; Rd là cường độ kéo uốn tính toán của BTN, MPa. 1.4.3. Đánh giá những tồn tại của tiêu chuẩn thiết kế TCVN 10907:2015 1.4.3.1. Tải trọng thiết kế Thực tế khai thác với các dòng tàu bay B787-8/9, B777-300/200, B747- 400/800, A350-900, A340, A330, A321, đều có tải trọng hoặc áp suất bánh hơi lớn hơn so với tiêu chuẩn. 1.4.3.2. Chiều sâu tác dụng của tải trọng tàu bay Chiều sâu tác dụng thực tế của tải trọng sẽ lớn hơn 6m phụ thuộc vào nền đất, cần xác định cụ thể chiều sâu này để xem xét các biện pháp xử lý, cải thiện sức chịu tải của nền đất trong phạm vi ảnh hưởng của tải trọng. 1.4.3.3. Tính toán độ võng tương đối do tải trọng tàu bay gây ra d Thực tế tính toán kết cấu cho các dòng tàu bay mới với mô đun đàn hồi nền đất nhỏ hơn 45MPa, tỉ số ttot/D thường lớn hơn 2, nằm ngoài toán đồ hình 1.13, không thể xác định được Eed và độ võng tương đối tính toán d. 1.4.3.4. Tính toán độ võng tương đối giới hạn u Với áp suất bánh hơi các dòng máy bay khai thác thực tế pa >1,5MPa và tần suất cất cánh Nr > 100 lượt/ngày thì không thể xác định được u, không thể tính toán được chiều dày các lớp kết cấu. 1.5. Các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam 1.5.1. Nghiên cứu về phương pháp thiết kế Trên thế giới, Nga và Mỹ là 2 nước có những đầu tư nghiên cứu về phương pháp thiết kế. Các nghiên cứu đề xuất công thức gần đúng tính mô đun đàn hồi chung của hệ bán không gian đàn hồi 2 lớp: - Công thức tính Ech theo tiêu chuẩn 22TCN211-06 [20]:      02 0,670 1 0 1 0 11, 05.1 / / 1 4 / . / /ch EE E E H D E E E E    (1.28) - Công thức tính Ech theo đề nghị của GS.TS Phạm Cao Thĕng [15]:       3 2, 1 13 2, 1 1 21, 05 0,1 / 1 /0,71 / arctg 1,35 / / arctg /2qd chch ch td qd qd tdh D E E EE E E h D E E D h     (1.29) 8 Trong đó: E1 là mô đun đàn hồi lớp trên; E2,ch là mô đun đàn hồi tương đương các lớp dưới (hoặc mô đun đàn hồi chung); h là chiều dày lớp trên; Dqd là đường kính hình tròn vệt áp lực bánh xe quy đổi; htd là chiều dày "lớp tương đương" có mô đun E2,ch. Nhận xét: Áp dụng công thức (1.28) và (1.29) tính Ech khi tỉ số H/D < 2 cho kết quả sai lệch với toán đồ 1.13 trung bình từ 6% đến 10%. 1.5.2. Nghiên cứu của FAA về ảnh hưởng của tần suất, áp suất bánh hơi và nhiệt độ cao đến sự hình thành vệt lún mặt đường BTN sân bay [51] FAA đã cải tiến thiết bị thí nghiệm APA tĕng áp suất bánh hơi phù hợp với tải trọng và áp suất bánh hơi của dòng tàu bay A350-900, B787-8/9, B777- X có áp suất bánh hơi từ 250 psi (1,72 MPa) đến 260 psi (1,79 MPa). Nhận xét: Dưới tác dụng cùng điều kiện tải trọng, nhiệt độ mặt đường tĕng từ 210C lên 600C, vệt lún bánh tàu bay tĕng 4 lần; Trong điều kiện nhiệt độ không thay đổi 600C, áp suất bánh hơi tác dụng lên mặt đường tĕng từ 100 psi (0,69 MPa) đến 250 psi (1,72 MPa), vệt lún bánh tàu bay tĕng 2,5 lần; 1.6. Kết luận Chương 1 - Các phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay được chia làm 3 nhóm chính (nhóm phương pháp thực nghiệm, nhóm phương pháp lý thuyết và nhóm phương pháp nửa lý thuyết, nửa thực nghiệm). Cơ sở lý thuyết 9 của các phương pháp đều dựa trên mô hình nhiều lớp kết cấu đàn hồi đặt trên nền đất bán không gian đàn hồi đồng nhất vô hạn, việc tính toán chiều dày lớp kết cấu dựa trên việc tính cụ thể ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu. - Việc áp dụng phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 còn còn một số bất cập như đã nêu trong mục 1.4.3 và không phù hợp với điều kiện khai thác thực tế tại các sân bay, không thể áp dụng để tính toán kết cấu vì chỉ tiêu tính toán theo độ võng tương đối (chỉ tiêu quan trọng nhất trong thiết kế chiều dày kết cấu) không xác định được khi các giá trị nằm ngoài toán đồ. - Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 của FAA được ICAO khuyến cáo sử dụng khi thiết kế kết cấu mặt đường sân bay, phù hợp với tần suất và tải trọng khai thác của các loại tàu bay thương mại hiện nay nhưng vẫn chưa có nghiên cứu để từng bước áp dụng ở nước ta. Chương 2 ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY 2.1. Mô hình tính ứng suất, biến dạng hệ nhiều lớp trong kết cấu mặt đường mềm sân bay 2.1.1. Mô hình tính toán z tz t  rtzt zr tr rz r h1, E (E )1  1h , E2 2 2 h 33, E 3 h nn, E n M Æt ph©n c¸ ch 1 M Æt ph©n c¸ ch 2 M Æt ph©n c¸ ch n q a a (t) t Hình 2.1. Mô hình tính ứng suất, biến dạng 2.1.2. Các giả thiết cơ bản [68] Mỗi lớp là một loại vật liệu đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi được đặc trưng bởi môdun đàn hồi E và hệ số nở hông ν; Lớp dưới cùng là lớp bán không gian đàn hồi vô hạn, các lớp phía trên có bề dày nhất định hi; Tại mặt phân giới giữa các lớp, ứng suất, chuyển vị là hoàn toàn liên tục; Tại độ sâu vô hạn ở lớp dưới cùng, ứng suất và chuyển vị bằng không. 2.1.3. Mô hình hóa tính nhớt đàn hồi của lớp vật liệu bê tông nhựa Mô hình hóa tính nhớt đàn hồi của lớp vật liệu bê tông nhựa tính ứng suất, biến dạng mặt đường chịu tác dụng của tải trọng tàu bay theo đường cong đồng từ biến tại các thời điểm khác nhau D(t) và mô đun đàn hồi theo thời gian E(t) [8], [68], được xác định như sau:  )()( ttD  (2.1) )(t biến dạng phụ thuộc thời gian dưới một ứng suất không đổi. 10 ( )( ) tE t  (2.2) 2.1.4. Mô hình tác dụng của tải trọng động [68] Cường độ tác động của tải trọng tuân theo quy luật hình sin.   2sin 2 tq t q d       (2.6) 2.2. Ứng dụng phần mềm Abaqus tính ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường mềm sân bay 2.2.1. Tổng quan về phần mềm Abaqus 2.2.1.1. Giới thiệu chung Abaqus là phần mềm được lập trình trên cơ sở phương pháp PTHH, giải quyết được nhiều vấn đề về ứng suất, chuyển vị trong kết cấu, về sự làm việc của nền và mặt đường dưới tác dụng khác nhau của tải trọng. 2.2.1.2. Cơ sở lý thuyết tính toán [42] Phương trình cân bằng được xây dựng dựa trên sự bảo toàn nĕng lượng tuân theo định luật nhiệt động học thứ nhất[42]. 1 v.v v. .v 2V S V d U dV tdS f dV dt          (2.8) Trong đó: ρ là trọng lượng riêng; v là trường véc tơ vận tốc; U là nĕng lượng bên trong của một đơn vị khối lượng; t là véc tơ lực tác dụng trên bề mặt; f là véc tơ lực thể tích; n là véc tơ chỉ phương trên mặt phẳng S. 2.2.1.3. Phương trình cơ sở xác định ma trận độ cứng Jacobian [42] Từ phương trình cân bằng trạng thái công ảo: 0 0: d t . vdS f vdc T T S VV V V       (2.25) Công thức tính ma trận độ cứng Jacobian là: 0 0 0 0: : : . S .c T S T TMN M N N M M N M N S VV V K H dV dV N Q d N Q dV           (2.34) 2.2.1.4. Phân tích mô hình chịu tác dụng của tải trọng động [42] Chỉ xét đến trường hợp tải trọng tác dụng là hàm phụ thuộc vào thời gian. Biên độ dao động là độ lớn của tải trọng và thay đổi theo thời gian.  2 t t t fq C q q f f tt             (2.35) Trong đó: α, β là chỉ số biên độ dao động; Cβα là ma trận xét đến tính nhớt của vật liệu (làm giảm dần ứng suất, biến dạng); (ft)β là biên độ dao động của tải trọng; Δf là sự thay đổi của tải trọng theo thời gian Δt; qβ biên độ dao động. 2.2.2. Các loại phần tử sử dụng trong tính toán [42] Sử dụng phần tử tam giác, tứ diện, nêm, hình vuông và lập phương. 2.2.3. Đơn vị sử dụng thống nhất trong Abaqus Trước khi xây dựng các mô hình tính toán, cần xác định hệ đơn vị đo lường sử dụng vì trong Abaqus không quy định hệ đơn vị đo lường cụ thể. 2.2.4. Ứng dụng phần mềm Abaqus tính ứng suất, độ võng mặt đường 2.2.4.3. Tính ứng suất, độ võng hệ kết cấu nhiều lớp chịu tác dụng của tải trọng tĩnh 11 Hình 2.20. Mô hình bài toán hệ kết cấu nhiều lớp Kết quả tính toán: Hình 2.21. Độ võng U (mm) Hình 2.22. Ứng suất cắt S12 (MPa) Hình 2.25. Độ võng trên mặt các lớp kết cấu 2.2.4.4. Tính ứng suất, độ võng mặt đường dưới tác dụng của tải trọng động Cường độ tác động của tải trọng theo quy luật hình sin. Kết quả tính toán như sau: 12 Hình 2.27. Độ võng U (mm) Hình 2.28. Ứng suất cắt S12 (MPa) Hình 2.29. Các chu kỳ độ võng mặt đường Hình 2.30. Các chu kỳ ứng suất S12 2.2.4.5. Tính ứng suất, độ võng mặt đường khi xét lớp BTN là vật liệu nhớt đàn hồi Mô hình hóa đặc tính nhớt đàn hồi của lớp BTN theo đường cong đồng từ biến tại các thời điểm khác nhau D(t) và mô đun đàn hồi theo thời gian E(t). Các thông số tính toán được thể hiển trong bảng 2.2. Kết quả tính toán như sau: Hình 2.31. Độ võng U (mm) Hình 2.32. Ứng suất cắt S12 trong lớp BTN (MPa) 13 Hình 2.33. Chu kỳ độ võng mặt đường U (mm) Hình 2.35. Chu kỳ ứng suất cắt S12 (MPa) Bảng 2.5. So sánh độ võng và ứng suất cắt (vật liệu đàn hồi) Giá trị so sánh Tải trọng tác dụng Sai số Tải trọng tĩnh Tải trọng động Độ võng (mm) 3,531 3,476 1,58% S12 (10-1MPa) 6,355 6,144 3,43% Bảng 2.6. So sánh độ võng và ứng suất cắt (BTN là vật liệu nhớt đàn hồi) Giá trị so sánh Ứng xử của vật liệu BTN Sai số Nhớt đàn hồi Đàn hồi Độ võng (mm) 3,392 3,476 2,48% S12 (10-1MPa) 6,000 6,144 2,40% Nhận xét: Giá trị chuyển vị, ứng suất kéo lớn nhất ở đáy lớp BTN và lớp móng đá GCXM của mặt đường lớn nhất tại tâm đường tròn tải trọng tác dụng; Tiêu chuẩn CHИП và TCVN 10907 tính độ võng mặt đường dưới tác dụng của tải trọng tĩnh ứng với Eđàn hồi tĩnh sẽ cho tổng chiều dày các lớp kết cấu lớn hơn khi tính với tải trọng động ứng với Eđàn hồi động theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 vì giá trị Eđàn hồi động thường lớn hơn 2-3 lần Eđàn hồi tĩnh. 2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng trong kết cấu mặt đường mềm sân sân bay 14 Mối quan hệ giữa áp suất bánh hơi tàu bay từ 1,0MPa đến 1,75MPa và độ võng mặt đường cùng một điều kiện về kết cấu, nền đất tuân theo quy luật tuyến tính được xác định theo công thức. U = 2,194pa + 0,138, (mm) (2.36) Mối quan hệ giữa độ võng mặt đường với số lượng bánh với áp suất bánh hơi và đường kính vệt bánh không đổi được xác định theo công thức. 2U = -0,026n 0,782n 2, 045  , (mm) (2.37) Mối quan hệ giữa độ võng mặt đường với sức chịu tải của nền đất (mô đun đàn hồi) khi cùng điều kiện kết cấu được xác định theo công thức. U = -1,12lnEnền+8,224, (mm) (2.38) Mối quan hệ giữa độ võng mặt đường với cường độ lớp BTN khi cùng điều kiện về nền đất và các lớp móng được xác định theo công thức. 0,24 btnU = 14,04E  , (mm) (2.39) Mối quan hệ giữa ứng suất kéo dưới đáy lớp BTN mặt đường với sức chịu tải của nền đất khi cùng điều kiện kết cấu được xác định theo công thức. 3 2 ku btn btnσ =0,12.10 .E 0,025E 3,186   , (MPa) (2.40) 2.4. Kết luận Chương 2 - Để xác định giá trị ứng suất, biến dạng trong hệ kết cấu đàn hồi nhiều lớp đặt trên nền đất bán không gian đàn hồi vô hạn, có nhiều phương pháp giải gần đúng được ứng dụng để tính toán, trong đó phương pháp PTHH được sử dụng nhiều nhất. - Phần mềm Abaqus hoàn toàn đủ độ tin cậy sử dụng để tính toán ứng suất, biến dạng mô hình hệ kết cấu nhiều lớp đàn hồi đặt trên nền đất bán không gian đàn hồi vô hạn chịu tác dụng của tải trọng tĩnh, tải trọng động. - Giá trị ứng suất, biến dạng của mặt đường khi tính với trường hợp tải trọng tĩnh ứng với Eđàn hồi tĩnh lớp mặt BTN lớn hơn khi tính với trường hợp tải trọng động ứng với Eđàn hồi động và trường hợp lớp BTN là vật liệu nhớt đàn hồi. - Ứng dụng phần mềm Abaqus khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng trong các lớp kết cấu mặt đường mềm sân bay giúp cho chúng ta có cái nhìn tổng quan hơn về những yếu tố có ảnh hưởng lớn cần chú ý trong quá trình thiết kế, thi công và khai thác. Chương 3 KIẾN NGHỊ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM SÂN BAY Ở VIỆT NAM 3.1. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 Trong điều kiện khai thác thực tế tại các sân bay, nhiều trường hợp không thể áp dụng tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 để thiết kế vì lý do sau: - Tỉ số tổng chiều dày kết cấu / đường kính vệt bánh tương đương lớn hơn 2 lần, vượt ra ngoài toán đồ tính toán hình 1.13. - Áp suất bánh hơi và tần suất khai thác của tàu bay tính toán vượt ngoài toán đồ tính toán hình 1.10. Để phù hợp với điều kiện khai thác thực tế tại các sân bay, khi áp dụng tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 cần nghiên cứu, bổ sung một số nội dung sau: 15 3.1.1. Xác định chiều sâu nền đất bị nén dưới tác dụng của tải trọng tàu bay Ứng dụng phương pháp PTHH bằng phần mềm Abaqus để tính toán chiều sâu tác dụng của các loại tàu bay Airbus, Boeing và sức chịu tải của nền đất (mô đun đàn hồi) thay đổi từ 28MPa - 100MPa. Kết quả tính toán được lập thành toán đồ hình 3.1 và 3.2. Hình 3.1. Chiều sâu tác dụng xuống nền đất của các loại tàu bay Boeing Hình 3.2. Chiều sâu tác dụng xuống nền đất của các loại tàu bay Airbus 3.1.2. Tính độ võng tương đối tính toán khi tải trọng ngoài toán đồ Khi tính toán cho các loại tàu bay có tải trọng lớn, sức chịu tải của nền đất kém, tỉ số / 2tot et D  và / 0,1mtE E  , sử dụng công thức thực nghiệm (3.3)[70]:      2 2/31,05 /1 / / 1 4 / / /mtk mt tot e mt mtE EE E t D E E E E     (3.3) Trong đó: Emt là môđun đàn hồi trung bình của kết cấu nhiều lớp vật liệu (MPa); ttot là tổng chiều dày các lớp kết cấu (cm); E là môđun đàn hồi của đất nền tự nhiên (MPa); De là đường kính vòng tròn (m) diện tích vệt bánh tương đương của tải trọng bánh đơn tương đương xác định theo công thức (1.19) [24]. Hoặc áp dụng phần mềm Abaqus tính độ võng w của mặt đường, xác định độ võng tương đối tính toán theo công thức (3.2). Kết quả tính toán độ võng tương đối d theo phương pháp tra toán đồ, phần mềm Abaqus và công thức thực nghiệm (3.3) cho các giá trị xấp xỉ như 16 nhau (sai số nhỏ hơn 0,6%) và đủ độ tin cậy khi sử dụng trong quá trình thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay. 3.1.3. Tính độ võng tương đối giới hạn khi tải trọng ngoài toán đồ Khi áp suất bánh hơi pa > 1,5MPa và số lần cất cánh quy đổi Nr > 100 lần/ngày, để xác định giá trị u ngoài toán đồ, mô phỏng toán đồ hình 1.10 [24] theo hàm số toán học, trong đó u = f(Nr, pa). Xây dựng Hàm hồi quy xác định độ võng tương đối giới hạn theo quy luật hàm số mũ trên phần mềm Matlab (mã code xây dựng hàm hồi quy u được trình bày trong phụ lục 3.15) - Nền đất á sét, sét, á cát (gồm có đất sỏi sạn), xác định theo công thức:  2 3 0,1313 3,165 0,8395 3, 208 0, 3722 10a au r p p N        (3.7) - Nền cát bụi, xác định theo công thức:  2 3 0,1023 3,163 0, 9266 3,133 0, 0255 10a au r p p N        (3.8) - Nền cát hạt trung, to và mịn, xác định theo công thức:  2 3 0,1125 1,889 0,0702 1,793 0,7897 10a a u r p p N        (3.9) - Sai số tính theo công thức hồi quy và toán đồ ∆u≤ 1,79% kiến nghị lựa chọn công thức (3.7), (3.8), (3.9) tính u khi áp suất bánh hơi và tần suất ngoài giới hạn toán đồ. 3.1.4. Xây dựng phần mềm tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 Hình 3.5a. Giao diện chương trình thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 Phần mềm tính toán kết cấu mặt đường theo tiêu chuẩn TCVN 10907:2015 được viết bằng ngôn ngữ Microsoft Visual Studio 2005, mã nguồn được trình bày trong phụ lục 3.16 và Excel. 17 3.2. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6F [65] 3.2.2. Mô hình tính toán Mô hình tính toán được dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi xem kết cấu mặt đường mềm là hệ đàn hồi nhiều lớp, đặt trên nền đất bán không gian đàn hồi vô hạn, chịu tác dụng của tải trọng tàu bay và tính bằng phương pháp PTHH sử dụng phần tử không gian 3D, được xây dựng thành một phần mềm thiết kế mặt đường sân bay FAARFIELD (Flexible Iterative Elastic Layer Design Program). Tính toán sức chịu tải mặt đường mềm sân bay theo tiêu chuẩn biến dạng thẳng đứng lớn nhất của nền đường εv và biến dạng ngang lớn nhất dưới đáy lớp mặt bê tông nhựa εh. 3.2.3. Hệ số phá hủy tích lũy CDF (Cumulative Damage Factor) Khái niệm tàu bay thiết kế được thay thế bằng khái niệm thiết kế theo phá hoại mỏi thể hiện qua các giá trị hệ số phá hủy CDFi từng tàu bay tích lũy theo quy luật Miner. CDF là tổng giá trị độ bền mỏi theo tuổi thọ thiết kế của một kết cấu mặt đường đạt đến giới hạn, thể hiện tỉ số giữa tải trọng lặp tác dụng thực tế với tải trọng lặp cho phép khi phá hủy. Bảng 3.3. Xác định tuổi thọ của kết cấu dựa trên giá trị CDF Giá trị CDF Tuổi thọ kết cấu 1,0 Kết cấu đạt đến giới hạn mỏi (kết cấu vừa đạt đến giới hạn tuổi thọ khai thác). < 1,0 Kết cấu chưa khai thác đến giới hạn mỏi, giá trị CDF phản ánh giá trị đã khai thác, sử dụng > 1,0 Kết cấu khai thác vượt quá giới hạn mỏi, kết cấu sẽ bị phá hủy. 3.2.4. Phần mềm thiết kế FAARFIELD Hình 3.9. Giao diện phần mềm FAARFIELD Phần mềm tính toán kết cấu mặt đường FAARFIELD theo tiêu chuẩn AC 150-5320-6 (2016) được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 2005. 18 3.2.6. Những vấn đề đặt ra khi áp dụng tại Việt Nam - Phương pháp này được xây dựng dựa theo các điều kiện tự nhiên, vật liệu, công nghệ thi công của nước Mỹ cần có những nghiên cứu, đánh giá, hiệu chỉnh khi áp dụng tại Việt Nam vì những khác biệt về địa lý, điều kiện tự nhiên, vật liệu xây dựng, công nghệ thi công. - Cần tiến hành khảo sát các nguồn vật liệu, thí nghiệm và đánh giá cường độ so với quy định trong tiêu chuẩn để có hiệu chỉnh cho phù hợp. - Những vấn đề còn tồn tại trong tính toán: Không tính toán được cụ thể ứng suất, biến dạng của các lớp kết cấu mặt đường; Không tính toán được ứng suất tiếp lớn nhất gây trượt, xô vật liệu bê tông nhựa khi nhiệt độ môi trường tĕng cao dưới tác dụng của tải trọng để xem xét điều kiện đảm bảo khả nĕng chống trượt của lớp BTN. 3.3. Ứng dụng phần mềm Abaqus thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay 3.3.1. Mô hình và các chỉ tiêu tính toán Khi tính với tàu bay có hệ càng 1 bánh, sử dụng mô hình đối xứng trục, với hệ càng nhiều bánh, sử dụng mô hình không gian 3D. Hình 3.13. Mô hình đối xứng trục Hình 3.14. Mô hình không gian 3D - Tính toán theo chỉ tiêu độ võng giới hạn cho phép: w ≤ [w] (3.18) Nền đất á sét, sét, á cát (gồm có đất sỏi sạn), xác định theo công thức:    2 30,13132,657 10,1533 1,178 10w a a e r p p D N      (3.19) Nền cát bụi, xác định theo công thức:    2 30,10232,9308 9,9097 0,0807 10w a a e r p p D N      (3.20) Nền cát hạt trung, to và mịn, xác định theo công thức:    2 30,11250,1326 3,387 1, 4917 10w a a e r p p D N      (3.21) 19 Trong đó: pa là áp suất bánh hơi, MPa; Nr là tần suất hoạt động, cất cánh/ngày; De là đường kính vệt bánh tương đương của tàu bay tính toán, m. - Tính toán theo chỉ tiêu cường độ chịu kéo uốn:  max  (3.22) - Tính toán theo chỉ tiêu cường độ chịu cắt:  max  (3.23) Khi tính toán các chỉ tiêu dưới tác dụng của tải trọng động, cường độ tác dụng của tải trọng tuân theo quy luật hình sin và tính theo công thức (2.19). 3.4. Kết luận Chương 3 1. Tiêu chuẩn TCVN 10907: 2015 cần được bổ sung một số nội dung sau: - Chiều sâu tác dụng của tải trọng từ 5m - 7m phụ thuộc vào tải trọng tàu bay khai thác và sức chịu tải của nền đất. - Áp dụng công thức (3.3) [70] hoặc phần mềm Abaqus tính toán độ võng tương đối do tải trọng tàu bay gây ra ngoài toán đồ. - Áp dụng công thức (3.7), (3.8), (3.9) tính độ võng giới hạn tương đối u khi áp suất bánh hơi pa > 1,5MPa và tần suất Nr >100 lượt/ngày. - Áp dụng phần mềm tính toán kết cấu mặt đường đã được nghiên cứu bổ sung những nội dung trên khi thiết kế kết cấu mặt đường mềm sân bay ở nước ta. 2. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AC 150/5320-6 (2016) dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm và cơ sở lý thuyết đàn hồi, được xây dựng thành phần mềm thiết kế FAARFIELD, rất thuận lợi khi áp dụng trong thiết kế mặt đường sân bay ở Việt Nam. 3. Phần mềm Abaqus hoàn toàn đủ độ tin cậy để ứng dụng thiết kế tính toán chiều dày các lớp kết cấu mặt đường sân bay, các giá trị ứng suất – biến dạng trong từng lớp được tính toán cụ thể và có thể tính toán trong môi trường vật liệu đàn hồi hoặc nhớt đàn hồi với tác dụng của tải trọng động,... Chương 4 ÁP DỤNG THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỘT SỐ CẢNG HÀNG KHÔNG 4.1. Một số ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án vào thực tế 4.1.1. Ứng dụng kết quả nghiên cứu sửa chữa đường cất hạ cánh 1A - Cảng hàng không quốc tế (HKQT) Nội Bài Đường cất hạ cánh (CHC) 1A - Cảng HKQT Nội Bài có kích thước 3200mx45m, nĕm 2013 được cải tạo và nâng cấp bằng kết cấu BTN. Sau khi đưa vào khai thác được 1 nĕm với kết cấu nâng cấp bằng bê tông nhựa, khu vực đường lĕn S7 đầu 11L xuất hiện hư hỏng lún vệt bánh tàu bay. Qua kết quả khoan mẫu tại hiện trườ