Với các tuyến đường cao tốc, lớp đỉnh nền đường K98 dưới kết cấu áo đường mềm có vai trò quan trọng: Không chỉ có chức năng ngăn cản sự thâm nhập của các nguồn ẩm từ phía dưới, hỗ trợ cho quá trình thi công các lớp kết cấu phía trên mà còn trực tiếp tham gia vào quá trình chịu lực của cả kết cấu. Do vậy, việc theo dõi, khảo sát sự ổn định của lớp này theo thời gian làcần thiết, giúp đánh giá chính xác sự làm việc của kết cấu áo đường, dự báo chính xác hơn tuổi thọ... 
http://doi.org/10.64588/jc.01.10.2025
Tóm tắt
Mô đun đàn hồi tại vị trí đỉnh nền đường là một trong những chỉ tiêu trong quá trình nghiệm thu khi thi công tuyến đường. Đây cũng là một thông số quan trọng cần thu thập trong quá trình khai thác để phục vụ công tác đánh giá khả năng phục vụ của tuyến đường, trong việc lập kế hoạch sửa chữa hay trong nâng cấp, mở rộng tuyến đường đang khai thác. Tuy nhiên, việc xác định mô đun đàn hồi hay các chỉ tiêu cơ lý khác của nền đất lại là một công việc không dễ dàng đối với các tuyến đường đang khai thác, đặc biệt là các tuyến đường cao tốc. Các thiết bị thí nghiệm không phá hủy đã được phát triển để phần nào giải quyết khó khăn này.
Bài báo giới thiệu phương pháp xác định mô đun đàn hồi của nền đường K98 từ các số liệu đo của thiết bị gia tải động, so sánh với thí nghiệm CBR trong phòng để tìm ra mối quan hệ phù hợp trong điều kiện cụ thể giữa giá trị mô đun đàn hồi và trị số CBR. Việc kết hợp sử dụng hợp lý các thí nghiệm này vừa giúp tăng độ tin cậy của thiết kế và đánh giá kết cấu áo đường vừa vẫn đảm bảo yếu tố kinh tế.
Từ khóa: Đường cao tốc, nền đường K98, mô đun đàn hồi, thiết bị gia tải động.
Abstract
The elastic modulus at the top of the subgrade is one of the key criteria for acceptance during road construction. It is also an essential parameter to be collected during operation to evaluate the serviceability of the roadway, and to support maintenance planning, upgrading, and expansion of existing roads. However, determining the elastic modulus or other geotechnical parameters of the subgrade is challenging for in-service roads, particularly expressways. To address this issue, non-destructive testing devices have been developed. This paper presents a method for assessing the elastic modulus of the K98 subgrade based on measurement data obtained from a dynamic loading device, and compares the results with laboratory CBR tests to establish a suitable correlation between the elastic modulus and CBR values under specific conditions. The rational combination of these tests not only enhances the reliability of pavement design and performance evaluation but also ensures cost-effectiveness.
Keywords: Expressway, K98 subgrade, elastic modulus, dynamic loading device.
1. Đặt vấn đề
Trong quá trình thiết kế kết cấu áo đường, cường độ của nền đường là một trong các thông số tính toán không thể thiếu. Đặc biệt với các tuyến đường cao tốc, lớp đỉnh nền đường K98 dưới kết cấu áo đường mềm có vai trò rất quan trọng: không chỉ có chức năng ngăn cản sự thâm nhập của các nguồn ẩm từ phía dưới, hỗ trợ cho quá trình thi công các lớp kết cấu phía trên mà còn trực tiếp tham gia vào quá trình chịu lực của cả kết cấu. Do vậy, việc theo dõi, khảo sát sự ổn định của lớp này theo thời gian là rất cần thiết, giúp đánh giá chính xác sự làm việc của kết cấu áo đường, dự báo chính xác hơn tuổi thọ và khả năng sử dụng của tuyến đường.
Tuy nhiên, việc đánh giá lớp đỉnh nền đường K98 trên các tuyến đường đang khai thác là không hề đơn giản, các phương pháp thí nghiệm cũ đã không còn phù hợp vì ảnh hưởng đến giao thông, cũng như chất lượng và tính toàn khối của mặt đường. Hiện nay, công việc này đã được các nước tiên tiến thực hiện bằng các thí nghiệm không phá hủy, một trong số đó là phương pháp thí nghiệm bằng thiết bị gia tải động. Bài báo không chỉ giới thiệu phương pháp thí nghiệm, mà còn đưa ra các đối sánh với các thí nghiệm phổ biến ở Việt Nam hiện nay để bước đầu có thể quy đổi kết quả của các phương pháp trong các điều kiện phù hợp
2. Các phương pháp xác định cường độ nền đất dùng trong đường ô tô và đường cao tốc
2.1. Thí nghiệm tấm ép cứng [1]
Phương pháp này xác định mô đun đàn hồi của nền đất và các lớp kết cấu áo đường bằng phương pháp sử dụng tấm ép cứng với hệ thống chất tải dùng xe tải có khung hoặc neo cho phép tạo ra phản lực yêu cầu trên bề mặt thí nghiệm.
Độ võng đàn hồi tương ứng với mỗi cấp lực được đo và xây dựng thành biểu đồ quan hệ giữa độ võng đàn hồi và áp lực. Mô đun đàn hồi được xác định theo công thức:
2.2. Thí nghiệm bằng tải trọng tĩnh lặp lại không phá hủy [2]
Phương pháp thử nghiệm lặp nhằm đánh giá mô đun đàn hồi phục hồi của các lớp móng và nền bằng cách đo độ lún tại tâm và ở các khoảng cách khác nhau so với tâm tải. Ưu điểm của phương pháp này là khảo sát được độ cứng thực tế của kết cấu mặt đường ngoài hiện trường. Đối với lớp nền mô đun đàn hồi được tính theo công thức:
1.3. Thí nghiệm gia tải động [3]
Độ võng được đo bằng các sensor theo dõi sự chuyển vị của mặt đường khi tải trọng tác động rơi từ độ cao định trước xuống hệ thống đệm cao su và truyền xuống mặt đường. Thí nghiệm không chỉ xác định mô đun chung của kết cấu mà còn có thể tính toán mô đun của từng lớp vật liệu.
Mô đun đàn hồi của nền đường tại điểm đo i:
1.4. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu CBR tại hiện trường [4]
Phương pháp xác định chỉ số CBR của đất nền, các lớp móng bằng vật liệu rời tại hiện trường. Thiết bị thí nghiệm cơ bản gồm: Kích gia tải tạo lực nén cho đầu xuyên, dụng cụ đo lực nén của đầu xuyên, đầu xuyên bằng thép hình trụ tròn, tấm gia tải hình vành khăn và hệ thống chất tải.
CBR tại vị trí thử nghiệm được xác định theo biểu đồ quan hệ áp lực nén - chiều sâu xuyên.
1.5. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu CBR trong phòng thí nghiệm [5]
Phương pháp này xác định tỷ số CBR của vật liệu sử dụng làm nền, móng trong kết cấu nền mặt đường (đất, đất gia cố, cấp phối đá dăm, cấp phối tự nhiên...) trong phòng thí nghiệm trên mẫu vật liệu đã được đầm nén trong cối với độ ẩm đầm nén tốt nhất, được ngâm mẫu trong nước với thời gian 96 giờ, tương ứng với độ chặt K quy định theo yêu cầu thiết kế.
CBR tại vị trí thử nghiệm được xác định theo biểu đồ quan hệ áp lực nén - chiều sâu ép lún, theo công thức (4)
1.6. Nhận xét về các phương pháp thí nghiệm
Phương pháp ép tĩnh là phương pháp thí nghiệm phức tạp, có năng suất thấp nên đã có các khuyến nghị không nên dùng rộng rãi. Phương pháp thí nghiệm bằng tải trọng tĩnh lặp lại là phương pháp thí nghiệm tại chỗ nên tránh được các sai số do việc lấy mẫu và điều kiện thí nghiệm. Tuy nhiên, hiện nay chưa có tiêu chuẩn của Việt Nam về việc thực hiện phương pháp thí nghiệm này. Phương pháp xác định chỉ số CBR hiện trường cũng có các ưu điểm là đảm bảo các điều kiện thí nghiệm tương đồng với điều kiện sử dụng, tuy nhiên công tác thực hiện cũng khá phức tạp.
Phương pháp gia tải động tại hiện trường là phương pháp thí nghiệm không phá hủy cho phép xác định nhanh sức chịu tải của mặt đường, của nền đất và các lớp kết cấu mà không ảnh hưởng đến nguyên trạng kết cấu mặt đường.
Phương pháp xác định chỉ số CBR trong phòng thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện, giá thành rẻ. Tuy nhiên, với các điều kiện về mẫu thử, về vật liệu… khó để thể hiện được trạng thái làm việc thực tế của các lớp vật liệu.
2. Xác định mô đun đàn hồi của nền đường K98 dưới mặt đường bê tông nhựa trên đường cao tốc
2.1. Quy hoạch thực nghiệm
Như đã trình bầy trong phần 1, với điều kiện thiết bị hiện tại và dựa vào việc phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp. Trong nghiên cứu này, lựa chọn sử dụng thiết bị gia tải động tại hiện trường (HWD) và thí nghiệm xác định chỉ số CBR trong phòng thí nghiệm để đánh giá cường độ nền đất dưới kết cấu mặt đường cao tốc tại Việt Nam. Các kết quả sẽ góp phần đánh giá việc sử dụng các trị số đo tĩnh và động trong thiết kế và kiểm toán kết cấu áo đường mềm.
Các thí nghiệm được thực hiện trên cùng 1 đoạn tuyến thuộc cao tốc Cam Lâm - Vĩnh Hảo, với kết cấu áo đường có chiều dầy 74 cm với tổng bề dầy các lớp mặt BTN là 22 cm, lớp đỉnh nền K98 dầy 30 cm. Do thời điểm thí nghiệm khác nhau: Thí nghiệm CBR được thực hiện khi nghiệm thu nền đường, thí nghiệm HWD được thực hiện khi nghiệm thu kết cấu áo đường nên không thể bảo đảm các điều kiện tương đồng về môi trường, khí hậu… Tuy vậy, đây cũng là việc tất yếu khi thực hiện 2 thí nghiệm động và tĩnh với nền đất. Mặt khác, kết cấu mặt đường luôn được coi là kín và tuyến đường cao tốc chưa đưa vào khai thác nên có thể coi các sai khác này là không đáng kể.
2.2. Kết quả từ thiết bị HWD
Kết quả đo thu được từ thiết bị HWD bao gồm giá trị tải trọng, các độ võng và mô đun đàn hồi động thu được tại từng vị trí sensor đặt dọc theo thân máy. Hình 1 minh họa giá trị đo độ võng và mô đun đàn hồi động thu được tại 1 vị trí đo.
Hình 1: Giá trị đo độ võng và mô đun đàn hồi động thu được tại 1 vị trí trên mặt đường.
Mô đun đàn hồi động hữu hiệu Mr của nền đường được xác định theo công thức (3). Việc kiểm tra độ chính xác của Mr được thực hiện trên cơ sở so sánh giữa độ võng tính toán của mặt đường được xác định từ giá trị Mr vừa tính với độ võng đo được từ thiết bị HWD. Độ võng được tính toán:
Một số kết quả tính Mô đun đàn hồi động và tĩnh tại các vị trí đo trên tuyến cao tốc Cam Lâm - Vĩnh Hảo được thống kê trong Bảng 1
Bảng 1: Ví dụ kết quả đo từ thiết bị HWD và kết quả tính Mô đun đàn hồi tại 1 vị trí.
Các kết quả tính tại một số điểm đo từ Km115 đến Km134 cho kết quả tính Mô đun đàn hồi tĩnh đạt được trong khoảng từ 98 đến 151 Mpa.
2.3. Kết quả thí nghiệm CBR cùng các thông số của nền đất
Kết quả tính CBR cùng các thông số của nền đất tại thời điểm làm thí nghiệm được tổng hợp trong Bảng 2 và Bảng 3.
Bảng 2: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý và độ chặt hiện trường đất đắp K98.
Bảng 3: Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu thành phần hạt của đất đắp nền đường K98.
3. Đánh giá trị số mô đun đàn hồi tính toán của nền đường K98 dưới mặt đường bê tông nhựa trên đường cao tốc
Với các kết quả thí nghiệm xác định CBR của nền đường đã được thực hiện trong quá trình nghiệm thu. Các giá trị tính toán mô đun đàn hồi tĩnh của nền đường trong mục 2 sẽ được quy đổi thành trị số CBR theo các quan hệ đã được thiết lập. Các giá trị CBR tính toán này sẽ được so sánh với kết quả thí nghiệm để đánh giá tính hiệu quả, sự phù hợp của các quan hệ Mr-CBR đã có; cũng như để thấy rõ hơn mối liên hệ giữa 2 thông số này và khả năng tính đổi giữa 2 phương pháp thí nghiệm động và tĩnh.
3.1. Các mối quan hệ giữa Mr và CBR
Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi của nền đất Mr và giá trị CBR đã có nhiều. Trong nghiên cứu này, tác giả chọn một vài quan hệ được trích dẫn trong TCCS-37 [6]. Đây là các mối quan hệ được xây dựng với thí nghiệm CBR trong phòng thí nghiệm, phù hợp với phương pháp nghiên cứu đã đề xuất ở trên, được tổng hợp trong Bảng 4.
3.2. Kết quả tính CBR theo giá trị mô đun đàn hồi tính toán (Mr)
Với kết quả tính Mô đun đàn hồi tĩnh đạt trong khoảng từ 98 đến 151 Mpa. Giá trị CBR tương ứng với từng công thức được tổng hợp trong Bảng 5.
3.3. Nhận xét
Có thể thấy, so với kết quả thí nghiệm hiện trường CBR = 17.22 thì các giá trị CBR tính từ mô đun đàn hồi của nền đất Mr theo các công thức trên là tương đối phù hợp. Ngoài các công thức số 3,4,5,6 cho giá trị CBR cao hơn, còn các công thức khác đều cho ra kết quả gần với số liệu thí nghiệm.
4. Kết luận
Các vật liệu thường dùng trong kết cấu áo đường mềm có ứng xử khác nhau với các thí nghiệm tĩnh và động, phụ thuộc vào đặc tính đàn hồi nhớt của vật liệu đó. Tuy vậy, vẫn tồn tại mối liên hệ giữa kết quả thí nghiệm theo 2 phương pháp này. Việc kết hợp sử dụng cả hai thí nghiệm tĩnh và động là một công việc tất yếu vừa giúp tăng độ tin cậy của thiết kế và đánh giá kết cấu áo đường vừa vẫn đảm bảo yếu tố kinh tế.
Với nền đất, việc sử dụng thiết bị gia tải động tại hiện trường và thí nghiệm xác định chỉ số CBR trong phòng thí nghiệm để đánh giá cường độ và xây dựng mối quan hệ giữa chúng là phù hợp với điều kiện hiện tại.
Với các mối quan hệ Mr - CBR đã có, có thể lựa chọn công thức phù hợp với đặc điểm riêng của mặt đường bê tông nhựa trên các tuyến đường cao tốc ở Việt Nam khi muốn chuyển đổi các số liệu đo động sang các giá trị tĩnh và ngược lại.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. TCVN 8861:2011, Áo đường mềm - Xác định mô đun đàn hồi của nền đất và các lớp kết cấu áo đường bằng phương pháp sử dụng tấm ép cứng.
[2]. David J.White, Pavana Vennapusa (2016). Automated Plate Load Testing Report: Love's Travel Stop, Sadieville, KY. Medium-Duty Pavement Test Section.
[3]. 22TCN335-06, Quy trình thí nghiệm và đánh giá cường độ nền đường và kết cấu mặt đường mềm của đường ô tô bằng thiết bị đo động FWD.
[4]. TCVN 8821:2011, Phương pháp xác định chỉ số CBR của nền đất và các lớp móng đường bằng vật liệu rời tại hiện trường.
[5]. TCVN 12792:2020, Vật liệu nền, móng mặt đường - phương pháp xác định tỷ số CBR trong phòng thí nghiệm.
[6]. TCCS 37:2022/TCĐBVN, Áo đường mềm - yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế theo chỉ số kết cấu.
