VỆT HẰN LÚN TRÊN MẶT ĐƯỜNG MỀM NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP

I. ĐẶC ĐIỂM VỂ BiẾN DẠNG (LÚN) CỦA VẬT LIỆU MẶT ĐƯỜNG MỀM

Kết cấu áo đường mềm gồm nhiều lớp, có tầng mặt làm bằng các vật liệu hạt có cường độ chịu lực cao hoặc các vật liệu có trộn nhựa hay tưới nhựa đường, và tầng móng thường gồm lớp móng trên (Base) và lớp móng dưới (sub-base) làm bằng các vật liệu khác nhau đặt trực tiếp trên nền đất hoặc trên lớp đáy móng (Capping layer). Vật liệu của các lớp cấu tạo áo đường mềm là các loại vật liệu “đàn hồi - dẻo” như các loại đá dăm, cấp phối đá dăm, cấp phối sỏi cuội, nền đất hoặc “đàn hồi - nhớt - dẻo” như bê tông nhựa, đá dăm cấp phối trộn nhựa, đá dăm thấm nhập nhựa, đá dăm láng nhựa. Đặc điểm của các loại vật liệu này là dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng có thể được mô tả theo sơ đồ quan hệ giữa độ lún (biến dạng thẳng đứng) dưới đây qua thí nghiệm ép lún. Mẫu thí nghiệm được chuẩn bị theo tiêu chuẩn thí nghiệm ép lún. Các thí nghiệm ép lún được tiến hành với các điều kiện khác nhau về cấp tải trọng P1, P2,... Pn, về độ chặt, độ ẩm, nhiệt độ, về thành phần vật liệu v.v... Đối với mỗi cấp tải trọng P, đo trị số độ lún toàn bộ l khi quá trình lún đã ổn định và đạt giá trị max. Sau đó tiến hành dỡ tải (P = 0) và chờ cho đến khi một phần trị số độ lún l đã được phục hồi ở trạng thái ổn định, tiến hành đo phần lún không phục hồi tức là độ lún dư hay còn gọi là độ lún vĩnh cửu. Như vậy với cấp tải trọng P1 ta có:

l1 = l1PH + l1 không PH

Để nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng trùng phục dưới tác dụng của tải trọng tới độ lún toàn bộ l, lún phục hồi l lún không phục hồi l hành gia tải và dỡ tải với cấp tải trọng không thay đổi P1 lần thứ 1, thứ hai, thứ n cho đến khi lún ổn định đạt giá trị cực đại l

Sau đây là một số nhận xét và kết luận.

1. Các vật liệu sử dụng làm áo đường thuộc loại vật liệu “đàn hồi - dẻo” hoặc “đàn hồi - nhớt - dẻo” không phải là vật liệu hoàn toàn đàn hồi, vì vậy dưới tác dụng của tải trọng xe chạy thì các lớp vật liệu bị biến dạng thẳng đứng (lún) đáng kể, bao gồm hai thành phần lún đặc trưng là lún phục hồi và lún không phục hồi. Phần lún phục hồi đặc trưng cho tính đàn hồi của vật liệu và phần lún không phục hồi đặc trưng cho tính dẻo và nhớt của vật liệu. Khác với vật liệu đàn hồi, vật liệu của các lớp áo đường mềm luôn luôn có phần lún dư (lún vĩnh cửu, lún không phục hồi), là phần lún gây ra vệt hằn lún trên mặt đường. và 1PH , tiến 1 không PH max.

2. Đối với một cấp tải trọng đã được xác định thì phần lún phục hồi gần như không phụ thuộc vào số lần lặp lại của tải trọng tác dụng và do đó thường sử dụng giá trị lún phục hồi để xác định thông số mô đun đàn hồi của vật liệu. Ngược lại, thì phần lún không phục hồi phụ thuộc vào số lần lặp lại của tải trọng tác dụng, tỉ lệ thuận với số lần lặp lại của tải trọng, nhưng với cường độ giảm dần và với trị số cấp tải trọng đã được xác định thì với số lần tác dụng lặp lại nào đó sẽ cho giá trị lún loại này đạt trị số max. Phần lún phục hồi được nhiều tác giả gọi là lún đàn hồi và phần lún không phục hồi được gọi là lún (biến dạng) dư hay lún vĩnh cửu. Thông số môđun đàn hồi của vật liệu Edh trong thực tế là dựa vào trị số lún đàn hồi của vật liệu và thông số mô đun biến dạng của vật liệu Ebd dựa vào trị số lún (biến dạng) toàn bộ bao gồm cả hai phần lún đàn hồi và lún vĩnh cửu (lún dư).

3. Đối với mẫu vật liệu thí được xác định được xác định và với điều kiện môi trường thí nghiệm không thay đổi thì các giá trị về độ lún toàn bộ, phần lún đàn hồi, phần lún vĩnh cửu tăng theo cấp tải trọng tác dụng; trong đó phần lún đàn hồi tăng theo tải trọng tác dụng có quy luật tỷ lệ thuận gần như tuyến tính và phần lún vĩnh cửu theo quy luật hàm số mũ.

4. Trị số lún toàn bộ, lún đàn hồi, lún vĩnh cửu của mặt đường phụ thuộc nhiều vào đặc trưng cơ lý của các lớp vật liệu áo đường và đặc biệt là thông số biến dạng của vật liệu (môđun đàn hồi, mô đun biến dạng). Mô đun đàn hồi, mô đun biến dạng có giá trị càng cao thì các giá trị về lún toàn bộ, lún đàn hồi, lún vĩnh cửu càng giảm. Và ngược lại, nếu vật liệu không được đầm nén đủ độ chặt yêu cầu, nền đường và mặt đường bị ẩm ướt do thiếu các giải pháp ngăn chặn nguồn ẩm do nước mưa và nước ngầm từ bên ngoài xâm nhập vào khu vực tác dụng của tải trọng trong nền đường và các lớp vật liệu áo đường làm cho khả năng chống biến dạng (Eđh bị giảm thì sẽ làm cho mặt đường bị lún đáng kể và đặc biệt là phần lún không phục hồi (biến dạng dư) tích lũy theo thời gian dưới tác động của tải trọng xe chạy. Ngoài ra đối với loại vật liệu có xử lý nhựa đường như bê tông nhựa, đá dăm, cấp phối trộn nhựa, mặt đường đá dăm thấm nhập nhựa, láng mặt v.v... thì thông số biến dạng của vật liệu Eđh thuộc nhiều vào nhiệt độ; nhiệt độ càng tăng thì khả năng biến dạng (lún) đàn hồi , Ebd , Ebd còn phụ và không đàn hồi càng giảm.

5. Vật liệu làm các lớp áo đường không phải là vật liệu đàn hồi hoàn toàn, vì vậy dưới tác dụng của tải trọng xe chạy đều có hiện tượng tích lũy biến dạng dư (biến dạng lún vĩnh cửu) và tất cả các lớp vật liệu áo đường, trong đó có nền đất đều tham gia vào chiều sâu vệt hằn lún trên mặt đường mềm. Tùy theo điều kiện cụ thể của mỗi đoạn đường, vệt hằn lún chủ yếu có thể là do cấu tạo của lớp BTN hoặc do nền đất, hoặc do các lớp móng của áo đường, hoặc do chất lượng thi công, hoặc do xe quá tải v.v...

II. VỆT HẰN LÚN BÁNH XE TRÊN MẶT ĐƯỜNG MỀM - NGUYÊN NHÂN VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ

1. Vệt hằn lún bánh xe trên mặt đường mềm nói chung và mặt đường bê tông nhựa nói riêng là một trong những hiện tượng làm giảm chất lượng khai thác của mặt đường, làm giảm tốc độ xe chạy và gây tai nạn giao thông, vì vậy được Bộ GTVT rất quan tâm nghiên cứu xử ) lý. Viện Khoa học và Công nghệ GTVT trong những năm gần đây đã có một số công trình nghiên cứu trong lĩnh vực này có giá trị [1], [2], [3]. Tổng cục Đường bộ Việt Nam đã thành lập tổ công tác gồm các chuyên gia trong và ngoài Tổng cục (từ 21/3 đến 24/3/2013) đi nghiên cứu thực địa và thu thập các số liệu về hiện tượng vệt hằn lún bánh xe trên QL1A như sau [3]. Địa phận khu QLĐBIV quản lý dài 620Km thì có khoảng 70Km/620Km chiếm 13% xuất hiện lún vệt bánh xe.

Địa phận khu QLĐBV quản lý thì có khoảng 90Km/593Km chiếm 15% xuất hiện lún vệt bánh xe, trong đó các đoạn có chiều sâu vết hằn lún bánh xe ≥ 7cm khoảng 13Km (2,2%), diện tích vệt lún 150.000m2, nơi bị lún nặng nhất có độ sâu 12-15cm. Theo kết quả khảo sát trên đường dẫn cầu Thanh Trì của Công ty Obayashi thì như sau [3]:

Đoạn đường có vệt hằn lún bánh xe lớn (khoảng 10cm) xuất hiện ở làn phải dành cho xe đi chậm, chủ yếu là xe tải nặng và Container theo hướng Hải Phòng - Hà Nội có lưu lượng xe lớn.

Đoạn đường có vệt hằn lún bánh xe nhỏ hơn (khoảng 3,5cm) cũng xuất hiện ở làn xe phải dành cho xe đi chậm, chủ yếu là xe tải và container, hướng Hà Nội - Hải Phòng nhưng có lưu lượng xe ít hơn và tỷ lệ xe tải nặng, xe container chiếm trong dòng xe cũng nhỏ hơn so với hướng Hải Phòng - Hà Nội.

Theo kết quả kiểm tra ngoài hiện trường tại các đoạn xuất hiện vệt hằn lún bánh xe trên đường dẫn vào cầu Thanh Trì thì nền đường, các lớp móng áo đường và lớp mặt đường cơ bản đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế và thi công hiện hành đối với cấp đường, phù hợp với lưu lượng xe, tải trọng xe tính toán đã được dự báo trong thiết kế. Các tài liệu khảo sát, thu thập của Tổng cục Đường bộ Việt Nam và của Công ty Obayashi đã cung cấp những thông tin quan trọng về tình hình phát sinh hiện tượng vệt hằn lún bánh xe trên một số tuyến đường cấp cao ở nước ta về mặt định lượng như chiều sâu vệt lún bánh xe, chiều dài các đoạn đường có xuất hiện vệt hằn lún bánh xe (số km, tỷ lệ phần trăm chiều dài đoạn đường có vệt hằn lún so với chiều dài tuyến đường khảo sát); vệt hằn lún vệt bánh xe có đặc điểm là xuất hiện ở làn xe dành cho xe đi chậm, chủ yếu là xe tải nặng và container, do lưu lượng xe và tải trọng xe thực tế lưu thông trên đường lớn hơn các giá trị dự báo khi lập dự án... Các tài liệu khảo sát, thu thập của các tổ chuyên gia về hiện tượng lún vệt bánh xe nói trên cho thấy chiều sâu vệt hằn lún và tỷ lệ phần trăm xuất hiện vệt lún trên tổng chiều dài đường đã vượt quá chỉ số quy định đối với đường cấp cao, đã có ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác của đường và an toàn giao thông và cần có giải pháp xử lý.

2. Nguyên nhân và giải pháp xử lý

Nguyên nhân gây ra vệt hằn lún bánh xe là do hiện tượng tích lũy biến dạng không phục hồi (biến dạng dư, biến dạng vĩnh cửu) do xe chạy trên đường tập trung ở một vệt xe chạy nào đó lớn hơn các vệt xe liền kề, do đó tạo thành vệt lún sâu chạy dọc theo hướng của quỹ đạo xe chạy.

Như đã phân tích ở mục I “Đặc điểm về biến dạng (lún) của vật liệu mặt đường mềm” cho thấy nguyên nhân gây ra vệt hằn lún bánh xe là do nhiều nhóm nguyên nhân khác nhau:
 
- Thiết kế hỗn hợp BTN chưa phù hợp với điều kiện thực tế về lưu lượng và tải trọng xe chạy, về nhiệt độ trên mặt đường: chưa quan tâm đầy đủ đến các tiêu chuẩn về loại đá, thành phần cấp phối, loại nhựa phù hợp, tỷ lệ của hàm lượng nhựa tối ưu; chưa quan tâm đầy đủ đến chất lượng hỗn hợp BTN về chỉ tiêu kháng vệt hằn lún bánh xe đối với những đoạn đường có nhiều xe tải nặng, xe container. Để khắc phục một số tồn tại trong thiết kế hỗn hợp BTN cần xem xét, chỉnh sửa Tiêu chuẩn 22TCN249-98 hiện nay, trước mắt áp dụng tiêu chuẩn 8819:2011 - Mặt đường bê tông nhựa nóng - yêu cầu thi công và nghiệm thu (bổ sung, sửa đổi 22TCN249-98) [1] TCVN8820:2011 - Hỗn hợp bêt ông nhựa nóng - Thiết kế theo phương pháp Marshall [2] Nghiên cứu áp dụng vật liệu SMA, bê tông nhựa Polimer, BTN rỗng đối với đường cấp cao có lưu lượng xe lớn và xe tải nặng lưu thông trên đường.

Cần biên soạn Tiêu chuẩn về thí nghiệm vệt hằn lún bám xe và quy định về ngưỡng cho phép đối với các trường hợp khác nhau với điều kiện nhiệt độ lớn nhất thực tế đo được trên mặt đường. Lớp mặt của kết cấu áo đường mềm nói chung và lớp mặt BTN sử dụng đối với đường ô tô cấp cao nói riêng là bộ phận của kết cấu áo đường chịu tác dụng trực tiếp và lớn nhất của tải trọng xe, của lực ngang do ma sát giữa lốp xe và mặt đường. Khi xe chuyển động, đặc biệt khi hãm phanh, khi xe chạy trên đường vòng do lực ly tâm.

Lớp mặt của áo đường còn chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiệt độ, mưa bão... Các yếu tố kể trên gây ra biến dạng dư (lún do vệt hằn bánh xe) ở lớp mặt đường bất lợi nhất so với các lớp vật liệu bên dưới khi ứng suất thẳng đứng và ứng suất tiếp giảm đáng kể theo chiều sâu. Tuy nhiên nói như vậy không có nghĩa là các lớp vật liệu của lớp móng áo đường và của nền đất không tham gia vào độ lún của vệt hằn lún bánh xe. Trong một số trường hợp, mặc dù hỗn hợp BTN đã được thiết kế hợp lý về cốtl iệu hạt, hàm lượng nhựa tối ưu, sử dụng nhựa có chất lượng cao có khả năng chịu được nhiệt độ cao, có khả năng kháng lún vệt hằn bánh xe v.v... nhưng vẫn xuất hiện các vệt hằn lún bánh xe lớn vượt quá ngưỡng cho phép. Trong những trường hợp này nguyên nhân chính xuất hiện vệt hằn lún bánh xe là do nền đất, do các lớp vật liệu áo đường, do chất lượng thi công các lớp vật liệu, do thoát nước nền và mặt đường không đảm bảo v.v...

3. Nền đất trong khu vực tác dụng của nền đường dưới tác dụng của xe chạy (khoảng 80 - 100cm dưới đáy lớp móng áo đường), không đủ cường độ chịu lực và không đồng đều về độ chặt đầm nén đất.

Nền đất là bộ phận quan trọng trong kết cấu tổng thể nền mặt đường đảm bảo các lớp móng và lớp mặt của áo đường làm việc bình thường, đảm bảo cường độ chịu lực chung của áo đường (Ech), đảm bảo lớp mặt trên của kết cấu áo đường bằng phẳng,không lượn sóng, hạn chế vết hằn lún bánh xe... Với chức năng của nền đất có tầm quan trọng như vậy, nhưng nền đất thông thường có cường độ chịu lực (Edh nhỏ hơn nhiều so với các lớp vật liệu móng đường và lớp mặt đường và thường phải làm việc trong điều kiện độ ẩm bất lợi do hệ thống thoát nước không được quan tâm đầy đủ, do việc lu lèn không đủ độ chặt theo tiêu chuẩn quy định, do sử dụng các loại đất không đủ tiêu chuẩn và trong thi công không đảm bảo sự đồng nhất về loại đất và lu lèn theo các lớp đất đắp. Với những đặc điểm nói trên nên mặc dù ứng suất thẳng đứng và ứng suất tiếp do xe chạy khi phân bố xuống nền đất đã giảm đáng kể so với các lớp áo đường bên trên khi truyền xuống nền đất, nhưng thông thường phần biến dạng dư (biến dạng vĩnh cửu) do nền đất cũng chiếm một tỷ lệ phần trăm đáng kể. Để khắc phục hiện tượng vệt hằn lún bánh xe trên mặt đường không phát triển vượt quá ngưỡng cho phép, việc đầu tiên là phải áp dụng các giải pháp hạn chế tối đa phần biến dạng dư tích lũy do nền đất như phải bảo đảm đất sử dụng đắp nền đường có đủ các tiêu chuẩn về thành phần hạt, về đặc trưng cơ lý của vật liệu như tiêu chuẩn hiện hành quy định, đảm bảo khu vực tác dụng của nền đường khô ráo, đảm bảo độ chặt đầm nén các lớp đất theo tiêu chuẩn thiết kế và thi công nền đường. Trong một số trường hợp còn cần bố trí lớp đáy móng (capping layer) bằng vật liệu có cường độ cao và ổn định đối với nước thay cho , Ebd ) lớp đất thông thường để tăng khả năng chống biến dạng của nền đất.

3. Đối với đường ô tô cấp cao và đường cao tốc có lưu lượng xe lớn, nhiều xe tải nặng và xe container lưu thông nhưng kết cấu lớp móng vẫn được thiết kế theo truyền thống là lớp móng trên bằng vật liệu cấp phối đá dăm loại 1 và lớp móng dưới bằng vật liệu cấp phối đá dăm loại 2 là không hợp lý. Đó là về phần thiết kế cấu tạo lớp móng như vậy là chưa hợp lý đối với đường cấp cao; còn về phần tính toán chiều dày các lớp móng dựa theo cường độ chung Ech của toàn bộ kết cấu áo đường thì trên các tuyến đường BTN có xuất hiện các vệt hằn lún bánh xe với diện rộng và sâu như kết quả điều tra cho thấy phần nhiều là do việc dự báo lưu lượng xe thiết kế và phần trăm xe tải nặng, xe container không chính xác, do đó chiều dày các lớp vật liệu lớp móng không đủ chiều dày vì trong thực tế điều kiện giao thông hoàn toàn khác với các giả thiết khi lập dự án.

Đơn cử một ví dụ trên đường dẫn cầu Thanh Trì: Năm 2011 lưu lượng xe thống kê được là 23.598 xe/ngđ, trong đó có 70% xe vượt tải trọng trục xe lớn nhất cho phép thiết kế [3], đều vượt quá điều kiện khi lập dự án. Bộ phận móng trong cấu tạo áo đường là phần chịu lực chủ yếu của áo đường có ảnh hưởng rất lớn tới điều kiện làm việc của lớp mặt và nền đất, đến chiều sâu vệt hằn, lún vệt bánh xe. Vì vậy cần thiết nghiên cứu thay đổi việc bố trí vật liệu các lớp móng, đặc biệt là lớp móng cơ bản (base). Một trong những giải pháp xử lý lớp móng là sử dụng lớp móng CPĐd có thể xử lý nhựa hoặc xi măng. Lớp móng cấp phối có gia cố vật liệu liên kết vô cơ hoặc liên kết hữu cơ có tác dụng hạn chế độ lún dư (vĩnh cửu) của lớp mặt BTN và giảm ứng suất do tải trọng xe truyền xuống nền đất đáng kể.

4. Việc xử lý giảm thiểu vệt hằn lún bánh xe đối với mỗi đoạn đường phải được tiến hành dựa trên những kết quả khảo sát, đánh giá đúng đắn yếu tố nào là nguyên nhân chính để tập trung tìm biện pháp khắc phục: do thiết kế cấu tạo hoặc do tính toán chiều dày các lớp, hoặc do thiết kế hỗn hợp BTN, do chất lượng nhựa sử dụng hoặc do nền đất, do thoát nước không tốt hoặc do thi công, hoặc do thực tế trên đường có quy mô giao thông vượt lưu lượng xe thiết kế khi lập dự án đường và trên đường có nhiều xe quá tải và xe container