Mô-đun đàn hồi chung của mặt đường là con số cho biết cả kết cấu, từ nền đất lên tới lớp mặt, cứng đến đâu khi chịu tải bánh xe; nó được tính ngược từ độ võng của mặt đường dưới một tải trọng biết trước. Ba cách đo phổ biến là cần Benkelman (đo độ võng dưới bánh xe tải đỗ rồi lăn đi), tấm ép cứng (ép một tấm thép tròn bằng kích và đo lún), và thiết bị đo võng bằng quả nặng rơi (FWD) đo nhanh hàng loạt điểm.
Độ chặt cho biết từng lớp đã lu tốt chưa; mô-đun đàn hồi cho biết các lớp ấy chồng lên nhau có đủ sức gánh xe hay không. Đó là lý do phép đo này thường làm ở mặt lớp móng trên cùng trước khi rải nhựa và ở mặt đường hoàn thiện khi nghiệm thu, cũng như khi đánh giá đường cũ để tính chiều dày lớp tăng cường.
Độ võng và mô-đun: vì sao đo cái này lại biết cái kia
Khi một bánh xe nặng đứng trên mặt đường, cả kết cấu bên dưới bị nén lại một chút và mặt đường võng xuống một lượng rất nhỏ, thường tính bằng phần trăm milimét. Khi bánh xe đi qua, phần lớn độ võng đó hồi lại; phần hồi lại gọi là độ võng đàn hồi. Kết cấu càng cứng thì độ võng càng nhỏ.
Lý thuyết đàn hồi cho phép đi ngược: biết tải trọng, biết diện tích vệt bánh xe hay tấm ép, đo được độ võng, sẽ tính ra một mô-đun đàn hồi tương đương cho cả kết cấu, như thể cả hệ nhiều lớp là một khối đồng nhất. Con số này được so với mô-đun yêu cầu trong hồ sơ thiết kế áo đường; thiết kế đặt mô-đun yêu cầu dựa trên lưu lượng xe và tải trọng trục mà con đường phải phục vụ.
Cần hiểu đây là một con số tương đương. Nó không cho biết lớp nào yếu, chỉ cho biết tổng thể yếu hay mạnh. Muốn khoanh lớp yếu phải kết hợp với độ chặt từng lớp, khoan mẫu, hoặc dùng FWD với nhiều cảm biến để phân tích ngược mô-đun từng lớp.
Đo bằng cần Benkelman: các bước nguyên lý
Cần Benkelman là một thanh dầm dài, mảnh, quay quanh một khớp; đầu đo đặt vào điểm giữa hai bánh kép phía sau của xe tải, đầu kia gắn đồng hồ đo chuyển vị. Trình tự thường gặp:
- Chuẩn bị xe đo có tải trọng trục sau theo quy định (ở Việt Nam thường dùng trục đơn bánh kép theo tải trọng trục tính toán của thiết kế), kiểm áp suất lốp và cân trục trước khi đo.
- Chọn điểm đo theo sơ đồ, thường ở vệt bánh xe, cách mép đường một khoảng nhất định; đánh dấu và đo nhiệt độ mặt đường nếu là mặt nhựa.
- Cho xe đỗ để điểm đo nằm giữa hai bánh kép, luồn đầu cần vào đúng điểm, cố định chân cần ngoài vùng ảnh hưởng của bánh xe, đọc đồng hồ ban đầu.
- Cho xe chạy chậm ra xa đến khoảng cách quy định, chờ đồng hồ ổn định và đọc lại; hiệu số hai lần đọc nhân hệ số tỷ lệ của cần là độ võng đàn hồi.
- Hiệu chỉnh theo nhiệt độ mặt đường và theo mùa (đo mùa khô thì kết cấu cứng hơn mùa mưa), theo hướng dẫn của tiêu chuẩn phương pháp.
- Tính độ võng đặc trưng cho cả đoạn từ trung bình và độ lệch chuẩn, rồi đổi ra mô-đun đàn hồi đặc trưng để so với yêu cầu thiết kế.
Điểm hay bị coi nhẹ là khâu thống kê ở bước cuối. Người ta không lấy trung bình đơn giản, vì một đoạn có vài điểm võng rất lớn thì đó chính là nơi đường sẽ hỏng trước. Độ võng đặc trưng cộng thêm một phần độ lệch chuẩn để phản ánh các điểm yếu. Đoạn có độ phân tán lớn nên được chia nhỏ để xem xét riêng.
Tấm ép cứng: đo trên nền và móng khi chưa có mặt đường
Tấm ép là một tấm thép tròn, cứng, đặt trực tiếp lên mặt nền hay mặt lớp móng đã gạt phẳng. Một kích thuỷ lực tì lên một vật nặng làm đối trọng (thường là chính xe tải chở đầy hoặc máy lu) để ép tấm xuống theo từng cấp tải. Ở mỗi cấp, người ta chờ lún ổn định, đọc lún bằng đồng hồ gắn trên một dầm chuẩn đặt ngoài vùng ảnh hưởng, rồi dỡ tải để đọc phần hồi phục.
Từ quan hệ giữa áp lực và phần lún đàn hồi, người ta tính được mô-đun đàn hồi của lớp tại điểm đó. Phép đo chậm hơn Benkelman, mỗi điểm mất khá nhiều thời gian, nhưng dùng được ở nơi chưa có mặt đường và cho kết quả trực tiếp trên từng lớp nền hoặc móng. Nó hay được dùng khi đánh giá nền đất trước khi thi công móng, khi nghiệm thu nền sau xử lý đất yếu, hoặc khi cần đối chứng.
Một lỗi phổ biến là đặt tấm lên mặt không phẳng, chỉ tiếp xúc ở vài điểm, khiến lún ở cấp tải đầu lớn bất thường. Mặt tiếp xúc phải được gạt phẳng và rải một lớp cát mỏng làm phẳng theo hướng dẫn. Dầm chuẩn mang đồng hồ cũng phải đặt đủ xa, nếu không chính dầm cũng lún theo và số đọc nhỏ hơn thật.
Ba thiết bị, ba hoàn cảnh dùng
So sánh ở mức nguyên lý để biết khi nào gặp loại nào trên công trường hay trong báo cáo đánh giá đường cũ:
| Thiết bị | Cách tạo tải | Hợp khi nào | Hạn chế |
|---|---|---|---|
| Cần Benkelman | Bánh kép xe tải đỗ rồi chạy ra | Nghiệm thu mặt móng, mặt đường; đánh giá đường cũ ở quy mô vừa | Chậm, phụ thuộc xe đo và người đọc, chỉ cho độ võng một điểm |
| Tấm ép cứng | Kích ép tấm thép tròn theo cấp tải | Nền đất, lớp móng chưa có mặt; đối chứng | Rất chậm, cần đối trọng, mỗi ngày ít điểm |
| FWD (quả nặng rơi) | Xung lực do quả nặng rơi lên tấm đệm | Khảo sát tuyến dài, đánh giá đường cũ, thiết kế tăng cường | Thiết bị đắt, cần phần mềm phân tích ngược và người có kinh nghiệm |
| Thiết bị đo võng nhẹ cầm tay | Quả nặng nhỏ rơi | Kiểm nhanh nền, lớp móng trong lúc thi công | Vùng ảnh hưởng nông, thường chỉ dùng kiểm soát nội bộ |
FWD ghi độ võng ở nhiều khoảng cách quanh điểm tải, tạo thành một chậu võng. Hình dạng chậu cho phép phân tích ngược mô-đun của từng lớp: võng lớn ngay tâm mà nhỏ nhanh ra xa là lớp trên yếu; võng lớn trải rộng là nền dưới yếu. Đây là lợi thế lớn khi cần quyết định thảm tăng cường hay phải đào làm lại móng.
Đọc kết quả mô-đun đàn hồi khi nghiệm thu
So đúng mốc. Mô-đun yêu cầu ở mặt lớp móng trên khác mô-đun yêu cầu ở mặt đường hoàn thiện. Phiếu nên ghi rõ đo ở mặt lớp nào và so với yêu cầu nào trong thiết kế.
Xem mùa và nhiệt độ. Đo giữa mùa khô, nền khô cứng, kết quả thường đẹp hơn mùa mưa. Tiêu chuẩn phương pháp có hệ số hiệu chỉnh mùa; phiếu không thấy nhắc tới hiệu chỉnh thì nên hỏi. Mặt nhựa nóng giữa trưa mềm hơn buổi sáng nên cũng phải hiệu chỉnh nhiệt độ.
Đừng chỉ nhìn trung bình. Một đoạn có mô-đun đặc trưng đạt nhưng có cụm vài điểm võng gấp đôi chỗ khác là đoạn có vấn đề cục bộ, thường do nước ngầm, cống ngang, hoặc chỗ đất yếu sót lại. Nên đánh dấu lý trình các điểm đó để xử lý trước khi rải lớp mặt.
Kết quả không đạt. Có thể do lớp móng chưa đủ chặt, vật liệu kém, nền ngấm nước, hoặc thiết kế đặt mô-đun yêu cầu cao hơn khả năng của kết cấu đã chọn. Bước tiếp theo là kiểm lại độ chặt, độ ẩm, chiều dày tại chỗ yếu chứ không phải lu thêm cho đến khi số đẹp.
Dùng phép đo võng cho đường cũ cần nâng cấp
Với đường đang khai thác, đo võng là cách không phải đào mà vẫn biết kết cấu còn khoẻ đến đâu. Người ta đo dọc tuyến, chia thành các đoạn đồng nhất theo độ võng, rồi tính mô-đun hiện có của từng đoạn. So với mô-đun cần có cho lưu lượng xe trong những năm tới, thiết kế sẽ ra chiều dày lớp tăng cường: đoạn khoẻ chỉ cần thảm lớp mỏng, đoạn yếu cần thêm lớp móng hoặc đào làm lại.
Cách làm này tiết kiệm hơn nhiều so với việc thảm cùng một chiều dày cho cả tuyến. Nó cũng giải thích một hiện tượng người dân hay thắc mắc: vì sao cùng một con đường mà có đoạn được cào bóc làm lại sâu, có đoạn chỉ thảm một lớp mỏng. Câu trả lời nằm ở số liệu đo võng của từng đoạn.
Đo võng đường cũ cũng phải tính đến hiện trạng mặt đường: chỗ đã nứt da cá nặng thì lớp mặt không còn làm việc liền khối, độ võng lớn nhưng nguyên nhân có thể nằm ở chính lớp mặt chứ không ở móng. Người phân tích cần đi kèm khảo sát hư hỏng bằng mắt, có khi khoan mẫu kiểm tra chiều dày và tình trạng các lớp.
Sai số hay gặp khi đo võng và cách nhận ra
Đo võng là phép đo những chuyển vị rất nhỏ ngoài trời, nên dễ bị nhiễu. Các nguồn sai số thường gặp, và dấu hiệu để nhận ra chúng trên số liệu:
- Chân cần đặt quá gần bánh xe, nằm trong vùng mặt đường cũng võng theo; độ võng đọc được nhỏ hơn thật. Dấu hiệu: cả đoạn có độ võng thấp bất thường so với loại kết cấu.
- Đầu đo không nằm đúng giữa hai bánh kép hoặc bị kẹt vào đá, khe nứt; số đọc nhảy lung tung giữa các lần đo lặp ở cùng một điểm.
- Xe đo chở thiếu tải hoặc lốp non hơi; vệt tiếp xúc rộng ra, áp lực giảm, độ võng nhỏ đi. Vì vậy phiếu nên ghi tải trọng trục đã cân và áp suất lốp ngày đo.
- Đọc đồng hồ khi chưa ổn định, nhất là trên mặt nhựa nóng, nơi mặt đường còn hồi phục chậm sau khi bánh xe đi qua.
- Có xe nặng chạy ở làn bên cạnh trong lúc đọc, làm rung cả dầm chuẩn.
- Không ghi nhiệt độ mặt đường và mùa đo, khiến kết quả không hiệu chỉnh được và không so được với lần đo khác.
Phép đo tốt thường có vài điểm được đo lặp để kiểm độ lặp lại, và có ghi chú hiện trường cho những điểm bất thường (gần cống, vết nứt, chỗ ẩm). Khi một đoạn cho kết quả quá đẹp so với kết cấu đã làm, hãy hỏi về những sai số ở trên trước khi vui mừng.
Câu hỏi thường gặp
Độ võng bao nhiêu thì mặt đường được coi là đạt?
Không có một con số chung, vì yêu cầu phụ thuộc thiết kế của từng con đường: lưu lượng xe, tải trọng trục, loại kết cấu. Hồ sơ thiết kế ghi mô-đun đàn hồi yêu cầu, phòng thí nghiệm đổi độ võng đo được ra mô-đun đặc trưng để so với con số đó.
Có thể đo Benkelman bằng một xe tải bất kỳ không?
Không. Xe đo phải có trục sau và áp suất lốp đúng quy định của tiêu chuẩn phương pháp, được cân kiểm tải trọng trục trước khi đo. Xe chở thiếu hay thừa tải làm độ võng đo được không còn so được với yêu cầu, kết quả mất giá trị.
Vì sao phải đo nhiệt độ mặt đường khi đo võng?
Bê tông nhựa mềm hơn khi nóng và cứng hơn khi nguội, nên cùng một kết cấu, đo lúc trưa nắng sẽ võng nhiều hơn lúc sáng sớm. Tiêu chuẩn phương pháp đưa kết quả về một nhiệt độ quy ước bằng hệ số hiệu chỉnh, nhờ vậy các lần đo khác giờ khác ngày so sánh được với nhau.
Thiết bị FWD có làm hỏng mặt đường không?
Không. Xung lực của quả nặng rơi được thiết kế tương đương tải trọng một bánh xe nặng chạy qua và truyền qua tấm đệm cao su, nên không để lại vết. Việc cần lưu ý là tổ chức giao thông an toàn quanh xe đo, vì xe phải dừng nhiều lần ngay trên làn đường đang khai thác.
Đo tấm ép cứng có thay được thí nghiệm độ chặt không?
Không thay được. Hai phép đo trả lời hai câu hỏi khác nhau: độ chặt nói lớp đã lu tốt so với khả năng của vật liệu, tấm ép nói lớp chịu tải thế nào. Một lớp có thể đạt độ chặt mà mô-đun thấp do vật liệu kém hoặc nền bên dưới yếu, và ngược lại hiếm hơn.
Đường bê tông xi măng có đo bằng cần Benkelman không?
Ít dùng, vì mặt đường bê tông xi măng rất cứng, độ võng nhỏ, và cách làm việc của tấm bê tông khác kết cấu mềm. Với đường bê tông, người ta quan tâm nhiều hơn tới cường độ bê tông, chiều dày tấm, khe nối và độ đồng đều của lớp móng bên dưới.