iii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................1
1.
2.
2.1.
2.2.
3.
3.1.
3.2.
4.
5.
6.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI........................................................................................1
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU..................................................................................2
Mục tiêu chung......................................................................................................2
Mục tiêu cụ thể......................................................................................................3
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU......................................................3
Đối tượng nghiên cứu...........................................................................................3
Phạm vi nghiên cứu..............................................................................................3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.........................................................................4
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN...............................4
CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN...............................................................................5

CHƯƠNG 1..................................................................................................................7
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ NHIỆT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH

HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG
MỀM CÓ LỚP MÓNG BẰNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG...............................7
1.1. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP
MÓNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA
NHIỆT ĐỘ....................................................................................................................7
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG..........................10
1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG
KẾT CẤU MĂT ĐƯỜNG..........................................................................................12
1.3.1. Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu...................................................................12
1.3.2. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu...................................................................16
1.4. CÁC NGHIÊN CỨU DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ NHIỆT TRONG KCMĐ............19
1.4.1. Mơ hình dự đốn phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên lý thuyết truyền nhiệt 19
1.4.1.1. Theo phương pháp giải tích...........................................................................19
1.4.1.2. Theo phương pháp số.....................................................................................20
1.4.1.3. Nhận xét..........................................................................................................22
1.4.2. Mơ hình dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ dựa trên nghiên cứu thực
nghiệm.........................................................................................................................22
1.4.2.1. Mơ hình hồi quy tuyến tính............................................................................23
1.4.2.2. Mơ hình hồi quy phi tuyến.............................................................................23
1.4.2.3. Mơ hình mạng nơ ron nhân tạo......................................................................28
1.4.2.4. Nhận xét..........................................................................................................29
1.5. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN.............................................30


iv

1.5.1. Nhận xét về kết quả nghiên cứu tổng quan của luận án................................30
1.5.2. Các vấn đề luận án tập trung nghiên cứu......................................................32
1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1..........................................................................................32
CHƯƠNG 2................................................................................................................34

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG PHỊNG XÁC
ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG......................................................................................................................34
2.1. KHÁI QUÁT VỀ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ NHIỆT LÝ CỦA
VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG.......................................................................34
2.1.1. Các kết quả nghiên cứu xác định giá trị thông số nhiệt lý của vật liệu kết cấu
mặt đường...................................................................................................................34
2.1.1.1. Trên thế giới...................................................................................................34
2.1.1.2. Tại Việt Nam..................................................................................................35
2.1.2. Các phương pháp xác định thông số nhiệt lý của vật liệu KCMĐ................36
2.1.3. Nhận xét..........................................................................................................36
2.2. PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ
ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KCMĐ...............................................................37
2.2.1. Nguyên lý chế tạo thiết bị...............................................................................37
2.2.2. Mô tả thiết bị..................................................................................................38
2.2.3. Hiệu chuẩn các bộ phận của thiết bị đo........................................................39
2.2.3.1. Hiệu chỉnh bộ đọc nhiệt độ............................................................................39
2.2.3.2. Hiệu chỉnh bộ đọc cơng suất..........................................................................42
2.2.4. Thí nghiệm xác định độ dẫn nhiệt (λ)λ))............................................................42
2.2.4.1. Trình tự thí nghiệm........................................................................................42
2.2.4.2. Tính tốn kết quả............................................................................................43
2.2.5. Thí nghiệm xác định độ khuếch tán nhiệt (λ)).................................................43
2.2.5.1. Trình tự thí nghiệm........................................................................................43
2.2.5.2. Tính tốn kết quả............................................................................................43
2.2.6. Nhận xét..........................................................................................................44
2.3. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN NHIỆT CỦA
VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA VÀ CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG.......45
2.3.1. Chuẩn bị mẫu vật liệu thí nghiệm..................................................................45
2.3.2. Kết quả thí nghiệm và bàn luận.....................................................................46
2.3.2.1. Độ dẫn nhiệt ()...............................................................................................46

2.3.2.2. Độ khuếch tán nhiệt (α))..................................................................................49
2.3.2.3. Tổng hợp kết quả............................................................................................53
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2..........................................................................................54


v

CHƯƠNG 3................................................................................................................56
MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUAN TRẮC NHIỆT ĐỘ TRONG
KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI
MĂNG.........................................................................................................................56
3.1. MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM..............................................................................56
3.2. VẬT LIỆU...................................................................................................................................57
3.2.1. Bê tông nhựa chặt 12,5..................................................................................57
3.2.2. Cấp phối đá dăm gia cố xi măng Dmax31,5 giá cố 4% xi măng..................58
3.2.3. Cấp phối đá dăm loại I Dmax 37,5................................................................59
3.3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM........................................................61
3.3.1. Thi cơng kết cấu mặt đường...........................................................................61
3.3.2. Thiết kế và hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ............................64
3.3.2.1. Cấu tạo thiết bị quan trắc...............................................................................64
3.3.2.2. Hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ............................................................65
3.3.3. Lắp đặt thiết bị...............................................................................................65
3.3.3.1. Giai đoạn bảo dưỡng lớp CPĐD GCXM (quan trắc nhiệt độ trong lớp móng
CPĐD GCXM)65
3.3.3.2. Giai đoạn sau khi thi công và bảo dưỡng (quan trắc nhiệt độ KCMĐ)....... 66
3.4. KẾT QUẢ QUAN TRẮC VÀ BÀN LUẬN .................................................................. 67
3.4.1. Giai đoạn bảo dưỡng lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng................67
3.4.1.1. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến phân bố nhiệt độ trong lớp móng
cấp phối đá dăm gia cố xi măng.................................................................................67
3.4.1.2. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến cường độ chịu nén và cường độ

chịu ép chẻ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng...................................72
3.4.1.3. Quan sát vết nứt trên bề mặt lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng...............74
3.4.2. Phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường ở giai đoạn sau khi thi công và
bảo dưỡng...................................................................................................................75
3.4.2.1. Phân bố nhiệt theo thời gian...........................................................................75
3.4.2.2. Phân bố nhiệt theo chiều sâu KCMĐ............................................................77
3.4.2.3. Nhận xét..........................................................................................................81
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...........................................................................................85
CHƯƠNG 4................................................................................................................87
PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH DỰ ĐỐN PHÂN BỐ NHIỆT VÀ ĐỀ XUẤT NHIỆT
ĐỘ SỬ DỤNG TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ, KIỂM TRA KẾT CẤU MẶT
ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG KHU
VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG...........................................................................87
4.1. ĐẶC ĐIỂM KHÍ HẬU KHU VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG....................88


vi

4.1.1. Thu thập dữ liệu khí hậu................................................................................88
4.1.1.1. Thành phố Đà Nẵng.......................................................................................88
4.1.1.2. Tỉnh Quảng Nam............................................................................................89
4.1.2. Kết quả thu thập dữ liệu khí hậu của khu vực nghiên cứu............................89
4.1.2.1. Nhiệt độ khơng khí.........................................................................................90
4.1.2.2. Độ ẩm khơng khí............................................................................................92
4.1.2.3. Tốc độ gió.......................................................................................................93
4.1.2.4. Lượng mưa.....................................................................................................94
4.1.2.5. Cường độ bức xạ mặt trời..............................................................................95
4.1.3. Nhận xét - đánh giá........................................................................................96
4.2. PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN ĐỘ NHẠY GIỮA CÁC THƠNG SỐ KHÍ HẬU
VÀ NHIỆT ĐỘ TRONG KCMĐ CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU.........................97

4.2.1. Kết quả phân tích tương quan giữa thơng số khí hậu và phân bố nhiệt độ
trong KCMĐ...............................................................................................................97
4.2.2. Nhận xét........................................................................................................100
4.3. PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH DỰ ĐỐN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG LỚP
BTN100
4.3.1. Mơ hình dự đốn phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp hồi quy..... 100
4.3.1.1. Lựa chọn mơ hình phân tích........................................................................101
4.3.1.2. Mơ hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN (Tpave)...... 101
4.3.1.3. Đánh giá hiệu quả mơ hình.......................................................... 102
4.3.2. Mơ hình dự đoán phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp mạng nơ- ron
nhân tạo ANN...........................................................................................................105
4.3.2.1. Xây dựng mơ hình cấu trúc mạng ANN......................................................105
4.3.2.2. Kết quả dự đoán phân bố nhiệt của các trường hợp theo phương pháp
ANN……………......................................................................................................106
4.4. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS MÔ PHỎNG PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ
TRONG KCMĐ
........................................................................................................................ 108
4.4.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS.......................................................................108
4.4.2. Xây dựng mơ hình tính.................................................................................109
4.4.3. Kết quả phân tích mơ phỏng........................................................................112
4.4.4. Ảnh hưởng của thông số nhiệt lý vật liệu đến phân bố nhiệt độ trong kết cấu
mặt đường.................................................................................................................113
4.5. SO SÁNH KẾT QUẢ CÁC MƠ HÌNH DỰ ĐỐN PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ ĐÃ PHÁT TRIỂN
........................................................................................................................ 115
4.6. ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀY LỚP MẶT BTN ĐẾN PHÂN BỐ NHIỆT
ĐỘ TRONG LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG...................117


vii


4.7. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THỰC TIỄN CÔNG TÁC
KIỂM TRA VÀ THIẾT KẾ KCMĐ CHO KHU VỰC QUẢNG NAM - ĐÀ NẴNG
121
4.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4........................................................................................123
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................125
1.
2.
3.

NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN ÁN........................................125
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN..................................................126
KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO........................................127

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ.........................128
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................130


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nứt phản ảnh và cơ chế hình thành nứt phản ảnh trong kết cấu mặt đường
có lớp móng gia cố [7]..................................................................................................9
Hình 1.2. Minh họa sự truyền nhiệt trong hệ thống mơi trường và KCMĐ [11]......10
Hình 1.3. Minh họa cấu trúc mạng ANN [67]...........................................................28
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý chế tạo thiết bị độ dẫn nhiệt............................................37
Hình 2.2. Chi tiết thiết bị xác định thông số nhiệt lý của vật liệu.............................38
Hình 2.3. Hiệu chỉnh bộ phận đọc nhiệt độ................................................................40
Hình 2.4. Diễn biến nhiệt độ của bình nước từ các phương pháp khác nhau............40
Hình 2.5. Xác định tương quan mức điều chỉnh góc mở cơng suất và giá trị cơng suất
đo được từ thiết bị Lab-Volt.......................................................................................42
Hình 2.6. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm............................................................................45
Hình 2.7. Lắp mẫu vào khn đo...............................................................................46

Hình 2.8. Diễn biến nhiệt độ tại bề mặt mẫu và vị trí z = 0,041 m của BTN và CPĐD
GCXM khi mức nhiệt Q = 1 W và Q = 9,01 W tại mặt mẫu và nhiệt độ ở tấm lạnh
đáy mẫu 20oC..............................................................................................................47
Hình 2.9. Tương quan giữa độ dẫn nhiệt và nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur.................................49
Hình 2.10. Diễn biến nhiệt độ BTN và CPĐD GCXM ở độ sâu 0,041 m với nhiệt độ
bề mặt cố định ở 50oC và 60oC và đáy mẫu cách nhiệt..............................................50
Hình 2.11. Kết quả sai số RMSE giữa nhiệt độ đo và nhiệt độ tính tương ứng các giá
trị độ khếch tán tại độ sâu 0,041 m với các mức nhiệt độ bề mặt..............................51
Hình 2.12. Tương quan giữa độ khuếch tán nhiệt và nhiệt độ bề mặt Tsur........................52
Hình 3.1. Mơ hình KCMĐ thực nghiệm quan trắc nhiệt độ......................................57
Hình 3.2. Đường cong cấp phối hạt vật liệu BTN và CPĐD gia cố xi măng............58
Hinh 3.3 Tương quan khối lượng thể tích khơ và độ ẩm của: (a) CPĐD Dmax 37,5
và (b) CPĐD GCXM..................................................................................................59
Hình 3.4. Một số hình ảnh thi cơng KCMĐ mơ hình thực nghiệm hiện trường.......64
Hình 3.5. Sơ đồ tổng quát hoạt động thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ..................65
Hình 3.6. Lắp đặt cảm biến quan trắc nhiệt độ KCMĐ.............................................67
Hình 3.7. Diễn biến nhiệt độ theo giờ của các phương pháp bảo dưỡng ở ngày bảo
dưỡng đầu tiên.............................................................................................................68
Hình 3.8. Mơ tả dữ liệu nhiệt độ khơng khí và nhiệt độ tại các độ sâu lớp CPĐD
GCXM theo các phương pháp bảo dưỡng trong thời gian 14 ngày...........................69
Hình 3.9. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến diễn biến nhiệt độ trong
CPĐD GCXM.............................................................................................................71
Hình 3.10. Cường độ chịu nén và chịu ép chẻ của mẫu sau 14 ngày bảo dưỡng theo
các phương pháp khác nhau........................................................................................73


Hình 3.11. Vết nứt xuất hiện trên lớp CPĐD GCXM sau 20 ngày bảo dưỡng bằng
phương pháp nhũ tương..............................................................................................74
Hình 3.12. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo tháng............................76
Hình 3.13. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo giờ................................77

Hình 3.14. Diễn biến nhiệt tại các độ sâu trong lớp BTN và CPĐD GCXM............78
Hình 3.15. Thống kê nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo độ sâu: (a) dữ liệu tồn
bộ; (b) dữ liệu trừ ngày mưa.......................................................................................80
Hình 4.1. Thu thập dữ liệu khí hậu tại các Trung tâm, Đài khí tượng thủy văn.......89
Hình 4.2. Thống kê dữ liệu nhiệt độ khơng khí theo từng tháng trong năm.............90
Hình 4.3. Thống kê dữ liệu nhiệt độ khơng khí theo giờ trong ngày........................90
Hình 4.4. Diễn biến nhiệt độ trung bình KCMĐ với nhiệt độ khơng khí theo thời gian
.............................................................................................................................. 91
Hình 4.5. Tổng hợp dữ liệu độ ẩm khơng khí theo từng tháng trong năm................92
Hình 4.6. Thống kê dữ liệu độ ẩm khơng khí theo giờ trong ngày............................93
Hình 4.7. Thống kê dữ liệu tốc độ gió theo từng tháng trong năm............................94
Hình 4.8. Thống kê dữ liệu tốc độ gió theo giờ trong ngày.......................................94
Hình 4.9. Thống kê dữ liệu mưa theo từng tháng trong năm.....................................95
Hình 4.10. Thống kê dữ liệu mưa theo giờ trong ngày..............................................95
Hình 4.11. Thống kê dữ liệu cường độ bức xạ mặt trời Đà Nẵng theo thời gian......96
Hình 4.12. Biểu đồ phân tích tương quan giữa nhiệt độ KCMĐ và các biến số khí hậu
của Đà Nẵng................................................................................................................97
Hình 4.13. Biểu đồ phân tích tương quan giữa nhiệt độ KCMĐ và các biến số khí hậu
của Quảng Nam...........................................................................................................98
Hình 4.14. Biểu đồ phân tích tương quan giữa các biến số khí hậu của Đà Nẵng (DN)
và Quảng Nam (QN)...................................................................................................99
Hình 4.15. So sánh diễn biến nhiệt độ tại độ sâu 2 cm của các mơ hình................104
Hình 4.16. Mơ hình cấu trúc mạng ANN.................................................................106
Hình 4.17. Biểu đồ quan hệ giữa sai số MSE và hệ số tương quan R theo số nơron
trong lớp ẩn...............................................................................................................107
Hình 4.18. Biểu đồ quan hệ giữa hệ số xác định R2 theo số nơron trong lớp ẩn.....107
Hình 4.19. Các bước tính tốn phân bố nhiệt độ KCMĐ bằng phần mềm ANSYS
............................................................................................................................ 109
Hình 4.20. Mơ hình mơ phỏng KCMĐ trong phần mềm ANSYS..........................111
Hình 4.21. Kết quả mô phỏng phân bố nhiệt độ KCMĐ trong ANSYS lúc 23h50 ngày

29/6/2021...................................................................................................................113
Hình 4.22. Phân bố nhiệt độ tại các độ sâu khác nhau trong KCMĐ......................114
Hình 4.23. Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy lớp CPĐD GCXM theo thời gian
ở các chiều dày BTN khác nhau (hBTN)....................................................................117


Hình 4.24. Diễn biến nhiệt độ tại mặt trên lớp CPĐD GCXM theo bề dày BTN .. 118
Hình 4.25. Sự thay đổi nhiệt độ trong CPĐD GCXM theo chiều dày lớp BTN.....120


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số mơ hình nghiên cứu xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu hc.......................14
Bảng 1.2. Giá trị độ phản xạ bề mặt của các loại KCMĐ bê tông nhựa...................16
Bảng 1.3. Giá trị độ phát xạ bề mặt của KCMĐ BTN mới xây dựng.......................16
Bảng 1.4. Thơng số đặc tính nhiệt của một số vật liệu [39]......................................18
Bảng 1.5. Các mơ hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố nhiệt độ KCMĐ..........23
Bảng 2.1. Kết quả kiểm định F và T giữa nhiệt độ đọc bằng bộ đọc Ardruino và
TDS303.......................................................................................................................41
Bảng 2.2. Độ dẫn nhiệt của BTN và CPĐD GCXM ứng với các mức công suất khác
nhau.............................................................................................................................48
Bảng 2.3. Tổng hợp các thông số nhiệt lý của BTN và CPĐD GCXM....................53
Bảng 3.1. Thành phần hạt của cấp phối BTNC 12,5.................................................57
Bảng 3.2. Thành phần hạt của CPĐD Dmax31,5 [87]...............................................59
Bảng 3.3. Thành phần hạt của CPĐD loại I Dmax37,5 [89].....................................60
Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cơ lý của CPĐD loại I Dmax 31,5 [87] và Dmax37,5 [89].. .60
Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra độ chặt của nền đất và các lớp vật liệu KCMĐ sau khi thi
công xong....................................................................................................................62
Bảng 3.6. Các thông số cơ lý đặc trưng của vật liệu..................................................63
Bảng 3.7. Thống kê dữ liệu nhiệt độ khơng khí và nhiệt độ tại các độ sâu lớp CPĐD
GCXM theo các phương pháp bảo dưỡng trong thời gian 14 ngày...........................70

Bảng 3.8. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến cường độ chịu nén và ép chẻ
của CPĐD GCXM......................................................................................................73
Bảng 3.9. Thống kê dữ liệu nhiệt độ quan trắc KCMĐ thực nghiệm theo từng tháng
.............................................................................................................................. 83
Bảng 3.10. Thống kê dữ liệu nhiệt độ quan trắc KCMĐ thực nghiệm theo độ sâu . 84
Bảng 4.1. Các thông số thống kê của mơ hình hồi quy phi tuyến dự đoán phân bố
nhiệt độ lớp BTN của khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng..........................................102
Bảng 4.2. Hướng dẫn lựa chọn các tham số tính tốn từ mơ hình Bells.................103
Bảng 4.3. Sai số RMSE giữa kết quả quan trắc nhiệt độ thực tế và các mơ hình dự
đốn...........................................................................................................................104
Bảng 4.4. Thơng số nhiệt lý của các loại vật liệu KCMĐ nghiên cứu....................112
Bảng 4.5. Thông số nhiệt lý của BTNC 12,5 theo các trường hợp nghiên cứu......114
Bảng 4.6. So sánh hiệu quả dự đoán phân bố nhiệt độ KCMĐ ở 3 trường hợp......115
Bảng 4.7. Sai số RMSE giữa nhiệt độ quan trắc từ mơ hình thực nghiệm và nhiệt độ
dự đốn theo các phương pháp khác nhau...............................................................116
Bảng 4.8. Phân bố nhiệt độ trong KCMĐ khi chiều dày lớp BTN thay đổi............118


CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu (chữ
viết tắt)
KCMĐ
BTN
CPĐD GCXM

Đơn vị

o

Kết cấu mặt đường

Bê tông nhựa
Cấp phối đá dăm gia cố xi măng
Long-Term Pavement Performance Program
(Chương trình đánh giá dài hạn chất lượng mặt
đường)
Strategic Highway Research Program (Chương
trình nghiên cứu chiến lược đường bộ)
Nhiệt độ cao nhất của mặt đường

o

Nhiệt độ khơng khí trung bình 7 ngày cao nhất

LTPP
SHRP
Tpave max
Tair max

C
C
o

Lat
Sair

Giải thích ý nghĩa

o

C


Depth

cm

Tpave min

oC

Tair min

oC

qs

W/m2

T2 max

oC

Solar

W/m2

ql

W/m2

qc

Tpave
Tsuf
Tair
Tavg
Tsuf-avg

W/m2

SEE

oC

oC
oC
o

C
C
o
C
o

Vĩ độ của khu vực KCMĐ cần dự đoán nhiệt độ
Độ lệch chuẩn của nhiệt độ khơng khí 7 ngày cao
nhất trong năm
Chiều sâu tính từ bề mặt của KCMĐ đến vị trí
nhiệt độ cần quan sát
Nhiệt độ thấp nhất của mặt đường
Nhiệt độ khơng khí trung bình 1 ngày thấp nhất
trong năm

Bức xạ mặt trời thực tế được KCMĐ hấp phụ
Nhiệt độ cao nhất của KCMĐ tại độ sâu 2 cm
Cường độ bức xạ mặt trời
Bức xạ sóng dài của KCMĐ phát ra mơi trường
xung quanh
Dịng nhiệt đối lưu
Nhiệt độ lớp BTN theo độ sâu quan trắc
Nhiệt độ tại bề mặt của KCMĐ
Nhiệt độ khơng khí
Nhiệt độ khơng khí trung bình ngày hơm trước
Nhiệt độ trung bình của bề mặt KCMĐ
Standard error of estimate (sai số chuẩn dự đoán)


Ký hiệu (chữ
viết tắt)
RMSE
Humid

α)
C

Đơn vị

Giải thích ý nghĩa

C

Root Mean Square Error (sai số căn qn
phương)


%
W/(m.oC)
m2/s
J/(kg.oC)

Độ ẩm khơng khí
Độ dẫn nhiệt
Độ khuếch tán nhiệt
Nhiệt dung riêng

o


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội, các phương tiện giao thông
vận tải đường bộ ngày càng tăng lên cả về lưu lượng và tải trọng trục xe. Do vậy, các
tuyến đường cấp cao đang ngày càng được xây dựng nhiều hơn để đáp ứng nhu cầu.
Tuy nhiên nguồn vật liệu sử dụng cho xây dựng đường ngày càng giảm, vì vậy việc
thiết kế và xây dựng đường cần phải cân nhắc sử dụng nguồn vật liệu tiết kiệm hơn.
Theo các nghiên cứu của Ban quản lý đường bộ liên bang Hoa Kỳ [1,2], loại kết cấu
mặt đường mềm (KCMĐ) với lớp mặt bê tông nhựa (BTN) đặt trên lớp móng gia cố
xi măng (GCXM) có rất nhiều ưu điểm như: cường độ và độ ổn định cường độ cao;
lớp mặt BTN tạo độ bằng phẳng tốt cho mặt đường; hạn chế ảnh hưởng của các
nguồn ẩm từ phía dưới nền đường thấm lên mặt đường; độ bám giữa bánh xe và mặt
đường cao, ít tiếng ồn, tạo sự an toàn và thoải mái cho người tham gia giao thơng; lớp
mặt BTN bảo vệ lớp móng GCXM là vật liệu dễ duy tu bảo dưỡng, đồng thời có thể

làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc của lớp móng GCXM. Lớp móng
GCXM có độ cứng lớn, giúp phân bố lại ứng suất dưới đáy móng nhỏ hơn so với
móng khơng gia cố. Thêm nữa, lớp móng GCXM có cường độ và độ ổn định cường
độ cao nên chiều dày lớp móng sẽ nhỏ hơn giúp tiết kiệm nguồn vật liệu móng đường
khai thác từ thiên nhiên.
KCMĐ có lớp mặt BTN phủ trên lớp móng GCXM đang ngày càng được sử
dụng phổ biến. Ở châu Âu, KCMĐ này chiếm 30% - 50% hệ thống đường bộ [1]. Ở
Trung Quốc, hầu như các kết cấu mặt đường cao tốc đã và đang xây dựng đều sử
dụng lớp móng là vật liệu gia cố xi măng [3]. Tại Việt Nam, KCMĐ này đã được sử
dụng cho tuyến Thăng Long – Nội Bài (năm 1995), cảng hàng không Cần Thơ, Cát
Bi; dự án Đông Trường Sơn đoạn KonTum – Lâm Đồng và đoạn đi qua khu vực chịu
ảnh hưởng của nước ngầm, gần đây là dự án cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi [4], dự
án Cam Lộ - La Sơn thuộc dự án cao tốc Bắc Nam,…. Khu vực Quảng Nam- Đà
Nẵng nói riêng và Việt Nam nói chung đang trên đà phát triển nên nhu cầu về phát


triển hạ tầng trong đó có mạng lưới giao thơng là rất lớn. Hơn nữa, nguồn vật liệu cho
xây dựng đường cũng đang dần cạn kiệt. Việc sử dụng lớp móng gia cố cũng là một
giải pháp giúp tiết kiệm được nguồn vật liệu thiên nhiên.
Tuy nhiên, loại KCMĐ này có nhược điểm là dễ xuất hiện các vết nứt do hiện
tượng nứt phản ảnh và nguyên nhân một phần do chịu ảnh hưởng bất lợi của nhiệt độ.
Ngoài ra, đối với mặt đường BTN, do tính chất đàn hồi-nhớt-dẻo của BTN nên cường
độ mặt đường chịu ảnh hưởng nhiều vào nhiệt độ và tác dụng của tải trọng xe chạy.
Dưới tác dụng lặp của tải trọng xe chạy, mặt đường BTN dễ phát sinh biến dạng dẻo
ở nhiệt độ cao (hiện tượng lún vệt bánh xe); ngược lại ở nhiệt độ thấp BTN trở nên
giòn, dễ gãy vỡ và xuất hiện vết nứt. Từ đó cho thấy, trong giai đoạn khai thác đường
thì nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ của KCMĐ này.
Do vậy, nếu dự báo chính xác phân bố nhiệt độ cho KCMĐ dưới điều kiện làm việc
thực tế sẽ giúp đưa ra các thơng số tính tốn chính xác của vật liệu phù hợp với trạng
thái làm việc của mặt đường nhằm giảm các hiện tượng hư hỏng cho mặt đường,

nâng cao chất lượng khai thác và tăng tuổi thọ cho KCMĐ.
Mặt khác nhiệt độ là một trong những thông số đầu vào quan trọng, được sử
dụng trong thiết kế tính tốn KCMĐ mềm, cụ thể là xác định mô đun đàn hồi vật liệu
BTN và để dự đoán các điều kiện làm việc về nứt và trượt. Để xét ảnh hưởng của
nhiệt độ, tiêu chuẩn thiết kế KCMĐ theo phương pháp cơ học thực nghiệm AASHTO
đã tích hợp các ảnh hưởng của nhiệt độ trong các đặc tính của vật liệu và của tồn bộ
KCMĐ [5]. Nghiên cứu dự đốn phân bố nhiệt độ trong KCMĐ có ý nghĩa quan
trọng, giúp xác định nhiệt độ phù hợp trong tính tốn thiết kế KCMĐ mềm, đồng thời
có thể dự báo cường độ và tuổi thọ của KCMĐ theo đặc điểm khí hậu của khu vực
thiết kế. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường mềm
có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng”
là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối với công tác thiết kế và phân tích
KCMĐ.

2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu chung


Nghiên cứu phát triển mơ hình dự đốn phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm có
cấu tạo lớp mặt BTN trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CPĐD GCXM)
thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, từ đó đánh giá ảnh hưởng của điều kiện khí hậu
đến phân bố nhiệt độ trong KCMĐ, đồng thời làm căn cứ đề xuất nhiệt độ áp dụng
trong thực tiễn công tác thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ, nhằm hạn
chế các hư hỏng của KCMĐ dưới tác dụng của tải trọng và khí hậu thời tiết trong q
trình khai thác.

2.2. Mục tiêu cụ thể
- Phát triển thiết bị xác định thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường trong phịng
thí nghiệm, áp dụng xác định thơng số nhiệt lý cho vật liệu BTN và CPĐD GCXM;
- Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong KCMĐ thực nghiệm kích thước thật theo

thời gian thực, có xét đến ảnh hưởng của thơng số điều kiện khí hậu khu vực Quảng
Nam-Đà Nẵng;
- Phát triển mơ hình dự đốn nhiệt độ trong lớp mặt BTN và lớp móng CPĐD
GCXM áp dụng cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng dựa trên kết quả quan trắc thực
nghiệm và mô phỏng số;
- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố nhiệt độ trong
KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM, làm cơ sở đề xuất cấu tạo chiều dày hợp
lý của lớp mặt BTN trên lớp móng CPĐD GCXM và khuyến nghị nhiệt độ tham
chiếu sử dụng trong thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ mềm khu vực
Quảng Nam-Đà Nẵng.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Sự thay đổi nhiệt độ trong KCMĐ mềm gồm lớp mặt bê tơng nhựa trên lớp
móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng.

3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu đá dăm và cấp phối đá dăm sử dụng trong nghiên cứu được lấy tại
mỏ đá Hòa Nhơn thành phố Đà Nẵng;


- KCMĐ mềm gồm lớp mặt BTN chặt 12,5 dày 13 cm, lớp móng trên CPĐD
Dmax31,5 gia cố 4% xi măng dày 15 cm;
- Thơng số khí hậu thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, trong đó tỉnh Quảng
Nam (lấy tại trạm khí tượng Tam Kỳ) và thành phố Đà Nẵng (lấy tại đài khí tượng
Trung Trung Bộ ở địa chỉ 660 Trưng Nữ Vương).

4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu, cụ thể:
-


Phương pháp phân tích, thống kê kết hợp nghiên cứu lý thuyết;

-

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm;

-

Phương pháp mô phỏng số.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Luận án xây dựng phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu ảnh hưởng của
điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm, áp dụng cụ thể cho khu vực
Quảng Nam-Đà Nẵng; đồng thời chỉ ra được ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông số
nhiệt lý vật liệu mặt đường và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ;
- Phát triển mơ hình dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng
CPĐD GCXM khu vực khí hậu Quảng Nam-Đà Nẵng, dựa trên các phương pháp
phân tích hồi quy phi tuyến, mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và mô phỏng bằng phần
mềm ANSYS; đồng thời có thể mở rộng nghiên cứu cho các loại KCMĐ sử dụng vật
liệu khác nhau, ở các vùng khí hậu khác nhau.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
- Phát triển được thiết bị cho phép xác định được các thông số nhiệt lý vật liệu
mặt đường giúp cho việc dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ chính xác hơn. Thiết
bị phù hợp với các loại vật liệu mặt đường và kích cỡ mẫu thí nghiệm chế bị theo các
phương pháp chế bị mẫu đang được sử dụng hiện nay. Đây là thiết bị hoàn toàn mới
tại Việt Nam, hiện đang được nhóm nghiên cứu tiếp tục hồn thiện và tiến hành các
thủ tục đăng ký thương mại hóa.



- Luận án đề xuất nhiệt độ tham chiếu để các đơn vị có liên quan có thể xem
xét lựa chọn nhiệt độ sử dụng trong tính tốn thiết kế kết cấu nền mặt đường thuộc
khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng, đồng thời kiến nghị xem xét sử dụng mơ hình dự báo
nhiệt độ để dự báo nhiệt độ mặt đường khi thực hiện thí nghiệm mơ đun đàn hồi
KCMĐ mềm.

6. Cấu trúc của luận án
Cấu trúc luận án gồm có 3 phần:
Phần mở đầu
Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu,
phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Phần nội dung
Nội dung luận án gồm 4 chương, cụ thể như sau:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về phân bố nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng
đến quá trình truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường mềm có lớp móng bằng vật liệu
gia cố xi măng.
-

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm làm việc của kết cấu mặt đường
mềm có lớp móng gia cố xi măng;

-

Phân bố nhiệt trong kết cấu mặt đường và các yếu tố ảnh hưởng đến quá
trình truyền nhiệt trong KCMĐ;

-

Tổng quan các mơ hình dự đốn phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm;


-

Xác định hướng nghiên cứu.

Chương 2: Nghiên cứu phát triển thiết bị trong phòng xác định độ khuếch tán
và độ dẫn nhiệt cho vật liệu mặt đường.
-

Đánh giá các nghiên cứu xác định thông số nhiệt lý của vật liệu mặt đường;

-

Phát triển thiết bị thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của
vật liệu mặt đường;

-

Thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của vật liệu bê tông
nhựa và cấp phối đá dăm gia cố xi măng trong phịng thí nghiệm.


Chương 3: Mơ hình nghiên cứu thực nghiệm quan trắc nhiệt độ trong kết cấu
mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng.
-

Xác định chất lượng vật liệu xây dựng mơ hình;

-


Xây dựng mơ hình thực nghiệm;

-

Phân tích kết quả quan trắc và bàn luận.

Chương 4: Phát triển mơ hình dự đốn phân bố nhiệt và đề xuất nhiệt độ sử
dụng trong tính tốn thiết kế, kiểm tra kết cấu mặt đường mềm có lớp móng cấp phối
đá dăm gia cố xi măng khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng
-

Phân tích đặc điểm khí hậu khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng; Phân tích
tương quan giữa thơng số khí hậu và phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm
của khu vực nghiên cứu.

-

Phát triển các mô hình dự đốn phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm.

-

Phân tích ảnh hưởng của chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố nhiệt độ
trong KCMĐ mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng.

-

Đề xuất nhiệt độ cho công tác kiểm tra và thiết kế kết cấu mặt đường
trong thực tiễn.

Phần kết luận và kiến nghị

Bao gồm những kết quả đạt được của nghiên cứu, các phát hiện mới của luận
án, kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo.
Danh mục các cơng trình khoa học đã cơng bố
Tài liệu tham khảo