Tài liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ ĐƯỜNG DẪN ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU – ÁP DỤNG DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CẦU VIỆT TRÌ MỚI DÀNH RIÊNG CHO GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ QUA SÔNG LÔ TRÊN QUỐC LỘ 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI nguyÔn quang vò Nghiªn cøu c¸c gi¶i ph¸p thiÕt kÕ ®êng dÉn ®Çu cÇu trªn nÒn ®Êt yÕu – ¸p dông dù ¸n ®Çu t x©y dùng CÇu ViÖt Tr× Míi dµnh riªng cho giao th«ng ®êng bé qua s«ng l«, trªn quèc lé 2 chuyªn ngµnh: x©y dùng ® êng «t« vµ ®êng thµnh phè m· sè: 60.58.02.05.01 LUËN V¡N TH¹C SÜ Kü THUËT híng dÉn khoa häc: gs. ts ph¹m huy khang Hµ Néi - 2015 LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội trong thời gian học tập chương trình cao học vừa qua đã trang bị cho học viên được nhiều kiến thức cần thiết về các vấn đề kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông. Học viên xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu, các thầy cô giáo trong trường đã tạo điều kiện giúp đỡ học viên trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình. Đặc biệt, học viên xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS-TS. Phạm Huy Khang - Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội đã quan tâm và tận tình hướng dẫn giúp đỡ học viên hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn tới những người thân, bạn bè đã luôn luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, Tháng 06 năm 2015 Học viên Nguyễn Quang Vũ MỤC LỤC MỞ ĐẦU..........................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TIÊN TIẾN HIỆN NAY......................................................6 1.1. Mở đầu......................................................................................................6 1.2. Đất yếu và khái niệm về đất yếu.............................................................7 1.2.1. Phân biệt nền đất yếu..............................................................................7 1.2.2. Phân loại đất yếu.....................................................................................8 1.3. Các giải pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến đang được áp dụng hiện nay. .11 1.3.1. Mục đích của việc cải tạo và xử lý nền đất yếu....................................12 1.3.2. Các yêu cầu thiết kế nền đường đắp trên đất yếu..................................12 1.3.3. Các phương pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến hiện nay.........................16 1.4. Kết luận chương 1..................................................................................40 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐƯỜNG DẪN ĐẦU CẦU VÀ CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA...................................................................................................42 2.1. Mở đầu....................................................................................................42 2.1.1. Hiện tượng mất êm thuận tại vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu...........45 2.1.2. Các kết quả nghiên cứu trước đây về đường dẫn vào cầu.....................45 2.1.3. Các yếu tố đường dẫn đầu cầu và quy định chung................................47 2.1.4. Yêu cầu thiết kế chung thiết kế đường dẫn đầu cầu..............................48 2.2. Các nguyên nhân và hiện tượng vênh cao độ tại đường dẫn đầu cầu.....55 2.2.1. Khái quát chung....................................................................................55 2.2.2. Lún nền đường vào cầu.........................................................................57 2.2.3. Đầm nén chưa đạt yêu cầu và cố kết cuả vật liệu đắp...........................59 2.2.4. Tính toán kích thước và cấu tạo bản quá độ chưa đúng........................60 2.3. Các giải pháp kỹ thuật công nghệ để đoạn đường chuyển tiếp giữa đường và cầu (cống) đảm bảo êm thuận.....................................................60 2.3.1. Tăng chiều dài cầu hoặc khẩu độ cống để hạ thấp chiều cao đất đắp sau mố cầu, cạnh cống...........................................................................................61 2.3.2. Xử lý đất yếu dưới nền đắp trong phạm vi đoạn chuyển tiếp...............61 2.4. Kết luận chương 2..................................................................................65 CHƯƠNG 3. CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CÓ THỂ ÁP DỤNG VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NỀN ĐẤT YẾU CHO DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CẦU VIỆT TRÌ MỚI DÀNH RIÊNG CHO GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ QUA SÔNG LÔ TRÊN QUỐC LỘ.66 3.1. Khái niệm chung về dự án đầu tư xây dựng cầu Việt Trì mới dành riêng cho giao thông đường bộ qua sông Lô trên Quốc lộ 2......................66 3.1.1. Tổng quan về dự án...............................................................................66 3.1.2. Nội dung và quy mô đầu tư xây dựng...................................................67 3.1.3. Giải pháp thiết kế..................................................................................68 3.2. Các thông số đất yếu tại đường dẫn đầu cầu dự án đầu tư xây dựng cầu Việt Trì mới dành riêng cho giao thông đường bộ qua sông Lô trên Quốc lộ 2.........................................................................................................70 3.2.1. Điều kiện địa chất công trình................................................................70 3.2.2. Lựa chọn các chỉ tiêu phục vụ tính toán................................................84 3.3. Các giải pháp xử lý và lựa chọn phương án thiết kế nền đất yếu áp dụng cho dự án đầu tư xây dựng cầu Việt Trì mới dành riêng cho giao thông đường bộ qua sông Lô trên Quốc lộ 2...............................................85 3.3.1. Các yêu cầu kỹ thuật khi tính toán xử lý nền đất yếu...........................85 3.3.2. Các vấn đề về địa chất và kết quả tính toán ổn định nền đường đầu cầu khi chưa có biện pháp xử lý............................................................................98 3.3.3. Các biện pháp xử lý nền đất yếu có thể áp dụng cho dự án xây dựng cầu Việt Trì mới...................................................................................................100 3.3.4. Lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu nền đường đầu cầu Việt Trì mới....110 3.4. Kết luận chương 3.................................................................................118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................119 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................122 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Độ lún cố kết còn lại cho phép tại tim nền đường..........................13 Bảng 2.1. Quy định độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường của đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu, cống..............................................................49 Bảng 2.2. Chiều dài bản quá độ theo quy định của Tiêu cbuẩn JTG-D-302004.................................................................................................................54 Bảng 3.1. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp 1b........................................................71 Bảng 3.2. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp 1c........................................................72 Bảng 3.3. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp 3a........................................................73 Bảng 3.4. Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý lớp 4a........................................................74 Bảng 3.5. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đưa vào tính toán........................84 Bảng 3.6a. Đường cong nén lún eoi ~ i theo cấp tải trọng lớp 1a..................84 Bảng 3.6b. Đường cong nén lún eoi ~ i theo cấp tải trọng lớp 1b..................84 Bảng 3.6c. Đường cong nén lún eoi ~ i theo cấp tải trọng lớp 1c..................84 Bảng 3.6d. Đường cong nén lún eoi ~ i theo cấp tải trọng lớp 3a..................85 Bảng 3.7. Bảng tổng hợp phân đoạn tính toán nền đất yếu.............................95 Bảng 3.8. Kết quả kiểm toán trượt và tính lún trước khi có biện pháp xử lý..99 Bảng 3.9. Các phương pháp xử lý đất yếu khả dụng....................................107 Bảng 3.10. Ưu nhược điểm của giải pháp bấc thấm so với giếng cát...........109 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ đào thay đất yếu một phần....................................................18 Hình 1.2.: Sử dụng giếng cát để gia xử lý nền đất yếu...................................19 Hình 1.3a. Giải pháp xử lý nền đường bằng giếng cát (SD)...........................20 Hình 1.3b. Sơ đồ bố trí giếng cát mạng lưới hình hoa mai.............................21 Hình 1.3c. Sơ đồ bố trí giếng cát mạng lưới ô vuông.....................................21 Hình 1.4. Giải pháp xử lý nền đường bằng bấc thấm (PVD)..........................24 Hình 1.5. Quy đổi mặt cắt ngang tương đương của bấc thấm dựa vào thông số a và b...............................................................................................................24 Hình 1.6a. Sơ đồ bố trí bấc thấm mạng lưới hình hoa mai.............................25 Hình 1.6b. Sơ đồ bố trí bấc thấm mạng lưới ô vuông.....................................25 Hình 1.7. Mô hình xử lý nền bằng bơm hút chân không.................................26 Hình 1.8. Bố trí nước trong lầy theo phương pháp điện thấm........................27 Hình 1.9. Sử dụng gia tải tạm thời để tăng tốc độ cố kết................................28 Hình 1.10: Bệ phản áp để gia tăng độ ổn định mái dốc..................................29 Hình 1.11: Các ứng dụng của cọc cát đầm chặt..............................................31 Hình 1.12.: Phương pháp thi công cọc cát đầm chặt (SCP) (Theo Aboshi và Suematsu 1985)...............................................................................................32 Hình 1.13: Thiết bị thi công cọc cát đầm chặt SCP........................................33 Hình 1.14. Mô hình xử lý nền bằng cọc xi măng đất......................................35 Hình 1.15. Sơ đồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp......................37 Hình 2.1: Các vấn đề có thể phát sinh tại chỗ tiếp giáp giữa đường đầu cầu và cầu...................................................................................................................42 Hình 2.2: Tỷ lệ sử dụng các giải pháp thiết kế tại khu vực nghiên cứu..........44 Hình 2.3: Sự thay đổi đột ngột độ cứng nền đường tại vị trí tiếp giáp............45 Hình 2.4: Sơ đồ làm việc của kết cấu bản quá độ...........................................46 Hình 2.5: Giới hạn độ bằng phẳng theo phương dọc Briaud, J.L (1997).......46 Hình 2.6: Quy định về độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường của đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu (cống)............................................................48 Hình 2.7: Phạm vi đắp đoạn chuyển tiếp lấy theo TCVN 9436 : 2012...........51 Hình 2.8: Tỉ lệ thay đổi độ lún theo phương dọc............................................52 Hình 2.9: Cách xác định đoạn chuyển tiếp đầu cầu........................................53 Hình 2.10: Bố trí bản quá độ...........................................................................55 Hình 2.11: Minh họa bước nhảy tại đường đầu cầu........................................59 Hình 2.12: Xử lý đất yếu bằng công nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không .........................................................................................................................62 Hình 2.13. Xử lý đất yếu bằng công nghệ cọc gia cường...............................62 Hình 2.14: Giải pháp thay đổi chiều dài và mật độ độ cọc ở đoạn đường chuyển tiếp để đảm bảo chuyển đổi êm thuận độ lún giữa đường và cầu, cống .........................................................................................................................64 Hình 2.15: Giải pháp đổi chiều dài và mật độ độ cọc và sàn giảm tải theo dạng bậc thang để đảm bảo chuyển đổi êm thuận độ lún giữa đường và cầu, cống............64 Hình 3.1a. Hình trụ lỗ khoan địa chất đất yếu LK-ĐY3.................................76 Hình 3.1b. Hình trụ lỗ khoan địa chất đất yếu LK-ĐY4.................................77 Hình 3.1c. Hình trụ lỗ khoan địa chất đất yếu LK-ĐY5.................................78 Hình 3.1d. Hình trụ lỗ khoan địa chất đất yếu LK-ĐY1.................................79 Hình 3.1e. Hình trụ lỗ khoan địa chất đất yếu LK-ĐY2.................................80 Hình 3.2a. Bình đồ bố trí lỗ khoan địa chất nền đường đầu cầu.....................81 Hình 3.2b. Bình đồ bố trí lỗ khoan địa chất nền đường đầu cầu.....................82 Hình 3.2c. Bình đồ bố trí lỗ khoan địa chất nền đường đầu cầu.....................83 Hình 3.3a: Mô hình kiểm toán ổn định trượt..................................................93 Hình 3.3b: Mô hình kiểm toán trượt sử dụng VĐKT gia cường.....................93 Hình 3.4a. Sơ đồ xếp xe xác định hoạt tải tác dụng nền đường......................94 Hình 3.4b. Lựa chọn kích thước loại xe tải trọng trục H30............................95 Hình 3.5. Tiêu chuẩn thiết kế nền đường đắp của dự án...............................100 Hình 3.6. Lưu đồ thiết kế cải tạo đất.............................................................101 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ĐT BVTC TKKT SD SCP PVD CMD GPMB GTVT KCAĐ BTN BTXM CPĐD QL TVGS TVTK TPCP TCN TP VĐKT Đường tỉnh Bản vẽ thi công Thiết kế kỹ thuật Giếng cát Cọc cát đầm chặt Bấc thấm Cọc xi măng đất Giải phóng mặt bằng Giao thông vận tải Kết cấu áo đường Bê tông nhựa Bê tông xi măng Cấp phối đá dăm Quốc lộ Tư vấn giám sát Tư vấn thiết kế Trái phiếu Chính phủ Tiêu chuẩn ngành Thành phố Vải địa kỹ thuật 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lún nền đường đầu cầu là hiện tượng khá phổ biến không những ở Việt Nam mà ngay cả các nước phát triển trên thế giới như Nhật Bản, Trung Quốc, CHLB Đức và Cộng hòa Pháp đã có những nghiên cứu, tổng kết tìm nguyên nhân và đưa ra các giải pháp khắc phục hiệu quả. Lún nền đường đầu cầu dẫn đến sự thay đổi đột ngột cao độ tại khu vực tiếp giáp nền đường và mố cầu, tạo thành điểm gãy trên trắc dọc tuyến đường, thậm chí tạo thành những hố (rãnh) lún sâu sát mố cầu. Hiện tượng này làm giảm năng lực thông hành, gây hỏng hóc phương tiện, hàng hóa, phát sinh tải trọng xung kích phụ thêm lên mố cầu hoặc cống, tốn kém cho công tác duy tu bảo dưỡng, gây cảm giác khó chịu cho người tham gia giao thông và làm mất ATGT. Ở Cộng hòa Pháp, đã có những nghiên cứu đánh giá về xử lý đoạn đường đắp cao đầu cầu nhằm đảm bảo sự thoải mái cho người sử dụng, đảm bảo ATGT, bảo vệ ổn định nền đường đắp cao đầu cầu và bảo vệ công trình cầu. Sau các nghiên cứu, đánh giá, các chuyên gia đưa ra nhận định về những nguyên nhân có thể gây lún nền đường đắp cao kề giáp với mố cầu. Cụ thể là do lún nền đất tự nhiên; Lún do chính bản thân nền đắp; Lún do sự khó khăn trong đầm nén đất đắp sát mố và tường cánh dẫn đến hậu quả sau một vài năm khai thác đã xuất hiện lún gây ra sự chênh cao giữa mặt đường và bản quá độ của công trình cầu. Các giải pháp khắc phục được tập trung vào gia tải trước; Sử dụng đoạn nền đắp đặc biệt; Bản quá độ... Tại CHLB Đức, người ta không quá quan tâm đến mức độ chênh lún giữa nền đường và cầu nhưng yêu cầu phải gia tải trước đoạn nền đường đầu cầu, cống rất nghiêm ngặt, khống chế cả độ lún cố kết và lún từ biến. 2 Trong “Quy phạm xây dựng đường trên đất yếu” ban hành năm 1990 của Bộ GTVT Đức đã quy định về việc gia tải trước như sau: Chiều cao gia tải trước và thời gian tác dụng phải bảo đảm trong suốt thời kỳ vận doanh khai thác đường không làm cho đất yếu phải chịu tải quá tình trạng ban đầu dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và tải trọng xe chạy. Tại Trung Quốc, đã có những tài liệu nghiên cứu về đặc điểm khu vực nền đường đầu cầu và hai bên cống như sau: thường là nền đắp cao; diện tích thi công hẹp, khó triển khai các loại máy lu lớn để đầm nén; thi công nền đường sau khi cầu đã làm xong nên thời gian ổn định ngắn; nền mặt đường là kết cấu mềm, trong quá trình sử dụng dễ biến dạng và lún, trong khi đó kết cấu cầu có độ cứng rất lớn, ít biến dạng, ít lún hoặc không lún. Các giải pháp thiết kế chủ yếu hay sử dụng là bố trí bản quá độ bằng bê tông cốt thép hoặc bố trí các đoạn đường quá độ; Chọn vật liệu đắp sau lưng mố (hai bên cống) thích hợp; Đầm nén đất đạt độ chặt cao; Tăng cường các biện pháp thoát nước sau mố cầu; Xử lý nền móng để bảo đảm đoạn tường đầu cầu (hai bên cống) có độ lún thích hợp phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế về độ lún cho phép. Giải pháp bản gác đỡ (bản quá độ) phổ biến nhất thường sử dụng hiện nay ở đầu cầu và hai bên cống. Tùy theo chiều dài đặt bản gác đỡ có thể phân chia 3 loại đặt cao, trung bình và thấp. Đặt cao là mặt bản bằng với mặt đỉnh mố; đặt trung bình là đầu bản phía xa mố đặt giữa tầng mặt và tầng móng của áo đường; đặt thấp là đầu bản phía xa mố đặt sâu dưới tầng móng của áo đường. Giải pháp bố trí đoạn nền đường quá độ cũng nhằm làm thay đổi độ cứng của kết cấu đầu cầu từ cầu ra ngoài chỉ nên dùng cho trường hợp nối tiếp giữa nền đường hai bên với cầu nhỏ hoặc cống. Chiều dài đoạn quá độ thường lấy bằng 2 lần chiều cao nền đắp cộng thêm từ 3-5cm. Yêu cầu về vật liệu đắp và công tác đầm nén sau mố cầu (hai bên cống): Trong đoạn quá độ phải dùng loại vật liệu đắp có cường độ cao, dễ đầm nén chặt và có tính thoát nước tốt. Các loại đất kém thoát nước thì phải 3 gia cố 8-12% vôi bột sống hoặc gia cố 5% xi măng. Bề dày lớp đầm nén phải phù hợp với công cụ đầm nén; Cố gắng dùng công cụ lớn hoặc đầm chấn động nhỏ đầm nén phần đất đắp sau mố. Cầu Việt Trì hiện tại bao gồm cầu đường bộ và đường sắt đi chung, được hoàn thành đưa vào sử dụng từ năm 1992, kết cấu dạng dàn thép, sơ đồ nhịp 4x88m, tổng chiều dài toàn cầu L=372,88m, mặt cắt ngang gồm phần cầu đường sắt chạy giữa hai dàn thép cách nhau 5,8m, hai bên cánh gà là phần xe cơ giới rộng 4,0m cho 1 làn xe H-30 và phần xe thô sơ rộng 1,5m, tổng bề rộng cầu B=20,2m. Cầu hiện tại khai thác hạn chế do bị rung lắc lớn khi có xe tải đi qua, phần đường dẫn lên cầu chính bị hạn chế và bị ngập khi có lũ lớn. Mặt khác, cầu Việt Trì là tuyến đường trục nối thành phố Hà Nội, huyện Đông Anh, thành phố Vĩnh Yên với trung tâm thành phố Việt Trì có mật độ giao thông cao (vào giờ cao điểm hoặc dịp lễ hội Đền Hùng lượng xe qua cầu tăng đột biến, do chỉ có 1 làn xe cơ giới cho mỗi chiều, vì vậy khi có xe gặp sự cố trên cầu sẽ xảy ra ùn tắc cục bộ). Theo thống kê của các cơ quan chức năng, tại khu vực cầu Việt Trì hiện tại mỗi ngày số người đi bộ qua đường vào giờ cao điểm lên tới gần 2000 người, trong đó chủ yếu là người dân địa phương và học sinh sinh viên. Do có những hạn chế về lưu lượng cho phép, cầu đã mãn tải và xung đột phương tiện giao thông cơ giới và người đi bộ nên tại đây thường xảy ra tai nạn giao thông liên quan tới người đi bộ, mỗi năm khoảng 10-20 vụ làm chết và bị thương nhiều người. Đoạn tuyến Quốc lộ 2 từ đường Bắc Thăng Long - Nội Bài đi Vĩnh Yên (bao gồm cả tuyến tránh Thành phố Vĩnh Yên) qui mô 4 làn xe, hiện đang khai thác với tốc độ 80 km/h, nhập với Quốc lộ 2 tại điểm cách đầu cầu Việt Trì về phía Hà Nội khoảng 10 km. Phần còn lại của đoạn tuyến đến cầu Việt Trì hiện tại đang được tỉnh Vĩnh Phúc nghiên cứu chuẩn bị đầu tư mở rộng. Về cơ bản Quốc lộ 2 đoạn qua địa phận tỉnh Vĩnh Phúc đã và đang được đầu tư xây dựng với quy mô 4 làn xe trong đó đoạn qua thành phố Việt Trì (Đại lộ Hùng Vương) đã được xây dựng với qui mô 4 làn xe. 4 Bằng Quyết định số 2932/QĐ-BGTVT ngày 25/9/2013, Bộ GTVT đã phê duyệt Dự án đầu tư xây dựng công trình cầu Việt Trì mới, dành riêng cho giao thông đường bộ qua sông Lô, trên QL2 theo hình thức Hợp đồng BOT; Xây dựng cầu và đường dẫn hai đầu cầu Việt Trì mới vượt sông Lô, đảm bảo đáp ứng nhu cầu giao thông thông suốt trên Quốc lộ 2 từ tỉnh Vĩnh Phúc đến tỉnh Phú Thọ, tạo điều kiện thuận lợi về giao thông để phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng của tỉnh Phú Thọ và các tỉnh phía Tây Bắc, đồng thời tạo cơ sở hạ tầng để thành phố Việt Trì trở thành đô thị loại 1 vào năm 2015 và góp phần giảm thiểu ùn tắc, tai nạn giao thông trên cầu Việt Trì hiện tại. Đầu tư xây dựng công trình vùng đất Tổ, phục vụ đồng bào cả nước và kiều bào nước ngoài hàng năm tham quan và dâng hương tưởng niệm các Vua Hùng tại Khu Di tích Lịch sử đặc biệt quốc gia Đền Hùng. Dự án xây dựng cầu Việt trì mới có nhiều đoạn đi qua khu vực đồng ruộng ao hồ có điều kiện địa chất yếu phức tạp, nhiều vị trí nhằm đảm bảo cao độ để tránh ngập khi mùa lũ về nên nền cao dễ gây mất ổn định tổng thể nền đường, vấn đề này càng dễ xảy ra hơn khi nó đi qua những nơi có địa chất yếu. Khi xây dựng qua những khu vực như trên cần có nghiên cứu kỹ lưỡng những biện pháp xử lý nền một cách triệt để đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đề ra, để tuyến đường sau khi hoàn thành đi vào hoạt động được hiệu quả. Hiện nay ở Việt Nam có rất nhiều biện pháp xử lý ổn định nền đường qua khu vực nền đắp có điều kiện địa chất phức tạp đã được nghiên cứu và áp dụng vào các dự án trọng điểm trong cả nước, tuy nhiên ở mỗi vùng miền thì điều kiện địa chất phức tạp và nguồn cung ứng vật liệu xây dựng lại khác nhau dẫn đến việc lựa chọn giải pháp xử lý ổn định nền đường ở các khu vực cần được lựa chọn thông qua việc phân tích tính toán giải pháp xử lý và nguồn cung ứng vật liệu. Nhằm đáp ứng được giải pháp lựa chọn xử lý ổn định nền đường vừa đảm bảo kỹ thuật và kinh tế trên tuyến đường QL2 đoạn đường dẫn đầu cầu Việt trì mới, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu các giải pháp thiết kế đường dẫn đầu cầu trên nền đất yếu – Áp dụng dự án đầu tư xây 5 dựng Cầu Việt Trì Mới dành riêng cho giao thông đường bộ qua sông Lô, trên Quốc lộ 2” để qua đó lựa chọn được biện pháp xử lý nền đất yếu tối ưu đảm bảo tiến độ và chất lượng của dự án. 2. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu các giải pháp xử lý ổn định nền đường trong xây dựng công trình giao thông hiện nay đang áp dụng. 3. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu các giải pháp xử lý ổn định nền đường trong xây dựng công trình giao thông hiện nay. 4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Tính toán ổn định nền đường khi chưa có giải pháp xử lý từ đó đề xuất ra phương án xử lý nếu nó không đạt yêu cầu về độ lún và ổn định tổng thể nền đường. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tính toán về xử lý ổn định nền đường phổ biến hiện nay để áp dụng vào dự án, bên cạnh đó kết hợp với việc thu thập xử lý số liệu quan trắc hiện trường để so sánh đối chiếu và kết luận. 6. Kết cấu của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn kết cấu gồm 3 chương. Chương 1. Tổng quan về đất yếu và các biện pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến hiện nay. Chương 2. Tổng quan về đường dẫn đầu cầu và các vấn đề đặt ra. Chương 3. Các giải pháp xử lý nền đất yếu có thể áp dụng và lựa chọn giải pháp thiết kế nền đất yếu cho dự án đầu tư xây dựng cầu Việt Trì mới dành riêng cho giao thông đường bộ qua sông Lô trên Quốc lộ 2. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TIÊN TIẾN HIỆN NAY 1.1. Mở đầu Nền đắp là một trong những công trình xây dựng lâu đời và thường gặp nhất. Từ hàng chục năm nay đất nước ta đã xây dựng một hệ thống đường giao thông hoàn chỉnh trên cả nước mà một bộ phận đáng kể là đắp trên nền đất yếu. Công cuộc xây dựng và phát triển KT-XH của ta đã tăng khối lượng các công trình xây dựng trên nền đất yếu một cách đáng kể trong phạm vi cả nước, nhất là các tỉnh ven biển và ở đồng bằng Nam bộ. Trước đây người ta thường xây dựng nền đắp đi qua các vùng đất có địa chất tốt để giảm bớt những vấn đề kỹ thuật phải xử lý và hạ giá thành xây dựng. Tuy nhiên sự nghiệp xây dựng và phát triển KT-XH hiện nay đã đặt ra việc chinh phục và sử dụng các vùng đất yếu mà trước hết là việc xây dựng mạng lưới các tuyến đường giao thông, cầu cống…trên nền đất yếu. Những vấn đề liên quan đến sự ổn định của nền đắp là những điều cần được quan tâm trước tiên. Do thiếu sót các công tác khảo sát thiết kế hoặc thi công mà nền đường thường bị hư hỏng vì mất ổn định trong và sau khi xây dựng công trình. Hiện tượng trượt của đoạn nền đường sắt đắp đắp trên nền bùn sét phía bắc cầu Hàm Rồng, hiện tượng trượt sâu làm biến mất cả đoạn đường dài gần 1 km trên QL 18A gần Cái Dăm (Quảng Ninh) trước đây, mới đây nhất là hiện tượng mất ổn định tổng thể nền mặt đường trên tuyến đường cao tốc Hà Nội – Lào Cai mà nguyên nhân ban đầu xác định là đoạn tuyến đi qua khu vực có địa chất mềm yếu…là những điển hình để rút kinh nghiệm. Việc xử lý hậu quả do những hư hỏng nền đắp mất ổn định thường rất phức tạp và tốn kém, chưa kể là có khi những hư hỏng này còn có thể gây ra những tai họa đáng tiếc. Ta thường gặp các vấn đề liên quan đến lún ( với các mức độ khác nhau) cho tất cả các nền đắp xây dựng trên nền đất yếu, do ứng suất của nền đắp tác dụng lên đất yếu đủ để gây ra biến dạng lớn. Cho nên trong xây dựng cầu đường cần đặc biệt chú ý đến vấn đề lún (đặc biệt là những đoạn chuyển tiếp 7 từ đường vào cầu), vì đây là nguyên nhân làm cho nhiều công trình cầu đường bị hư hỏng phải xử lý rất tốn kém hoặc nhiều khi không xử lý được. Hiện tượng lún kéo dài của nền đường đoạn Cầu Giẽ - Ninh Bình, đoạn Cái Bè – Cai Lậy (Tiền Giang) trên Ql 1A…làm hư hỏng rất nhanh hàng vạn m 2 mặt đường xây dựng trên đó. 1.2. Đất yếu và khái niệm về đất yếu Nền đất yếu (Compessible soil) là nền nằm dưới đất đắp, là loại sét có trạng thái từ dẻo mềm đến nhão, có tính chịu nén lớn và tuỳ theo hàm lượng vật chất hữu cơ được gọi là bùn (soft organic soil) hoặc than bùn (peat). Khi đất đắp nằm trên nền đất yếu thì độ ổn định và mức độ biến dạng của chúng không chỉ phụ thuộc vào chất lượng đất đắp mà chủ yếu phụ thuộc vào nền đất yếu. Nghiên cứu xử lý nền đất yếu là nghiên cứu bản chất trạng thái hoạt động của chúng, đánh giá độ ổn định, biến dạng và đề ra các giải pháp xử lý, gia cố để công trình đắp trên nền đất yếu được an toàn, đạt được yêu cầu kinh tế kỹ thuật cho thiết kế, thi công và khai thác sử dụng. Đất mềm yếu nói chung là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có cường độ kháng nén quy ước dưới 0,50 daN/ cm 2), có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (eoi >1), có môđun biến dạng thấp (Eo < 50 daN/cm2), và có sức kháng cắt nhỏ. Khi xây dựng công trình trên đất yếu mà thiếu các biện pháp xử lý thích đáng và hợp lý thì sẽ phát sinh biến dạng thậm chí gây hư hỏng công trình. Nghiên cứu xử lý đất yếu có mục đích cuối cùng là làm tăng độ bền của đất, làm giảm tổng độ lún và độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí đầu tư xây dựng. 1.2.1. Phân biệt nền đất yếu Cách phân biệt nền đất yếu ở trong nước cũng như ở nước ngoài đều có các tiêu chuẩn cụ thể để phân loại nền đất yếu.  Theo nguyên nhân hình thành: loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ. 8 - Loại có nguồn gốc khoáng vật : thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, thung lũng. - Loại có nguồn gốc hữu cơ : hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa phân huỷ tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật.  Phân biệt theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên) Thông thường phân biệt theo trạng thái tự nhiên và tính chất cơ lý của chúng như hàm lượng nước tự nhiên, tỷ lệ lỗ rỗng, hệ số co ngót, độ bão hoà, góc nội ma sát (chịu cắt nhanh) cường độ chịu cắt.  Phân biệt đất yếu loại sét hoặc á sét, đầm lầy hoặc than bùn (phân loại theo độ sệt) . 1.2.2. Phân loại đất yếu Nói chung các dạng đất yếu thường có những đặc điểm sau: - Thường là loại đất sét có lẫn hữu cơ hoặc nhiều hoặc ít. Hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ. Độ thấm nước rất nhỏ. Cường độ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn. Ở Việt Nam thường gặp các loại đất sét mềm, bùn và than bùn. Ngoài ra ở một số vùng còn gặp loại đất có ở nhiều tính chất của loại đất lún sập như đất Badan ở Tây Nguyên và thỉnh thoảng còn gặp các vỉa cát chảy là những loại đất yếu có những đặc điểm riêng biệt. 1.2.2.1. Đất sét mềm Theo quan điểm địa kỹ thuật thì không có sự phân biệt rõ ràng giữa đất sét mềm và bùn. Tuy nhiên ở đây ta hiểu đất sét mềm là loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, bão hoà và có cường độ cao hơn so với bùn. Đất sét mềm có những đặc điểm riêng biệt nhưng cũng có nhiều tính chất chung của các đất đá thuộc loại sét, đó là sản phẩm ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành đất đá loại sét. Đất sét gồm chủ yếu là các hạt nhỏ như thạch anh, fenspat (phần phân tán thô) và các khoáng vật sét (phần phân tán mịn). Các khoáng vật sét 9 này là các silicat alumin có chứa các ion Mg, K, Ca, Na và Fe... , chia thành ba loại chính là ilit, kaolinit, môn-mônrilônit. Đây là những khoáng vật làm cho đất sét có đặc tính riêng của nó. Ilit là khoáng vật đại biểu của nhóm hi-dromica – hidromica được thành tạo chủ yếu là ở môi trường kiềm (PH tới 9.5), trung tính và axit yếu, luôn chứa khá nhiều kali trong dung dịch. Về cấu tạo màng tinh thể, ilit chiếm vị trí trung gian giữa kaolinit và môn-mônrilônit. Kaolinit được thành tạo do phong hoá đá phún xuất, đá biến chất và đá trầm tích trong điều kiện khí hậu khác nhau nhưng nhất thiết phải ẩm. Đặc điểm của mạng tinh thể kaolinit là tương đối bền, ổn định. Mônmônrilônit được thành tạo chủ yếu trong quá trình phong hoá đá phún xuất và điều kiện môi trường kiềm (PH = 7 – 8.5), khí hậu khô, ôn hoà và ẩm. Các hạt sét và hoạt tính của chúng với nước trong đất làm cho đất sét mang những tính chất mà những loại đất khác không có: tính dẻo và sự tồn tại của gradien ban đầu, khả năng hấp thu, tính chất lưu biến...từ đó mà đất sét có những đặc điểm riêng về cường độ, tính biến dạng. Một trong những đặc điểm quan trọng của đất yếu mềm là tính dẻo. Nhân tố chủ yếu chi phối độ dẻo là thành phần khoáng vật của nhóm hạt kích thước nhỏ hơn 0.002 mm và hoạt tính của chúng đối với nước. Một trong những tính chất quan trọng nữa của đất sét là độ bền cấu trúc (hay cường độ kết cấu σc) của chúng. Nếu tải trọng truyển lên đất nhỏ hơn trị số σc thì biến dạng dần ứng suất trong đất khi biến dạng không đổi, gọi là sự chùng ứng suất. Thời gian mà ứng suất gây nên biến dạng đang xét giảm đi e=2.7183 lần gọi là chu kỳ chùng ứng suất. 1.2.2.2. Bùn 10 Theo quan điểm địa chất thì bùn là các lớp đất mới được tạo thành trong môi trường nước ngọt hoặc môi trường biển, gồm các hạt rất mịn, bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong. Tỷ lệ phần trăm các chất hữu cơ nói chung dưới 10%. Bùn được thành tạo chủ yếu do sự bồi lắng tại các đáy biển, vũng, vịnh, hồ hoặc các bãi bồi cửa sông, nhất là các cửa sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều. Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịu lực. Cường độ của bùn rất nhỏ, biến dạng rất lớn ( bùn có đặc tính là nén chặt không hạn chế kèm theo sự thoát nước tự do), modun biến dạng chỉ vào khoảng 1 – 5 daN/cm2 ( với bùn sét) và từ 10 – 15 daN/cm2 (với bùn á sét, á cát), hệ số nén lún thì có thể đạt tới 2 - 3 cm2/daN . Như vậy bùn là những trầm tích nén chưa chặt và dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên, do đó việc xây dựng trên bùn chỉ có thể thực hiện được sau khi áp dụng các biện pháp xử lý đặc biệt. 1.2.2.3. Than bùn Than bùn là đất yếu nguồn gốc hữu cơ , được thành tạo do kết quả phân huỷ các di tích hữu cơ ( chủ yếu là thực vật) tại các đầm lầy. Than bùn có dung trọng khô rất thấp ( 3 – 9 KN/m 3), hàm lượng hữu cơ chiếm 20 – 80%, thường có mầu đen hoặc nâu sẫm, cấu trúc không mịn, còn thấy tàn dư thực vật. Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm cao, trung bình từ 85 – 95% và có thể đạt hàng trăm phần trăm. Than bùn là loại đất nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất: hệ số nén lún có thể đạt từ 3.8 – 10 cm2/daN. rất nhỏ, có thể bỏ qua, còn vượt quá σc thì đường cong quan hệ giữa hệ số rỗng và áp lực bắt đầu có độ dốc lớn. Tính lưu biến cũng là tính chất quan trọng của đất sét yếu. Đất sét yếu là môi trường dẻo nhất. Chúng có tính từ biến và có khả năng thay đổi độ bền khi chịu tác dụng lâu dài của tải trọng. Khả năng đó gọi là tính lưu biến. Ngoài sự từ biến, trong tính chất lưu biến của đất sét còn có biểu hiện giảm 11 1.2.2. 4. Các loại đất yếu khác a). Cát chảy Cát chảy là loại cát hạt mịn, có kết cấu rời rạc, khi bão hoà nước có thể bị nén chặt hoặc pha loãng đáng kể, có chứa nhiều chất hữu cơ hoặc sét. Loại cát này khi chịu tác dụng chấn động hoặc ứng suất thuỷ động thì chuyển sang trạng thái lỏng nhớt gọi là cát chảy. Trong thành phần hạt cát chảy, hàm lượng cát hạt bụi ( 0.05 – 0.002mm) chiếm 60 – 70 % hoặc lớn hơn. Ở trạng thái thiên nhiên, cát chảy có thể có cường độ và khả năng chịu lực tương đối cao nhưng khi bị phá hoại kết cấu và làm rời rạc thì không còn tính chất đó nữa, lúc đó cát chuyển sang trạng thái chảy như chất lỏng. Ngoài ra còn có loại cát chảy giả, chỉ bị chảy khi có áp lực thuỷ động. Thành phần cát chảy giả là cát mịn sạch không lẫn vật liệu keo. Khi gặp cát chảy cần nghiên cứu kỹ, xác định chính xác nguyên nhân phát sinh, phát triển để áp dụng các biện pháp xử lý thích hợp. b). Đất ba dan Đất ba da là một loại đất yếu với đặc điểm là độ rỗng rất lớn, dung trọng khô rất thấp, thành phần hạt của nó gần giống với thành phần hạt của đất á sét, khả năng thấm nước rất cao. 1.3. Các giải pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến đang được áp dụng hiện nay Do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, mức độ biến dạng lớn nên cần thiết phải có các biện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình bên trên. Đối với công trình đường và công trình đắp ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm 2 nhóm chính: - Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, trộn ximăng, silicat. Trong trường hợp này, đất nền và đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tả i cao hơn, tính biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo điều kiện làm việc của công trình. Trong điều kiện thực tế ở Việt 12 nam, các biện pháp vải địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng nhiều nhất. - Các biện pháp xử lý thường được áp dụng như giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không. Trường hợp này, thời gian cố kết được rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa vào sử dụng công trình. Ngoài ra, việc chọn lựa chiều cao đắp hay bố trí kích thước công trình hợp lý cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều kiện làm việc ổn định. Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp này là: Đệm cát, làm xoả i mái taluy, bệ phản áp. 1.3.1. Mục đích của việc cải tạo và xử lý nền đất yếu Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất...Đối với công trình thủy lợi, việc xử lý nền đất yếu còn làm giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp. Các phương pháp xử lý nền đất yếu gồm nhiều loại, căn cứ vào điều kiện địa chất, nguyên nhân và đòi hỏi với công nghệ khắc phục. Kỹ thuật cải tạo nền đất yếu thuộc lĩnh vực địa kỹ thuật, nhằm đưa ra các cơ sở lý thuyết và phương pháp thực tế để cải thiện khả năng tải của đất sao cho phù hợp với yêu cầu của từng loại công trình khác nhau. Với các đặc điểm của đất yếu như trên, muốn đặt móng công trình xây dựng trên nền đất này thì phải có các biện pháp kỹ thuật để cải tạo tính năng chịu lực của nó. Nền đất sau khi xử lý gọi là nền nhân tạo. 1.3.2. Các yêu cầu thiết kế nền đường đắp trên đất yếu 1.3.2.1. Yêu cầu về độ lún và tiêu chuẩn tính toán thiết kế Phải tính toán chính xác độ lún. Độ lún tuy tiến chiển trậm hơn những cũng rất bất lợi khi độ lún lớn mà không được xem xét ngay từ khi bắt đầu xây dựng thì có thể làm biến dạng nền đắp nhiều, không đáp ứng được yêu cầu sử dụng.