Tài liệu Nghiên cứu cấu tạo bản giảm tải cùng tham gia làm việc với hệ kết cấu cầu khi xét đến ảnh hưởng của khối lượng đất nền

MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt Danh mục các bảng biểu Danh mục các hình vẽ và đồ thị MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.............................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2 4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 2 5. Những đóng góp mới của đề tài ........................................................................... 2 6. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................... 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU . 4 1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 4 1.2. Tổng quan hiện tượng lún nền đường đầu cầu ............................................... 4 1.3. Công nghệ xử lý lún đường đầu cầu trên nền đất yếu .................................... 6 1.3.1. Khái niệm về đất yếu .....................................................................................6 1.3.2. Một số đặc điểm của đất yếu ..........................................................................7 1.3.3. Một số giải pháp công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông .......................................................7 1.3.4. Một số giải pháp công nghệ mới xử lý lún nền đường đầu cầu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông ............................................18 1.4. Kết luận chương I............................................................................................. 22 CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN BẢN GIẢM TẢI THAM GIA LÀM VIỆC TƯƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN......................................................................... 24 2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 24 2.2. Thiết kế kết cấu nhịp giảm tải ......................................................................... 24 2.3. Nghiên cứu tính toán bản giảm tải làm việc tương tác với đất nền............. 24 2.4. Mô hình tổng quát bài toán ............................................................................. 25 2.5. Bài toán dầm động lực học .............................................................................. 25 2.5.1. Mô hình bài toán dầm động lực học ............................................................25 2.5.2. Các ma trận đặc trưng của phần tử dầm.......................................................26 2.6. Bài toán dầm trên nền động lực học (bài toán bản giảm tải) ....................... 27 2.6.1. Mô hình bài toán bản giảm tải .....................................................................27 2.6.2. Thông số ảnh hưởng của khối lượng nền .....................................................29 2.6.3. Các ma trận đặc trưng của phần tử dầm.......................................................30 2.7. Phương trình vi phân chuyển động ................................................................ 33 2.8. Phương pháp tích phân số ............................................................................... 34 2.8.1. Phương pháp tích phân Newmark ................................................................35 2.8.2. Thuật toán giải phương trình chuyển động ..................................................36 2.9. Kiểm chứng mô hình tính toán ....................................................................... 38 2.10. Kết luận chương II ......................................................................................... 38 CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU GIẢ ĐỊNH KẾT CẤU CẦU, CÁC BIỂU ĐỒ CHUYỂN VỊ CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU ............................................................... 40 3.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 40 3.2. Mô hình nghiên cứu ......................................................................................... 40 3.3. Trường hợp I: Khi thay đổi vận tốc xe chạy .................................................. 41 3.4. Trường hợp II: Khi thay đổi trọng lượng riêng đất nền .............................. 43 3.5. Trường hợp III: Khi thay đổi chiều dày của bản giảm tải ........................... 44 3.6. Trường hợp IV: Khi thay đổi góc nghiêng các dầm ...................................... 45 3.7. Kết luận chương III ......................................................................................... 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 51 1. Kết luận ................................................................................................................ 51 2. Kiến nghị .............................................................................................................. 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 53 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................. 53 TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU CẤU TẠO BẢN GIẢM TẢI CÙNG THAM GIA LÀM VIỆC VỚI HỆ KẾT CẤU CẦU KHI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA KHỐI LƯỢNG ĐẤT NỀN Học viên: Nguyễn Văn Phương - Chuyên ngành: Kỹ thuật XD công trình giao thông Mã số: 85.80.205 - Khóa: K36 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Lún đường đầu cầu là hiện tượng phổ biến ngày nay. Đến nay một số biện pháp đã được áp dụng với mục đích làm giảm độ lún đường đầu cầu nhưng chưa có giải pháp nào tỏ ra có hiệu quả rõ rệt. Luận văn nghiên cứu về ứng xử kết cấu bản giảm tải đường đầu cầu khi cùng làm việc với kết cấu cầu và tính toán có xét tới ảnh hưởng của khối lượng đất nền đường đầu cầu. Từ cơ sở lý thuyết là hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ kết cấu đã được xây dựng sau khi xác định được các ma trận: độ cứng, ma trận khối lượng và ma trận cản của hệ chuyển động. Tác giả sẽ đi xây dựng mô hình số kết cấu giả định thông qua phần mềm lập trình Matlab, bài toán được giải bằng phương pháp tích phân số Newmark theo từng bước thời gian và tính toán một số trường hợp như: thay đổi vận tốc xe chạy, thay đổi khối lượng riêng của đất nền đường đầu cầu và thay đổi chiều dày kết cấu bản giảm tải đường đầu cầu. Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo. Từ khóa - Kết cấu bản giảm tải; sàn giảm tải; góc nghiêng bản giảm tải; vận tốc xe chạy thay đổi; tham số khối lượng nền. STUDYING ON THE STRUCTURE OF THE TRANSITION SLAB WORKING TOGETHER WITH BRIDGE STRUCTURAL SYSTEM WHEN CONSIDERING THE INFLUENCES OF GROUND MASS Abstract - Bridge subsidence is a common phenomenon today. Up to now, some measures have been applied with the aim of reducing the settlement of the bridgehead but no solution has proved to be effective. The essay studying on the transition slab working together with bridge structural system and calculation when considering the influences of ground mass. From theoretical basis is the system of differential equations, motion of the structural system has been described after matrices of stiffness, mass, and motion system are determined. The authors will build a numerical model assuming texture via Matlab software, structure model that is solved by Newmark method in time dependent regime and examine some cases such as changes in the speed of the vehicle, the ground soil density on the road head, and structural thickness of the transition slab structure of the bridge. The achieved results are summarized and perspective of the work is provided. Key words - Transition slab structure; load reduction floor; slope of transition slab; variable speed of vehicle; parameters of ground mass. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: Ký hiệu Đơn vị A m2 B c Giải thích ý nghĩa Diện tích tiết diện của kết cấu Ma trận tính biến dạng Ns/m3 Cản nhớt của nền  C Ma trận cản tổng thể Ce Ma trận cản phần tử cv Ns/m Cản nhớt trong mô hình tải di động E N/m2 Mô đun đàn hồi của vật liệu kết cấu fc N Lực tương tác giữa kết cấu với mô hình tải di động F  Vec tơ tải tổng thể F e Vec tơ tải phần tử g m/s2 Gia tốc trọng trường G N/m2 Mô đun trượt của vật liệu kết cấu HF m Chiều sâu lớp nền đàn hồi k N/m3 Độ cứng lớp nền đàn hồi tuyến tính K1 Thông số của lớp nền đàn hồi trong mô hình dầm K2 Thông số của lớp cắt trong mô hình dầm K  Ma trận độ cứng tổng thể K e Ma trận độ cứng phần tử k NL N/m5 Độ cứng của lớp nền đàn hồi phi tuyến ks N Độ cứng lớp cắt của nền kv N/m Độ cứng lò xo trong mô hình tải di động M kg Khối lượng di động M  Ma trận khối lượng tổng thể Me Ma trận khối lượng phần tử  M eff Ma trận khối lượng hiệu dụng  N w Ma trận hàm dạng chuyển vị đứng  Ns Ma trận hàm dạng góc xoay P N Peff Tải trọng tập trung di động Vec tơ tải trọng hiệu dụng q N/m2 Tải trọng phân bố trên diện tích t s Thời gian T N Lực căng ue Véc tơ chuyển vị nút phần tử ue Véc tơ vận tốc nút phần tử ue Véc tơ gia tốc nút phần tử u Véc tơ chuyển vị nút tổng thể u Véc tơ vận tốc nút tổng thể u Véc tơ gia tốc nút tổng thể w m/s Vận tốc đứng của kết cấu w m Chuyển vị đứng của kết cấu w m/s2 Gia tốc đứng của kết cấu Hệ trục tọa độ x, y, z ( x, y , z )    rad Chuyển vị góc xoay của kết cấu Hệ số Poisson kg/m3 Khối lượng riêng của kết cấu F kg/m3 Khối lượng riêng của nền  rad/s Tần số dao động riêng  Toán tử vi phân Laplace  Tỷ số khối lượng riêng F Thông số ảnh hưởng của khối lượng nền v Thông số độ cứng trong mô hình tải trọng di động v Thông số khối lượng trong mô hình tải trọng di động  rad/s Vận tốc góc xoay của kết cấu v m/s Vận tốc chuyển động của tải trọng di động CÁC CHỮ VIẾT TẮT: BTCT Bê tông cốt thép BTXM Bê tông xi măng BGT Bản giảm tải DƯL Dự ứng lực ĐKT Địa kỹ thuật KCAĐ Kết cấu áo đường PVD Bấc thấm SW Giếng cát DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng biểu Trang Bảng 1.1 Các giải pháp xử lý tương ứng theo tư duy xử lý Bảng 3.1 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi vận tốc thay đổi (mm) 41 Bảng 3.2 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi trọng lượng riêng thay đổi 44 Bảng 3.3 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp 1 (bản giảm tải) 45 Bảng 3.4 Kết quả chuyển vị khi thay đổi độ dốc nhịp 2 (dầm cầu số 1) 47 Bảng 3.5 Kết quả chuyển vị khi thay đổi độ dốc dọc nhịp 1 (bản giảm tải) 49 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Các yếu tố đặc trưng của hệ thống đường đầu cầu 4 Hình 1.2 Lún lệch nền đường đầu cầu tuyến số 1 thị xã Duyên Hải 5 Hình 1.3 5 Hình 1.4 Lún lệch nền đường đầu cầu VD06 (Km18+600) Đường cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi Công nghệ thi công cọc cát bằng phương pháp khoan tạo lỗ 10 Hình 1.5 Xử lý nền đất yếu bằng nén gia tải trước không dùng giếng thoát 12 nước Hình 1.6 Xử lý nền đất yếu bằng nén gia tải trước kết hợp bấc thấm đứng 13 để tăng tốc độ cố kết của đất nền Hình 1.7 Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật 15 Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo nền đường có bố trí cọc bê tông 17 Hình 1.9 Thi công cọc đất - xi măng 19 Hình 1.10 Phương pháp trộn phun ướt dưới sâu 20 Hình 1.11 Phương pháp trộn phun khô dưới sâu 20 Hình 1.12 Sử dụng ống cống thay cho đất đắp nền đường đầu cầu để giảm 22 nhẹ tải trọng tác dụng lên nền đất yếu bên dưới Hình 2.1 Mô hình cầu sử dụng bản giảm tải như kết cấu nhịp cầu 25 Hình 2.2 Mô hình phần tử dầm của kết cấu nhịp 26 Hình 2.3 Mô hình phần tử dầm trên nền động lực học 28 Hình 2.4 Mô hình cơ học của nền động lực học: (a) Ứng suất trong lớp 28 cắt, (b) Lực tác dụng lên lớp cắt Hình 2.5 Mô hình quy đổi khối lượng nền: (a) Phân tố lò xo đàn hồi, (b) 29 Thanh thẳng đàn hồi Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán phân tích ứng xử động của hệ kết cấu 38 Hình 2.7 Chuyển vị đứng tại giữa dầm theo thời gian: (-) kết quả từ 39 chương trình và (o) kết quả của bài báo Yang YB Hình 3.1 Mô hình kết cấu nhịp cầu nghiên cứu 40 Hình 3.2 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi V=40km/h 41 Hình 3.3 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi V=80km/h 42 Hình 3.4 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi V=90km/h 42 Hình 3.5 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi 𝛒=16kN/m3 43 Hình 3.6 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp 1 khi thay đổi 𝛒 từ (16÷20)kN/m3 43 Hình 3.7 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi hBGT=0,20m 44 Hình 3.8 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi hBGT thay đổi từ (0,20÷0,25)m 45 Hình 3.9 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi nhịp 2 có độ dốc dọc là 3% 46 Hình 3.10 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp 2 khi độ dốc thay đổi từ (3÷5)% 46 Hình 3.11 Chuyển vị xoay BGT và dầm cầu khi nhịp 2 có độ dốc 3% 47 Hình 3.12 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi bản giảm tải có độ dốc dọc là 48 10% Hình 3.13 Chuyển vị đứng nút giữa nhịp khi BGT có độ dốc thay đổi từ 48 (5÷20)% Hình 3.14 Chuyển vị xoay BGT và dầm cầu khi BGT có độ dốc dọc là 10% 49 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Lún đường đầu cầu là chuyện diễn ra phổ biến, xử lý mãi vẫn không ổn và là vấn đề nan giải đối với các công trình giao thông. Những năm qua, khi thiết kế, triển khai các công trình giao thông, nhất là về cầu, để giảm chi phí, chúng ta thường rút ngắn tối đa khẩu độ cầu hiện tượng rất hay gặp trên các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô đắp trên đất yếu. Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp. Đây là một vấn đề hết sức phức tạp và khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm thiểu được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi phải xây dựng trên nền đất yếu. Việt Nam được biết đến là nơi có nhiều đất yếu, đặc biệt là khu vực miền Nam. Rất nhiều công trình được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền. Thực tế này đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu. Việc đưa ra một số các biện pháp xử lý nền đất yếu mới, góp phần làm phong phú các phương pháp xử lý nền móng trong công tác xây dựng nền đường qua vùng địa hình có địa chất yếu từ đó có cơ sở để lựa chọn những biện pháp tối ưu để áp dụng cho các công trình một cách có hiệu quả. Kết cấu đường đắp đầu cầu và mố cầu là hai bộ phận hoàn toàn khác nhau, có sự chênh lệch rất lớn về độ cứng. Phần đường dẫn đầu cầu nếu không xử lý tốt có thể sẽ bị lún rất nhiều và lún kéo dài theo thời gian, trong khi đó kết cấu mố cầu hầu như không bị lún. Tại vị trí tiếp giáp giữa mặt cầu và đoạn đường đắp đầu cầu sau một thời gian đưa vào sử dụng, có hiện tượng mặt đường hay bị gẫy, lún, nứt, xe chạy không êm thuận gây khó chịu cho hành khách lưu thông qua cầu và nhất là xe chạy không thể đạt tốc độ cao. Trong toàn bộ tuyến đường ô tô, đoạn đường đắp đầu cầu là một trong những hạng mục công trình quan trọng, đòi hỏi phải có những nghiên cứu và xử lý bằng những giải pháp kỹ thuật riêng biệt mới có thể đáp ứng được yêu cầu về cường độ, độ ổn định, sự êm thuận. Trong thực tế, có nhiều biện pháp xử lý độ lún đường đầu cầu đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những biện pháp đó là sử dụng bản giảm tải. Tuy nhiên, biện pháp này chỉ dùng như một giải pháp cấu tạo khi bản giảm tải đặt nghiêng góc 10% tại phần đất đắp dưới đường đầu cầu. Trong nghiên cứu của mình, tác giả coi bản giảm tải cùng làm việc với kết cấu cầu khi có kể đến ảnh hưởng của 2 khối lượng nền đất đắp đường đầu cầu. Từ đó chọn Luận văn với tiêu đề: “Nghiên cứu cấu tạo bản giảm tải cùng tham gia làm việc với hệ kết cấu cầu khi xét đến ảnh hưởng của khối lượng đất nền”. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu, tính toán chuyển vị của hệ kết cấu cầu dầm giản đơn khi coi bản giảm tải đường đầu cầu như một nhịp dẫn của hệ kết cấu; - Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số của bản giảm tải đến chuyển vị của hệ kết cấu cầu dầm đơn giản. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a. Đối tượng nghiên cứu - Bản giảm tải cùng tham gia làm việc với kết cấu cầu khi có xét ảnh hưởng của khối lượng đất nền; - Nghiên cứu tính toán chuyển vị của kết cấu nhịp khi thay đổi các tham số như: góc nghiêng, chiều dày bản giảm tải và tốc độ xe chạy khi vào hoặc ra khỏi công trình cầu. b. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu bản giảm tải đường đầu cầu; - Nghiên cứu, đánh giá việc sử dụng bản giảm tải chống lún cùng làm việc với kết cấu cầu khi có xét ảnh hưởng của khối lượng đất nền đường đầu cầu Bà Phó tuyến số 1 thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Thu thập, biên dịch các tài liệu có liên quan. - Nghiên cứu, đánh giá các giải pháp chống lún ở đường đầu cầu đang sử dụng phổ biến tại Trà Vinh. - Sử dụng phương pháp điều tra, thu thập các số liệu thực nghiệm của cầu về kích thước, vị trí, đất đắp,… của bản giảm tải để thống kê, đánh giá hiện trạng, phân tích, kiểm chứng. Từ đó nghiên cứu đề xuất các giải pháp cải tạo, xây dựng. - Sử dụng chương trình tính toán của nhóm nghiên cứu trong tài liệu tham khảo để tính toán chuyển vị của hệ kết cấu cầu. 5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Xác định giá trị chuyển vị và nội lực của hệ kết cấu để đánh giá hiệu quả của biện pháp cấu tạo độ dốc dọc kết cấu nhịp kết hợp thay đổi độ dốc bản giảm tải trên đường đầu cầu; - Xét bản giảm tải trong bài toán phân tích động lực học của kết cấu dầm trên nền chịu tải trọng di động, với tên gọi là mô hình nền động lực học “dynamic foundation 3 model” có xét đến thông số khối lượng của nền. Từ đó xác định các thông số của đất nền và cấu tạo bản giảm tải để giúp nhà thiết kế có thêm cơ sở để lựa chọn kết cấu nhịp và bản giảm tải nền đường đầu cầu. 6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn gồm có 3 chương được trình bày theo bố cục cụ thể như sau: Chương I - Tổng quan về hiện tượng lún nền đường đầu cầu: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến Luận văn từ các tài liệu trong và ngoài nước; nắm được bản chất khái niệm về đất yếu và nguyên nhân gây lún lệch đường đầu cầu; để ý đến các công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu trên nền đất yếu đang sử dụng kể cả những công nghệ mới, từ đó đưa ra những định hướng cho nghiên cứu của Luận văn. Chương II - Nghiên cứu tính toán bản giảm tải tham gia làm việc tương tác với đất nền: Đề xuất hai giải pháp là “Thiết kế kết cấu nhịp giảm tải” và “Nghiên cứu tính toán bản giảm tải làm việc tương tác với đất nền khi xét đến ảnh hưởng của khối lượng đất nền”; sử dụng một mô hình nền gọi tên là mô hình nền động lực học có xét đến ảnh hưởng của khối lượng nền và nghiên cứu cơ sở lý thuyết để mô tả thông số ảnh hưởng của khối lượng nền lên ứng xử động lực học của hệ kết cấu dầm; chương này cũng thiết lập hai bài toán dầm động lực học và dầm trên nền động lực chịu tải trọng động, cơ sở rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn, lập phương trình chuyển động bằng sự cân bằng động, lập thuật toán giải phương trình chuyển động và mô tả thành sơ đồ khối để viết chương trình máy tính. Chương III - Nghiên cứu giả định kết cấu cầu, các biểu đồ chuyển vị của kết cấu nhịp cầu: Tiến hành nghiên cứu giả định mô hình của Luận văn để xác định ảnh hưởng của khối lượng nền lên hệ kết cấu bên trên; kết quả nghiên cứu giả định được thực hiện dựa trên mô hình kết cấu cầu dầm bê tông cốt thép và kết cấu bản giảm tải trên nền đường dẫn của công trình cầu Bà Phó Phó - tuyến số 1, thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh; dựa trên sự thay đổi các thông số đặc trưng như vận tốc xe chạy, khối lượng đất nền, chiều dày bản giảm tải,… từ đó thông số đặc trưng ảnh hưởng của khối lượng nền đến kết cấu cầu được đánh giá thông qua kết quả phân tích giữa lý thuyết và thực nghiệm. 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG Sự cố lún đường đầu cầu là hiện tượng khá phổ biến đối với các công trình cầu không những ở Việt Nam mà ngay cả các nước phát triển trên thế giới. Tổng hợp các điều tra, nghiên cứu ở Mỹ cho thấy rằng có ít nhất 25% trong số 600.000 cầu có hiện tượng lún đường dẫn sau mố. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý ở các nước phát triển sự cố này xảy ra với mức độ thấp hơn và thời gian bắt đầu xuất hiện cũng lâu hơn chứ không xảy ra ngay trong những năm đầu tiên công trình đưa vào khai thác như một số dự án ở nước ta. 1.2. TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU Phạm vi đường Phạm vi cầu Khe nối Mặt cầu Bản quá độ Mố cầu Mặt đường Bản đỡ Bệ móng Nền đắp đầm chặt Chiều sâu xử lý móng Đất nền Hình 1.1. Các yếu tố đặc trưng của hệ thống đường đầu cầu Trong những năm qua, rất nhiều công trình cầu ở nước ta đã bị sự cố lún đường dẫn đầu cầu, thậm chí một số công trình bị lún ngay trong quá trình đang thi công, số lớn khác bị lún chỉ sau thời gian đưa vào khai thác sử dụng. Sự cố lún đường dẫn đầu cầu gây ra những hậu quả nghiêm trọng, nhiều công trình bị kéo dài thời gian xây dựng do lún đường dẫn đầu cầu xảy ra ngay trong quá trình thi công. Những công trình đã đưa vào khai thác sử dụng bị lún gây khó chịu cho người tham gia giao thông, thậm chí mất an toàn giao thông, gây gián đoạn sự vận hành. Việc khắc phục sự cố trên đòi hỏi phải có thời gian, cũng như chi phí lớn. Hiện tại những đoạn đường dẫn đầu cầu thường là đắp cao và có tiêu chuẩn về độ lún thấp hơn độ lún cho phép của công trình cầu, dẫn đến khu vực nền đường đầu cầu 5 thường lún không đều, kém ổn định, đồng thời xảy ra sự lún không đều giữa bộ phận nền đường và kết cấu cầu. Hình 1.2. Lún lệch nền đường đầu cầu tuyến số 1 thị xã Duyên Hải Hình 1.3. Lún lệch nền đường đầu cầu VD06 (Km18+600) Đường cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi 6 Việc lún và lún không đều của đường đầu cầu trên nền đất yếu gây ảnh hưởng không tốt đối với công trình giao thông. Lún không đều trên đoạn nền đường đắp cao và sự thay đổi cao độ đột ngột tại khu vực mố cầu, tạo thành điểm gãy tại vị trí tiếp giáp giữa cầu và đường là nguyên nhân giảm năng lực thông hành, gây cảm giác khó chịu cho người tham gia giao thông, phát sinh tải trọng xung kích, tốn kém về kinh phí cho công tác duy tu bảo dưỡng đường và gây mất an toàn giao thông. 1.3. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ LÚN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU Trong công tác xây dựng nói chung và xây dựng công trình giao thông nói riêng, việc xác định rõ loại đất yếu có vai trò cực kỳ quan trọng, nó quyết định đến tuổi thọ cũng như mức độ an toàn của công trình. Ngoài ra, việc xác định không đúng loại đất yếu sẽ dẫn đến chi phí xây dựng tăng vọt trong quá trình thực hiện thi công dự án do phải tốn chi phí xử lý nền khi công trình đã thi công dang dở. Hiện nay trên thế giới, có nhiều khung phân loại khác nhau, cũng như các chỉ tiêu đánh giá không thống nhất. Ở đây, Luận văn chỉ tập trung giới thiệu khái niệm và phân loại theo các văn bản pháp lý hiện hành ở Việt Nam và có tham chiếu một số kết quả ở Châu Âu và châu Mỹ. 1.3.1. Khái niệm về đất yếu Đất yếu là loại đất có sức chịu tải nhỏ, không đủ độ bền, biến dạng rất lớn và loại đất này không được sử dụng trong các công trình xây dựng. Theo tiêu chuẩn ngành giao thông vận tải 22TCN 262-2000 và tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXD 245-2000 thì đất yếu được định nghĩa trên các chỉ tiêu cơ lý, đất yếu là loại đất nếu ở trạng thái tự nhiên có các tính chất sau: ▪ Dung trọng:  w  1,7 T m3 số rỗng lớn: e  1 ▪ Độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy: W  Wd ▪ Hệ ▪ Độ bão hòa: G  0,8 ▪ Hệ số cố kết (kết quả cắt nhanh không thoát nước): c  0,15 daN cm2 ▪ Góc ma sát trong:   100 ▪ Lực dính (đối với đất dính): c  0,1kg cm2 Theo các nước trên thế giới (châu Âu, châu Mỹ) nền đất yếu được định nghĩa theo sức kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn N, như sau: ▪ Đất rất yếu: Su  12,5 ( kPa ) và N  2 ▪ Đất yếu: 12,5  Su  25 ( kPa ) và 2  N  4 7 1.3.2. Một số đặc điểm của đất yếu Trong xây dựng công trình giao thông, đất yếu thường lẫn nhiều chất hữu cơ và có các đặc điểm sau: ▪ Sức chịu tải bé khoảng: ( 0,5  1,0 ) kg cm2 ▪ Đất có tính nén lún lớn: a  0,1cm2 kg ▪ Mô đuyn biến dạng bé: E  50 kg cm2 số rỗng lớn: e  1 ▪ Độ sệt lớn: B  1 ▪ Hàm lượng nước trong đất cao, độ bão hòa nước: G  0,8 ▪ Hệ ▪ Dung trọng nhỏ ▪ Khả năng chống cắt nhỏ ▪ Ít thoát nước 1.3.3. Một số giải pháp công nghệ xử lý lún nền đường đầu cầu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông Qua các quá trình xử lý độ lún lệch thực tiễn đã tổng hợp của rất nhiều những giải pháp như sau: a. Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát Phương pháp nén chặt dưới đất sâu bằng cọc cát là phương pháp tạo ra các cọc cát có đường kính tương đối lớn và được đầm chặt trong nền đất yếu được gia cố. Sử dụng phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát có một số ưu nhược điểm như sau: a.1. Ưu điểm - Sẽ làm tăng sức chịu tải của đất nền đối với đất rời. - Làm cho độ rỗng, độ ẩm của đất nền giảm và góc ma sát trong tăng lên. Vì nền đất được nén lại nên sức chịu tải của đất nền tăng lên, độ lún và biến dạng không đều của đất dưới đáy móng công trình giảm đi đáng kể. - Khi dùng cọc cát trị số mô-đun biến dạng ở trong cọc cát cũng như vùng đất được nén lại xung quanh cọc sẽ giống nhau, vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như nền thiên nhiên. - Khi dùng cọc cát quá trình cố kết của đất nền xảy ra nhanh hơn nhiều so với nền thiên nhiên hay nền gia cố bằng cọc cứng, xem trong Bảng 1.1. 8 Bảng 1.1. Các giải pháp xử lý tương ứng theo tư duy xử lý Tư duy xử lý Phương pháp xử lý - Tăng độ đầm chặt của nền đường; - Giảm thiểu tải trọng bản thân của nền - Thay thế vật liệu đắp bằng vật liệu đắp đắp tốt hơn như cấp phối, cát; - Sử dụng lưới địa kỹ thuật. - Bản chuyển tiếp; - Thiết kế giảm độ lún phạm vi mố - Chuyển tiếp bằng hệ cọc; - Mố mềm. - Phương pháp xử lý nền (cọc cát, cọc đất xi măng, cọc BTXM; sàn giảm tải;...) - Giảm độ lún của nền đường đầu cầu - Lựa chọn vật liệu đắp nhẹ. - Kết cấu mặt đường - Thiết kế độ dốc ngược; - Thiết kế KCAĐ chuyển tiếp. a.2. Nhược điểm - Dễ sản sinh co ngót trong quá trình thi công và khai thác. - Độ chặt của đất phụ thuộc vào kích thước ống lỗ. - Thiết bị thi công nặng và dài. - Tốn kém, thời gian thi công kéo dài gây xáo trộn cấu trúc nền đất và khó kiểm tra được chất lượng của cọc cát. a.3. Mục đích của phương pháp cọc cát: Là nhằm giảm độ lún và tăng cường độ đất yếu. Cát và đá được đầm bằng hệ thống đầm rung và có thể sử dụng công nghệ đầm trong ống chống. Sức chịu tải của cọc cát phụ thuộc vào áp lực bên của đất yếu tác dụng lên cọc. a.4. Cơ sở lý thuyết: Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cát, có 2 quá trình chính xảy ra là: quá trình nén chặt cơ học và quá trình cố kết thấm. - Nén chặt cơ học: ▪ Gia cố nền đất yếu bằng cọc cát là dùng một thiết bị chuyên dụng để đưa một lượng vật liệu cát vào nền đất yếu dưới dạng cọc cát nhằm cải tạo tính chất cơ lý của đất nền, nâng cao sức chịu tải của đất nền, giảm độ lún công trình, đảm bảo công trình hoạt động bình thường và ổn định. ▪ Nếu giả thiết rằng, thể tích các hạt rắn (trong nền đất) là không đổi trong quá trình gia cố đất yếu bằng cọc cát, thì sự thay đổi thể tích khối đất khi gia cố chính là sự thay đổi thể tích lỗ rỗng trong khối đất đó. - Cố kết thấm: 9 ▪ Khi cọc cát được hình thành trong nền đất, đã tạo thành giếng thu nước thẳng đứng, tạo điều kiện thuận lợi cho nước trong đất yếu thoát ra ngoài qua cọc cát. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài (tải trọng đất đắp) theo thời gian, ứng suất có hiệu trong đất nền tăng lên, áp lực nước lỗ rỗng giảm đi, nước trong lỗ rỗng của đất yếu sẽ thấm chủ yếu theo phương ngang vào cọc cát, sau đó thoát ra ngoài theo chiều dài cọc cát. ▪ Ngoài ra, khi đưa cát vào nền đất yếu để hình thành cọc cát, do độ ẩm của cát trong cọc cát nhỏ hơn độ ẩm của nền đất yếu rất nhiều lần, đã tạo điều kiện cho nước trong đất yếu được thấm tập trung về phía cọc cát rất nhanh, làm cho quá trình cố kết thấm ban đầu của đất yếu tăng nhanh. ▪ Dưới tác dụng của quá trình cố kết nêu trên, sức kháng cắt của đất yếu tăng lên, độ lún giảm đi, sức chịu tải của nền đất được cải thiện rõ rệt. a.5. Các điểm nổi bật của phương pháp - Cọc cát làm nhiệm vụ như giếng cát, giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn; - Nền đất được ép chặt do ống thép tạo lỗ, sau đó lèn chặt đất vào lỗ làm cho đất được nén chặt thêm, nước trong đất bị ép thoát vào cọc cát, do vậy làm tăng khả năng chịu lực cho nền đất sau khi xử lý; - Cọc cát thi công đơn giản, vật liệu rẻ tiền (cát) nên giá thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệu khác. Cọc cát thường được dùng để gia cố nền đất yếu có chiều dày lớn hơn 3m; - Công nghệ cọc cát đầm chặt không gây ảnh hưởng đến môi trường và trong tương lai công nghệ này sẽ trở thành công nghệ xử lý nền đất yếu rất có hiệu quả; - Có thể kiểm soát về khối lượng và chất lượng công trình trong quá trình thi công cọc cát đầm chặt; - Các điều kiện về thời tiết sẽ không ảnh hưởng quá nhiều đến tiến trình thi công cọc cát đầm chặt. a.6. Cọc cát có thể áp dụng trong một số trường hợp sau - Bề dày đất yếu cần xử lý tương đối lớn; - Chiều cao nền đất đắp tương đối lớn; - Cọc cát làm tăng cường sự ổn định nền đắp, giảm thiểu độ lún còn lại; - Khi nền đất yếu cần xử lý có các sức chống cắt nhỏ mà việc cải thiện tính chất cơ lý của đất yếu này bằng cố kết thấm đơn thuần thì hiệu quả đạt được sẽ không cao; - Khi thời hạn yêu cầu đưa đường vào khai thác, sử dụng là ngắn; - Sử dụng cọc cát gia cố nền đất yếu cũng không yêu cầu chất lượng kỹ thuật của cát làm cọc cát cao như đối với giếng cát. Mặt khác, giải pháp này không cần thời gian chờ cố kết của đất yếu. 10 Hình 1.4. Công nghệ thi công cọc cát bằng phương pháp khoan tạo lỗ b. Phương pháp thay đất b.1. Cơ sở lý thuyết - Giải pháp thay đất là thay thế một phần hoặc toàn bộ lớp đất yếu dưới nền đường bằng lớp đất khác có cường độ, sức chịu tải tốt hơn so với lớp đất yếu trước đây. Giải pháp thay đất có ưu điểm là tăng cường ổn định, giảm độ lún và thời gian chờ lún khi thiết kế xử lý nền đất yếu. - Giải pháp thay đất rất hiệu quả trong trường hợp bề dày đất yếu nhỏ hơn so với vùng ảnh hưởng của tải trọng đắp. - Tính toán chiều sâu thay đất căn cứ vào thời gian cố kết dự kiến, yêu cầu về độ ổn định nền đắp cần đạt được để xác định chiều sâu thay đất. - Khi kiểm toán thiết kế nền đất yếu bằng giải pháp thay đất, cần phải kiểm tra 2 điều kiện là: Biến dạng lún và ổn định trượt để xác định chiều sâu thay đất. Độ lún còn lại và độ ổn định trượt trước, sau khi thay đất. Cần chú ý rằng, sau khi thay đất, xem như phần đất yếu được thay bằng lớp đất tương ứng với bề dày bằng bề dày đất yếu được thay thế và chỉ tiêu cơ lý của đất thay thế để tính toán ổn định và lún. - Thi công đào thay đất, có thể dùng sơ đồ đào đất yếu bằng máy xúc gầu dây, đào đến đâu thì đắp lấn đến đó. Chiều sâu đào thay đất có thể từ (2÷3)m, đặc biệt có thể tới 4,0m. 11 - Trong một số trường hợp nhất định, nên kết hợp giải pháp thay đất với giải pháp gia tải thêm để tăng cường ổn định nền đường và đảm bảo độ lún còn lại theo yêu cầu. b.2. Phạm vi áp dụng Giải pháp đào thay đất được áp dụng trong các trường hợp sau: - Khi thời hạn yêu cầu đưa công trình đường vào sử dụng là rất ngắn và đào bỏ đất yếu là một giải pháp tốt để tăng nhanh quá trình cố kết. - Khi các đặc trưng cơ lý, đặc biệt là sức chịu tải của đất yếu là rất nhỏ mà việc cải thiện nó bằng cố kết là không có hiệu quả để đạt được chiều cao thiết kế của nền đắp. - Khi cao độ thiết kế gần với cao độ tự nhiên, không thể đắp nền đường đủ dày để đảm bảo cường độ cần thiết dưới kết cấu mặt đường. - Bề dày lớp đất yếu nhỏ từ 2m trở xuống thì nên đào bỏ toàn bộ lớp đất yếu này để đáy nền đường tiếp xúc với tầng đất không yếu. - Đất yếu là than bùn loại I hoặc loại sét, á sét dẻo mềm, dẻo chảy. Trường hợp này nếu chiều dày đất yếu vượt quá (4÷5)m thì có thể đào một phần sao cho phần đất yếu còn lại có bề dày nhiều nhất chỉ bằng (1/2÷1/3) chiều cao đất đắp (kể cả phần đắp chìm trong đất yếu). - Trong trường hợp đất yếu có bề dày dưới 3m và có cường độ quá thấp mà đào ra không kịp đắp lấn như than bùn loại II, loại III, bùn sét (độ sệt B >1) hoặc bùn cát mịn thì có thể áp dụng giải pháp bỏ đá chìm đến đáy lớp đất yếu hoặc bỏ đá kết hợp với đất đắp quá tải để nền tự lún đến đáy lớp đất yếu. - Trường hợp nền đường đầu cầu đắp có chiều cao không lớn (khoảng 1,0m) mà đất yếu có chiều dày tương đối lớn. - Yêu cầu kỹ thuật về độ lún còn lại không đòi hỏi cao như những đoạn nền thông thường (tốc độ thiết kế ≤ 40 Km/h), đoạn đường thiết kế có kết cấu lớp mặt là cấp cao A2 trở xuống. Giải pháp thay đất đã được áp dụng trong xây dựng giao thông ở nước ta như: Dự án nâng cấp, mở rộng QL.1A đoạn Dốc Xây - Thành phố Thanh Hóa; Đại lộ Nam sông Mã; Đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Trung Lương; Đường cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi;... c. Phương pháp gia tải nén trước c.1. Đặc điểm và phạm vi áp dụng Phương pháp này có thể sử dụng để xử lý khi gặp nền đất yếu như than bùn, bùn sét và sét pha dẻo nhão, cát pha bão hòa nước. Dùng phương pháp này có các ưu điểm sau: - Tăng sức chịu tải của nền đất.