BÀI GIẢNG nền ĐƯỜNG sắt HIỆN đại

Tính sử dụng của kết cấu đường sắt dạng tấm bản bao gồmcông năng và tính bền của kết cấu, ngoài vấn đề cung cấp kết cấu phía trên độ cứngtương ứng, truyền tải trọng và phân tán tải trọng

BÀI GIẢNG NỀN ĐƯỜNG SẮT HIỆN ĐẠI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Đường sắt thế giới đang tiến vào thời đại đường sắt cao tốc, đến năm 2012 đườngsắt Trung Quốc xây dựng mới đạt 13000km, đến năm 2020 xây dựng mới có thể đạt16000km trở lên, trong tương lai gần Trung Quốc dự kiến xây dựng tổng cộng 50000kmđường sắt cao tốc trong nội bộ và các tuyến đường sắt cao tốc nối với các nước Có thểthấy rằng trong 5 năm tới, phát triển đường sắt cao tốc vẫn là trọng tâm phát triển giaothông công cộng của Trung Quốc; Nhật Bản trước mắt xây dựng hệ thống đường sắt caotốc với tổng chiều dài khoảng 2700km, ngoài ra trong tương lai gần tiếp tục hoàn thiệnmạng lưới đường sắt cao tốc; theo quy hoạch của Châu Âu, đến năm 2020 sẽ xây dựnghoàn thành mạng lưới đường sắt cao nối đa sô các nước trong Châu Âu, đồng thời cảitạo các tuyến đường hiện có thành tuyến đường sắt cao tốc hoặc cận cao tốc, tổng chiềudài của xây dựng mới và cải tạo lên đến 25000km; ngoài ra, Mỹ, Nga, các nước thuộckhu vực Trung Đông cũng đề xuất nhiều quy hoạch các tuyến đường sắt cao tốc

Mặc dù đường sắt cao tốc đã trải qua quá trình phát triển trong nửa thế kỷ qua, cácnước phát triển Nhật Bản, Pháp, Trung Quốc đều có thời gian đủ dài để phát triển và đạtđược nhiều thành tựu, đồng thời cũng phải thấy trong các phương diện xây dựng, quản

lý và kỹ thuật vẫn tồn tại không ít vấn đề, mỗi nước đều đang tồn tại ít nhiều các vấn đềvốn nhiều trong giai đoạn chuẩn bị đầu tư và chi phí rất lớn trong bảo quản bảo dưỡng

để hiện thực hóa đoàn tàu với tốc độ cao vận hành an toàn Do đó, mặc dù đường sắt caotốc vẫn không ngừng phát triển, nhưng cũng tồn tại không ít vấn đề khoa học - kỹ thuậtkhó đang chờ giải quyết, kỹ thuật về đường sắt cao tốc vẫn cần quá trình không ngừnghoàn thiện và phát triển

Để đoàn tàu chuyển động với vận tốc cao, độ an toàn cao và đảm bảo tiện nghi chohành khách, yêu cầu tính êm thuận và tính ổn định cao kết cấu đường Trong đó nềnđường là một phần kết cấu quan trọng bên dưới, khống chế một cách nghiêm ngặt lúnsau thi công, cung cấp cho kết cấu tầng trên nền móng ổn định vững chắc, hiện thực hóađiều kiện tiên quyết kết cấu tầng trên trong thời gian dài đảm bảo độ êm thuận và độ ổnđịnh cao, cũng là một trong các vấn đề quan trọng trọng đảm bảo đường sắt cao tốc cóthể phục vụ lâu dài

Để đạt được đường sắt cao tốc có độ an toàn cao, độ tin cậy cao và giảm thiểu bảodưỡng người ta sử dụng kết cấu có độ ổn định và độ bền cao, giải pháp trong trường hợpnày là người ta thay lớp đá ba lát bằng kết cấu dạng tấm bản (gồm 2 lớp trên là tấm bản

để liên kết với ray dưới là lớp bê tông đệm) kết cấu này được gọi là đường sắt dạng tấmbản (đường sắt không có đá ba lát)

Tương tự như các loại kết cấu khác, kết cấu đường sắt dạng tấm bản là một bộphận quan trọng của đường sắt cao tốc, nó phải đáp ứng được yêu cầu về hai phươngdiện là an toàn và sử dụng Tính sử dụng của kết cấu đường sắt dạng tấm bản bao gồmcông năng và tính bền của kết cấu, ngoài vấn đề cung cấp kết cấu phía trên độ cứngtương ứng, truyền tải trọng và phân tán tải trọng còn cần đảm bảo điều kiện biến dạnglún hậu kỳ là “0” hoặc “ít” để tuyến đường ổn định lâu dài (tính bền) So sánh với điều

kiện an toàn, thiết kế hệ thống đường sắt dạng tấm bản đảm bảo tính bền gồm nhiều nộidung khống chế, trong đó khống chế biến dạng lún của kết cấu nền đường là một nộidung quan trọng đảm bảo tính bền của kết cấu đường sắt dạng tấm bản.

Chúng ta đều biết, khi đã xây dựng hoàn thiện xong kết cấu dạng tấm bản, kết cấu

đã hóa cứng chỉ cho phép biện dạng lún rất hạn chế Trước mắt, phạm vi có thể điềuchỉnh cao độ của phụ kiện đường sắt dạng tấm bản là 30mm, sai số sau khi thi công phụkiện(+6,-4) còn lại 20mm có thể điều chỉnh cho phần biến dạng lún Trên cơ sở nền tảng

đó, trong thiết kế thường chọn 15mm là giá trị khống chế lún cho nền đường và móngđường, còn 5mm là giá trị dự phòng biến dạng lún phụ gia dưới tác dụng tải trọng đoàntàu Mặc dù giá trị như vậy mang tính định tính, nhưng trước mắt theo kinh nghiệm củacác nước đã phát triển đường sắt cao tốc, bước đầu kiểm nghiệm giá trị này có tính hợp

lý Cần phải thấy rằng, khống chế biến dạng lún hậu kỳ của nền đường không chỉ vì vấn

đề cao độ có thể điều chỉnh của phụ kiện, còn cần quan tâm tới ứng lực và cường độ antoàn của kết cấu tầng trên Nếu như nền đường có biến dạng hậu kỳ vượt qua giá trị chophép là 15mm sẽ phát sinh biến dạng lún dọc tuyến không đều, dẫn đến phát sinh tảitrọng cưỡng chế tác dụng lên tấm bản, mà trong quá trình thiết kế không thể xem xét đếntải trọng phụ này, lúc đó có khả năng dẫn đến phát sinh rạn nứt bê tông, ảnh hưởng đến

độ bền và thậm chí là tính an toàn Do vậy, cho dù nhà cung cấp phụ kiện có thể cungcấp phụ kiện có phạm vi điều chỉnh cao độ lớn hơn, cần khẳng định không thể chỉ xemxét 1 mặt từ phạm vi có thể điều chỉnh cao độ của phu kiện, mà còn cần xem xét biếndạng lún hậu kỳ của nền đường làm phát sinh ứng lực phụ gia và tính an toàn cường độ

để khống chế biến dạng lún hậu kỳ của nền đường sắt cao tốc dạng tấm bản Tóm lại,biến dạng lún hậu kỳ của nền đường ảnh hưởng then chốt đến hệ thống đường sắt dạngtấm bản và độ bền của đường sắt cao tốc Trên cơ sở đó, lấy phạm vi này làm trung tâm,

từ nhiều góc độ khác nhau tiến hành thảo luận làm thế nào dựa trên lý luận để thiết kếkết cấu nền đường hợp lý và hệ thống khống chế kỹ thuật chất lượng để đảm bảo khốngchế biến dạng lún hậu kỳ của nền đường, nhằm đảm bảo yêu cầu độ bền của đường sắtcao tốc dạng tấm bản

Lây nền đắp làm ví dụ, hình vẽ biểu thị cấu tạo và tác dụng chủ yếu của các bộphận kết cấu đường sắt dạng tấm bản, cấu tạo này gồm 2 phần chủ yếu là kết cấu phầntrên và kết cấu phần dưới Tổng thể từ trên xuống dưới, tính dàn hồi và biến dạng thayđổi kiểu bậc thang, đặc biệt là vị trí tiếp giáp giữa tấm bản với lớp đệm tấm bản và kếtcấu phần dưới thay đổi này lớn nhất Với cách bố trí các lớp kết cấu có độ cứng giảmdần phù hợp với xu thế giảm dần tải trọng động theo chiều sâu Làm như vậy một mặtlàm cho bánh xe, ray hỗ trợ tác dụng sản sinh ứng lực lớn dựa trên cường độ rất lớn của

bê tông tấm bản, tải trọng phân tán rất nhanh và giảm dần, làm cho kết cấu nền đườngkhông phải chịu tải trọng quá lớn có thể dẫn đến phá hoại hoặc trượt mà phát sinh biếndạng phụ gia; mặt khác, với cách bố trí này tạo ra sự phù hợp giữa đặc tính giảm dần tảitrọng động theo chiều cao với yêu cầu chất lượng và tính chất vật liệu nền đường theocác cao độ khác nhau, từ đó đạt được mục tiêu thiết kế hợp lý về kinh tế; ngoài ra, độ

cứng từ trên xuống dưới giảm dần có lợi cho nền đường trong việc tiếp nhận động năng

để giảm chấn động của đường ray

Hình 1.1 Hệ thống kết cấu đường đường sắt tấm bản và tác động của tải trọng tĩnh, tải

trọng động và điều kiện khí hậu

Kết cấu phần dưới của đường sắt cao tốc dạng tấm bản gồm lớp mặt trên của nềnđường, lớp mặt dưới của nền đường, nền đắp và móng đường như hình vẽ Trong trườnghợp thông thường, chúng chịu tác dụng của 2 nhân tố: tác dụng của tải trọng và tác dụngcủa môi trường Tải trọng phân thành tự trọng kết cấu nền đường (tĩnh tải) và tải trọngđoàn tầu (tải trọng động) Tác động cảu điều kiện khí hậu môi trường chủ yếu là nướcmưa, đóng băng, nước mặt, nước ngầm, nước giữa các tầng và nước mao dẫn Những tácdụng này tại các giai đoạn khác nhau, với phương thức và mức độ khác nhau ảnh hưởngđến đến sức chịu tải của nền đường, biến dạng lún và biến dạng hậu kỳ

Trường hợp thông thường, dưới tác dụng của tải trọng biến dạng lún của nềnđường gồm thành 3 bộ phận cấu thành, xem hình 1.2

Bộ phận thứ nhất: móng đường (nguyên dạng hoặc sau gia cố), dưới tác dụng tĩnhtải của nền đắp và bộ phận kết cấu tầng trên phát sinh biến dạng lún sU;

Bộ phận thứ 2: nền đường bao gồm lớp mặt trên nền đường, lớp mặt dưới nềnđường và phần dưới lớp mặt dưới tác dụng của tĩnh tải các các phần trên nó và bản thânphát sinh biến dạng nén lún sE;

Bộ phận thứ 3: lớp mặt nền đường (bao gồm lớp mặt trên và lớp mặt dưới) dướitác dụng lâu dài và trụng phục của tải trong đoàn tàu phát sinh biến dạng dẻo sN (biếndạng lún phụ gia)

Hình 1.2 Biến dạng lún của nền đường dưới tác dụng của tải trọng tùy theo chiều sâu và

tùy yếu tố thời gian của kết cấu nền đường sắt dạng tấm bản.

Giá trị bộ phận biến dạng lún thứ nhất sU tùy thuộc vào thời gian, quyết định bởichiều cao nền đắp, loại đất nền móng (địa chất), trạng thái đất nền móng và biện phápgia cố nền đường, nó khống chế toàn bộ biến dạng lún của nền đường, xác định thời gian

có thể đặt ray và biến dạng hậu kỳ của nền đường

Hiện tại giải pháp chủ yếu xử lý nền móng là dùng cọc cứng hoặc cọc bán cứngkết hợp với lớp đệm gia cố, ví dụ mạng cọc CFG, khi đó thông thường sẽ làm giảm biếndạng lún của nền móng rất nhiều, thời gian biến dạng lún hoàn thành có thể rút ngắn rấtnhiều Tuy nhiên, trong trường hợp này khu vực tiếp giáp giữa nền móng và nền đắpphát sinh tải trọng và biến dạng lún phân bố rất phức tạp, mặt móng đường (đáy của nềnđường đắp) hình thành các vùng lõm có hình thức không đơn nhất mà hình thành nhiềuvùng lõm như hình 1.2 Khi đặt cọc vào tầng địa chất tốt, nền đắp thông qua cộng tácdụng của đất truyền lên đỉnh cọc một bộ phận áp lực đất và làm cọc lún độ lún nhỏ hơnrất nhiều so với độ lún của phần giữa các cọc, biến dạng lún phần giữa các cọc phụthuộc vào tải trọng mà phát sinh biến dạng lún theo thời gian tạo thành các vùng lõmnhỏ Khi biến dạng lún giữa các cọc phát triển, bộ phận tải trọng áp lực đất dạng mạnglưới một lần nữa được truyền đến cọc Khi nền đắp tương đối cao, đáy của nền đắp hìnhthành nhiều vùng lõm nhỏ ảnh hưởng đến mặt đỉnh nền đường và lún không đều đối vớikết cấu tầng trên là nhỏ, có thể bỏ qua Nhưng khi chiều cao đắp thấp, đáy nền đắp hìnhthành nhiều vùng lõm nhỏ có thể truyền lên lớp mặt đỉnh nền đường, làm ảnh hưởng đếnbiến dạng hậu kỳ và tính bền của đường ray

Bộ phận biến dạng lún thứ 2 là biến dạng nén lún của bản thân nền đắp dưới tác

dụng của tải trọng bản thân sE được giải quyết bằng cách lựa chọn vật liệu chất lượngđắp Trong trường hợp lựa chọn vật liệu đắp đáp ứng được yêu cầu nếu chất lượng đắptốt, biến dạng nén lún phần nền đắp khoảng 0.2~0.8% chiều cao nền đắp, đồng thời đại

bộ phận biến dạng này dừng lại sau khi thi công xong

Bộ phận thứ 3 của biến dạng lâu dài nền đường dưới tác dụng trùng phục của hoạt

tải nằm chủ yếu trong khu vực lớp phía trên và phía dưới mặt đỉnh nền đường sN, hình1.2 đường màu xanh biểu thị biến dạng này Theo kinh nghiệm của đường sắt cao tốccủa Đức, sử dụng tiêu chuẩn thiết kế nền đường RIL836, trong trường hợp đắp theođúng tiêu chuẩn, thông thường biến dạng phụ gia không vượt qua 5mm, đây chính là lý

do để phần biến dạng này chính là biến dạng dự phòng dưới tác dụng của hoạt tải Đốivới nền đắp thấp và nền đào, hoạt tải có thể ảnh hưởng đến móng đường, đặc biệt làtrường hợp nền đào lớp dưới của mặt đỉnh nền đường tồn tại đất có tính dẻo cao hoặctrung bình, lúc đó cần đặc biệt chú ý đến ảnh hưởng của tải trọng động đến ổn định lâudài và biến dạng phụ gia Khi sử dụng mạng cọc CFG để gia cố, nếu chiều cao đắp thấp,hoạt tải có thể phát sinh ảnh hưởng cộng hưởng đến lớp đệm gia cố, ảnh hưởng đến tỷ lệtải trọng giữa cọc và đất và tải trọng áp lực đất dạng mạng lưới đến biến dạng và tính antoàn

Đối với tính bền của đường sắt dạng tấm bản tác dụng biến dạng lún hậu kỳ nềnđường sau khi đặt đường sắt tấm bản là khống chế giá trị sT

Trong công thức sR-biến dạng lún sau thi công, sR= sU,R+sE,R, xem hình 1.2

sN-biến dạng lún phụ gia dưới tác dụng của hoạt tảiKhi sử dụng mạng lưới cọc phù hợp với kết cấu gia cố, đặc biệt là trường hợp nềnđắp thấp, phân tích biến dạng lún tương đối phức tạp, lúc đó phần đất giữa các cọc saukhi đã đặt ray phát sinh biến dạng lún sau thi công và thậm chí có khả năng kéo dài thờigian tồn tại biến dạng lún

Thiết kế nền đường sắt dạng tấm bản còn một phương diện quan trọng khác đó làthiết kế đoạn quá độ Đường ray theo chiều dọc tuyến với hình dạng và độ cứng phân bốđều đặn để đạt được nền tảng yêu cầu ổn định êm thuận Tuy nhiên, tại vị trí các đoạnquá độ cầu, hầm, nền đào do cơ sở hình thức kết cấu và vật liệu không giống nhau dẫnđến độ cứng của kết cấu đường khác nhau là không thể tránh khỏi, ở phương diện khác,

do cơ sở độ cứng kết cấu và cơ sở kết cấu móng gia cố khác nhau nên xuất hiện lún khácnhau tại đoạn quá độ, đó cũng là lý do làm giảm độ êm thuận của tuyến đường, dẫn đến

có khả năng sản sinh chấn động tương đối lớn Làm thế nào để thiết kế hợp lý đoạn quá

độ để hiện thực được quá độ bằng phẳng, đảm bảo kết cấu đường có tính êm thuận và ổnđịnh cao cũng là một phương diện quan trọng

Trong giai đoạn thiết kế, phân tích biến dạng lún của nền đường bao gồm cả biếndạng lún sau thi công chỉ có thể dựa vào lý luận tính toán tương ứng và các tham số cơhọc đất để tiến hành, tính phức tạp, đa biến của cơ học đất đá và thí nghiệm trong phòng,hiện trường có tính hạn chế dẫn đến rất khó để tính toán phân tích một cách chính xác

biến dạng lún của nền đường, chỉ có thể tính toán sơ bộ một cách gần đúng Do đó, tronggiai đoạn thi công và giai đoạn điều chỉnh cần tiến hành đối chiếu quá trình theo dõi lún,phân tích, đánh giá, để từ đó dự báo biến dạng lún sao thi công, việc này là việc khôngthể thiếu trong tính toán thiết kế nền đường sắt dạng tấm bản, nó quyết định xem có thểđặt đường được hay không.

Ngoài tải trọng tĩnh, tải trọng động tác động đến biến dạng lún của nền đường, đốivới nền đương điều kiện khí hậu, hoàn cảnh cũng ảnh hưởng đến tính bền của nềnđường mà không thể bỏ qua được, xem hình 1.1 Trong giai đoạn thi công và đưa côngtrình vào khai thác, nền đường sắt dạng tấm bản chịu ảnh hưởng của nước từ các nguồnkhác nhau, gồm nước mưa, nước mặt, nước ngầm và nước mao dẫn Ví dụ nước mặt nềnđặt thấp nếu không có biện pháp thoát nước, làm cho nước tồn đọng có thể xuất hiện áplực nước lỗ rỗng ảnh hưởng bất lợi đến độ ổn định và biến dạng lún của nền đường, đặcbiệt là trường hợp kết cấu mặt nền chịu tác dụng tương đối lớn của tải trọng động, nước

bị giữ lại, tập trung có thể phát sinh áp lực nước siêu tĩnh và biến dạng phụ gia Tương

tự, khi cao độ mực nước ngầm lớn, lượng nước phong phú, nước ngầm có thể thông quahiện tượng mao dẫn có thể thấm đến nền đắp có thể ảnh hưởng đến độ ổn định và biếndạng lún của nền đắp Tóm lại nước tồn tại trong nền đường ảnh hưởng lớn đến độ bềnlâu dài Ở đây, đầu tiên tập trung tính ổn định nước của vật liệu đắp, tính thấm và cácyếu tố nội tại, do vậy, một mặt cần đảm bảo nền đắp có độ ổn định nước và tính thấm,trong quá trình thi công thông qua thí nghiệm nghiệm chứng tính hợp lý; mặt khác cần

bố trí tương ứng các biện pháp thoát nước tốt như các biện pháp rãnh ngầm, rãnh hở,giếng thoát nước, thoát nước bằng phương pháp thấm (rãnh ngầm) một cách hợp lý, đểcác bộ phận quan trọng của nền đường cách ly tốt nhất với nước

Hình thức kết cấu đường sắt tấm bản

Hình thức điểm đỡ ray Hình thức đỡ ray liên tục

Có gối đỡ Không gối đỡ Gối đỡ chôn vào tấm bản Hình thức gối đỡ Khảm tấm bản đặt gối đỡ Đúc sẵn Đổ tại chỗ

Hình thức chôn ray Hình thức khảm đặt ray

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA ĐƯỜNG SĂT TẨM BẢN VÀ YÊU

CẦU ĐỐI VỚI NỀN ĐƯỜNG 2.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI ĐƯỜNG SẮT KIỂU TẤM BẢN

Đường sắt kiểu tấm bản sử dụng lớp có những đặc tính cơ học tốt như tấm bản bêtông hoặc bê tông nhựa để thay thế lớp đá ba lát để truyền lực tĩnh và lực động từ đoàntầu truyền xuống, còn yêu cầu về biến dạng (đặc tính) đàn hồi của đoàn tầu do đơnnguyên đường ray hoặc phụ kiện có độ chính xác cao đáp ứng Đường sắt kiểu tấm bảnyêu cầu rất cao về tính an toàn, đặc biệt là khống chế nghiêm ngặt độ độ lún hậu kỳ củakết cấu dưới ray sau khi đã đặt đường ray , do vậy tính ổn định lâu dài tuyến đường sắtkiểu tấm bản tương đối tốt, đặc biệt trong điều kiện chạy tầu với tốc độ cao, thuộc laoijkết cấu mà trong điều kiện bình thường ít khi cần bảo dưỡng kết cấu phía trên (kết cấutầng trên)

Dựa vào loại hình kết bên dưới có thể phân thành 3 loại là nền đường có đường sắtkiểu tấm bản, hầm có đường sắt kiểu tấm bản và cầu có đường sắt kiểu tấm bản Ngoài

ra dựa vào các tham số như liệt kê dưới đây, đường sắt kiểu tấm bản có thể phân thànhcác loại như hình vẽ

(1) Dựa vào phương thức đỡ ray có thể phân thành phương thức điểm đỡ hoặcphương thức đỡ ray liên tục

(2) Dựa vào phương thức phụ kiện đỡ ray có thể phân thành có gối đỡ hoặc khônggối đỡ

(3) Dựa vào phương thức gối đỡ cso thể phân thành phương thức bố trí chìm,phương thức đục để đặt vào và phương thức đỡ

(4) Dựa vào vật liệu tấm bản có thể phân thành loại bê tông và bê tông nhựa

(5) Dựa vào phương thức thi công tấm bản có thể phân thành lắp ghép và đổ tạichỗ

Hình 2.1 Hình thức kết cấu đường sắt tấm bản và phân loại

Bất kể loại kết cấu đường sắt kiểu tấm bản nào đều sử dụng loại vật liệu cứng độcứng cao để làm tấm bản, một mặt đạt được hệ thống truyền và phân tán tải tải trọng,một mặt khác để thích ứng với kết cấu bên dưới có sự khác biệt lớn về đặc tính với biến

dạng lún, do vậy yêu cầu về nền đường của tất cả các loại đường sắt kiểu tấm bản hoặc

có thể nói nguyên lý yêu cầu về nền đường là như nhau Đa số các quan sát ở hiệntrường minh chứng[13~16], trong điều kiện tương ứng, khi tầu chạy, có sự khác biệt rất lớn

về tải trọng đoàn tàu phân bố trong lớp mặt và lớp dưới mặt nền đường, như ứng lựcđộng và tốc độ chấn động, có thể nói, với các kết cấu đường sắt kiểu tấm bản khác nhauphân bố tải trọng động trong nền đường có sự khác biệt tương đối nhỏ Xuất phát từ haiđiều cơ bản nói trên, quan sát việc thiết kế nền đường sắt kiểu tấm bản, chương nàydùng hệ thống Rhenda của Đức với hình thức gối đặt trong tấm bản làm ví dụ, giới thiệunguyên lý cơ bản và phương pháp thiết kế, đồng thời đưa ra yêu cầu công năng kết cấunền đường, tính bền và tính êm thuận

2.2 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ QUAN NIỆM THIẾT KẾ HỆ THỐNG RHENDA CỦA ĐỨC VỚI HÌNH THỨC GỐI ĐẶT TRONG TẤM BẢN

Đường sắt kiểu tấm bản của Đức được bắt đầu phát triển từ năm 1971 do sự hỗ trợcủa Bộ Khoa học Kỹ thuật liên bang theo hạng mục nghiên cứu tác động “hệ thống bánhxe/đường ray” Trên cơ sở đề cương, dựa vào kết quả nghiên cứu đường ô tô, đường cất

hạ cánh của sân bay với nhiều lớp kết cấu bê tông có đặt cốt thép dọc làm nền tảng, khoaCông trình trường Đại học Munich đã nghiên cứu phát triển kết cấu đường sắt tấm bản

có gối đặt trong tấm bản, đây có thể coi là phiên bản đầu tiên của hệ thống kết cấuRhenda Hệ thống này đầu tiên được đặt trong ga có chiều dài 650m bằng cách hoán đổilớp đá ba lát bằng tấm bản như hình 2.2, hình 2.3 biểu thị hình thức kết cấu cơ bản của

hệ thống Rhenda phiên bản đầu

Hình 2.2 Hệ thống Rhenda phiên bản đầu tiên năm 1972

Hình 2.3 Đoạn nghiên cứu hệ thống đường sắt tấm bản Rhenda

Từ năm 1972 trở đi, thông qua nghiên cứu hiện trường và thí nghiệm đơn nguyêntrong phòng thí nghiệm đối với hệ thống Rhenda phiên bản đầu, Đức đã thiết lập lên lýluận và phương pháp rõ ràng về thiết kế đường sắt kiểu tấm bản Những năm gần đâyđược tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công trình, các lý luận và phương pháp này đượcnghiệm chứng về tính hợp lý Nói cách khác hệ thống Rhenda liên tục được cải tiến vàtối ưu hóa, phát triển đến nay hình thành hệ thống Rhenda2000 như hình 2.4

Hình 2.4 Cấu tạo mặt cắt ngang đường sắt tấm bản Rhenda 2000

Hình 2.5 Hệ thống đường sắt tấm bản 2 gối CRTS1 của tuyến đường sắt cao tốc Vũ

Hán-Quảng Châu

Hình thức đặt gối vào tấm bản có các hình thức sau:

Trường hợp thông thường, trong công xưởng sẽ tiến hành chế tạo sẵn các gối dạng

1 đơn nguyên (Rhenda) hoặc 2 đơn nguyên (Vũ-Quảng), sau đó định vị đặt sẵn vàotrong khu vực tấm bản, dùng bê tông tươi đổ tại chỗ để liên kết gối và tấm bản thànhmột khối thống nhất tạo thành tấm bản của đường sắt tấm bản Với hệ thống Rhendaphiên bản đầu phần bê tông tươi đổ tại hiện trường thông thường xuất hiện vết nứt, tuynhiên vết nứt này về cơ bản không ảnh hưởng đến kết cấu tổng thể Nhưng khi sử dụngkiểu cấu tạo này giữa hai phần bên tông đúc sẵn và đổ tại hiện trường có mặt tiếp xúclớn dẫn đến dễ tạo thành các vùng suy yếu, trong khi đường ray có đơn nguyên chấtlượng tương đối cao Từ các nhược điểm đó, sử dụng kết cấu 2 đơn nguyên gối sẽ giảmđược bề mặt tiếp xúc giữa phần bên tông đúc sẵn và bê tông đổ tại chỗ Hệ thốngRhenda phiên bản đầu, gối đỡ sử dụng thép chờ để liên kết với tấm bản đổ tại chỗ, còn

hệ thống Rhenda2000 dùng gối đỡ có toàn khối dự ứng lực đặt chìm trong tấm bản có bốtrí lưới thép để đổ tại chỗ thành một khối thống nhất, kết cấu tổng thể được cải thiệnnhiều

Qua mô hình nghiên cứu tấm bản có chiều dài vô hạn (200m), đường sắt tấm bảnĐức chứng minh được rằng, về tải trọng đoàn tầu tác dụng tấm bản hoàn toàn có khảnăng chịu được, tuy nhiên ứng lực khi nhiệt độ thay đổi (khi nhiệt độ xuống thấp đến -

300C) ứng lực kéo tác động lên tấm bản có thể đạt đến 20.5MPa, vượt qua rất nhiều khảnăng chịu kéo của bê tông chất lượng cao nhất, do đó việc xuất hiện vết nứt là không thểtránh khỏi

Hình 2.6 Điển hình tấm bản BTCT dài vô hạn chịu tải

Thông qua quá trình nghiên cứu về đường bộ và đường cất hạ cánh của đường sânbay của các nước Mỹ, Hà Lan, Tây Ban Nha có thể thấy rằng dùng kết cấu tấm bản dùngcốt thép 16 (tỷ lệ 0.8~0.9%) đặt ở mặt cắt trung tính, hoặc trên một chiều dàu nhất định

bố trí mối nối giả (có đinh khóa) để chịu lực khi nhiệt độ thay đổi, còn phần tải trọnguốn do hoạt tải gây ra do tự thân bê tông chịu, tuổi thọ của loại kết cấu này có thể đạtđến trên 60 năm Cũng như kết cấu Rhenda thế hệ đầu, hiện tại loại kết cấu này đã sửdụng được 38 năm nhưng vẫn chưa xảy ra hư hỏng nặng ảnh hưởng đến hệ thống, mặc

dù hệ thống này chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn rất nhiều so với đường bộ(thường xuyên phải tưới muối để đảm bảo không bị đóng băng, tuyết phủ) Do đó, hệthống đã tối ưu hóa đường sắt tấm bản Rhenda2000 sử dụng thép 20 đặt dọc ở lớptrung tính (tỉ lệ thép 0.8~0.9%) hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu của đườngsắt tấm bản Cũng trên cơ sở kinh nghiệm và các kết quả nghiên cứu, để đảm bảo kết cấuđường kiểu tấm bản tính bền, quy phạm đường sắt của Đức quy định chiều rộng vết nứttrên tấm bản phải nhỏ hơn hoặc bằng 0.5mm

Hình 2.7 Phương án giải quyết vấn đề xuất hiện vết nứt khi tấm bản chịu lực nhiệt 2.3 TÓM TẮT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TẤM BẢN CỦA HỆ THỐNG RHENDA

Thiết kế kết cấu lực học tấm bản đường sắt kiểu tấm bản Rhenda chủ yếu gồm hai

bộ phận sau

Bộ phận thứ nhất: giải quyết hình thức kết cấu bản liên tục, khi thiết kế nhất thiếtphải xem xét đến biến dạng do nhiệt độ và từ biến của bê tông ảnh hưởng đến điều kiệnứng lực biên và vết nứt ảnh hưởng đến tuổi thọ của tấm bản