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

NGUYỄN VĂN PHƯƠNG 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao

NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - 2019

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Hoàng Phương Hoa Phản biện 1: GVC TS Nguyễn Lan

Phản biện 2: TS Trần Đình Quảng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ chuyên ngành KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG

TRÌNH GIAO THÔNG họp tại Trường Đại học Bách khoa vào

ngày 24 tháng 11 năm 2019

Có thể tìm hiểu Luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa;

- Thư viện Khoa Xây dựng Cầu Đường, Trường Đại học Bách

khoa - Đại học Đà Nẵng

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Lún đường đầu cầu là chuyện diễn ra phổ biến, xử lý mãi vẫn không ổn, 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 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 Với 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”, tác

giả coi bản giảm tải cùng làm việc với kết cấu cầu khi có kể đến ảnh hưởng của khối lượng nền đất đắp đường đầu cầu

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 và 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; và 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 tại Trà Vinh Sử dụng phương pháp điều tra, thu thập các số liệu thực nghiệm của cầu và 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, 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 động lực học của kết cấu dầm trên nền chịu tải trọng di động

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

Chương I - Tổng quan về hiện tượng lún nền đường đầu cầu Chương II - Nghiên cứu tính toán bản giảm tải tham gia làm

việc tương tác với đất nền

Chương III - Nghiên cứu giả định kết cấu cầu, các biểu đồ

chuyển vị của kết cấu nhịp cầu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 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

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 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 1.1 Lún lệch nền đường đầu cầu tuyến số 1 thị xã Duyên Hải

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

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 ở trạng thái tự nhiên;

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

1.3.2 Một số đặc điểm của đất yếu

1.3.3 Một số giải pháp công nghệ xử lý lún nền đường đ ầ u c ầ u

đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông

a Phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát

b Phương pháp thay đất

c Phương pháp gia tải nén trước

d Giải pháp vải địa kỹ thuật

e Giải pháp sàn giảm tải

1.3.4 Một số giải pháp công nghệ mới xử lý lún nền đ ường đ ầ u cầu đã được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình giao thông

lý nào khác)

Nếu kết quả tính toán cho thấy không đảm bảo được các yêu cầu và tiêu chuẩn thì mới đề xuất các phương pháp xử lý cho mỗi

đoạn Trước hết là các phương án đơn giản nhất (kể cả phương án thay đổi kích cỡ nền đắp về chiều cao và độ dốc mái ta luy), có thể đưa ra các phương án kết hợp đồng thời một số giải pháp trên, giải pháp kéo dài cầu dẫn qua vùng đất yếu, làm sàn giảm tải

Đối với mỗi phương án đề xuất lại phải tính toán đánh giá về

ổn định và lún rồi thông qua tính toán, phân tích so sánh về kinh tế -

kỹ thuật một cách toàn diện để lựa chọn giải pháp áp dụng Khi phân tích nên xét đến cả ảnh hưởng gây lún của nền đắp đối với các công trình nhân tạo hiện có

Trong mọi trường hợp cần phải tận dụng hết thời gian thi công cho phép: Đắp trên đất yếu phải khởi công sớm nhất và nếu cần thiết

có thể cho phép kéo dài tối đa tới kỳ hạn cuối cùng trong tiến độ chung hoặc chia làm nhiều đợt đắp, vừa đắp vừa chờ cố kết

Trong quá trình thi công trên thực tế, phải luôn xem xét kết quả theo dõi hệ thống quan trắc, so sánh nó với các yêu cầu khống chế về ổn định và biến dạng để kịp thời điều chỉnh lại tốc độ đắp nếu cần thiết, đồng thời có thể điều chỉnh cả các giải pháp thiết kế theo hướng có lợi hơn về kinh tế - kỹ thuật so với thiết kế ban đầu Đặc biệt là phải dựa vào quan trắc lún thực để dự báo lún cố kết còn lại khi quyết định thời điểm có thể thi công các hạng mục công trình có liên quan đến yêu cầu khống chế lún của nền đắp trên đất yếu

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN BẢN GIẢM TẢI THAM GIA

LÀM VIỆC TƯƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Mục đích của nghiên cứu của Chương II là đánh giá độ lún lệch của nền đường đầu cầu và kết cấu nhịp cầu thông qua hai giải pháp được đề xuất 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”

2.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU NHỊP GIẢM TẢI

“Thiết kế kết cấu nhịp giảm tải” bằng cách đặt dầm với góc nghiêng lớn hơn so với hiện nay (đặt dầm nằm ngang hoặc đặt nghiêng để tạo độ dốc dọc đảm bảo thoát nước từ 1÷2%) Với việc làm này thì chiều cao đất đắp nền đường đầu cầu sẽ được giảm đáng

kể, góp phần giảm thiểu tình trạng lún đường đầu cầu Theo khảo sát, phần lớn các nước trên thế giới, các cầu vượt sông thường vượt toàn

bộ, kéo dài cầu đến hết cao độ của đường nên không phải rút ngắn khẩu độ cầu Điều này sẽ giảm tối đa đắp đất, tôn cao nền đường và giảm thiểu ở mức thấp nhất tình trạng lún đường đầu cầu Còn với nước ta, do kinh phí hạn hẹp, nhiều cây cầu phải rút ngắn khẩu độ nên tại các vị trí tiếp giáp giữa đường và cầu có khi phải đắp cao tới (7÷8)m Với độ cao này, bất kỳ giải pháp chống lún nào cũng không thể đạt được hiệu quả tối đa

Bên cạnh đó, đặt dầm với góc nghiêng lớn hơn còn có mục đích là làm cho độ cứng của nền đường và kết cấu nhịp thay đổi một cách hài hòa hơn Hiệu quả được đánh giá qua thông số độ lệch

chuyển vị góc xoay của bản giảm tải và kết cấu nhịp

2.3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN BẢN GIẢM TẢI LÀM VIỆC TƯƠNG TÁC VỚI ĐẤT NỀN

Để giảm tối đa sự chênh lệch độ cứng giữa hai vùng mố cầu và đường dẫn người ta thường sử dụng bản dẫn đầu cầu, bản dẫn ở đây đóng vai trò là kết cấu chuyển tiếp giữa cầu (lún rất ít hoặc không lún) và đường dẫn (lún từ ít đến nhiều và đôi khi rất đáng kể) Tuy nhiên, ở một vài công trình được khảo sát thiết kế bản dẫn đã không đạt được mục tiêu này Bản dẫn được thiết kế dài (4÷6)m với chiều dày thường là (20÷30)cm, bố trí cốt thép khá mảnh đã không chịu được tác động của tải trọng Kết quả là bản dẫn bị nứt vỡ, kéo theo toàn bộ phần đường dẫn tại vị trí tiếp giáp giữa cầu và đường bị lún sụt Trong nghiên cứu này, ta xét bản giảm tải và đất nền làm việc như một kết cấu dầm đặt trên nền động lực học có xét đến khối lượng của đất nền Từ đó ta thiết kế bản giảm tải để đáp ứng đúng vai trò của kết cấu này

2.4 MÔ HÌNH TỔNG QUÁT BÀI TOÁN

Trong nghiên cứu này, mô hình bài toán được đặt ra là hệ kết

cấu nhịp và mố cầu cùng làm việc với bản giảm tải, như Hình 2.1:

Hình 2.1 Mô hình cầu sử dụng bản giảm tải như k ết cấu nhịp cầu

Hệ kết cấu nhịp gồm: 7 nhịp giản đơn, trong đó nhịp 1 và 7 là kết cấu bản giảm tải nhưng khác trước đây hai nhịp này được coi là

Nhịp 1 Nhịp 2 Nhịp 3 Nhịp 4 Nhịp 5 Nhịp 6 Nhịp 7

nhịp đầu và cuối của hệ kết cấu cầu; các nhịp 2 và nhịp 6 được đặt

với độ dốc dọc lớn nhằm tuần tự tăng hoặc giảm dần độ cứng kết cấu

giữa cầu và đường đầu cầu, khi xe vào hoặc ra khỏi cầu (thông

thường 2 nhịp này cấu tạo độ dốc dọc không lớn);

2.5 BÀI TOÁN DẦM ĐỘNG LỰC HỌC

2.5.1 Mô hình bài toán dầm động lực học

Hình 2.2 Mô hình phần tử dầm của kết cấu nhịp

2.5.2 Các ma trận đặc trưng của phần tử dầm

a Ma trận độ cứng

Theo tài liệu phương pháp phần tử hữu hạn [4] thì ma trận độ

cứng do biến dạng dọc trục thanh trong hệ trục tọa độ địa phương có

Theo tài liệu phương pháp phần tử hữu hạn [4] thì ma trận độ

cứng do uốn của dầm trong hệ trục tọa độ địa phương có dạng:

2.6 BÀI TOÁN DẦM TRÊN NỀN ĐỘNG LỰC HỌC (BÀI TOÁN BẢN GIẢM TẢI)

2.6.1 Mô hình bài toán bản giảm tải

Xét kết cấu bản giảm tải làm việc tương tác với đất nền theo

mô hình kết cấu dầm Euler-Bernoulli có chiều dài L, chiều cao tiết diện h, mô đun đàn hồi E và mật độ khối  trên nền động lực học Kết cấu dầm được rời rạc thành n phần tử có chiều dài l , mỗi phần tử có hai nút ij, mỗi nút có hai bậc tự do gồm có chuyển vị

thẳng và chuyển vị góc xoay, thể hiện trên Hình 2.3

Hình 2.3 Mô hình phần tử dầm trên nền động lực học

2.6.2 Thông số ảnh hưởng của khối lượng nền

Từ phương trình mô tả ứng xử của mô hình nền khi chịu tải trọng cho thấy rằng, giữa phần nền gia tải và không gia tải làm việc liên tục do sự tương tác giữa các lò xo thông qua lớp chịu cắt bên trên Mô hình này xét đến sự làm việc của khối lượng đất nền, vì khối lượng đất nền có ảnh hưởng nhất định đến đặc trưng và ứng xử động lực học của kết cấu bên trên Mặt khác, mô hình nền động lực học còn xét đến ảnh hưởng của cả yếu tố chiều sâu nền Từ đó cho thấy rằng, mô hình nền động lực học mô tả gần giống bản chất thật của đất nền và bao quát cho cả bài toán tĩnh và động trong một số mô hình phân tích ứng xử của kết cấu trên nền đã có

e B V

2.7 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG

Trong trường hợp bỏ qua cản và kết cấu không chịu tác động của tải trọng, phương trình vi phân dao động riêng của kết cấu được thể hiện như sau

2.8 PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN SỐ

2.8.1 Phương pháp tích phân Newmark

Ý tưởng của phương pháp này là từ giá trị của nghiệm đã biết

tại thời điểm i suy ra giá trị đĩ tại i +1 bằng các giả thiết khác nhau

về sự biến thiên của gia tốc trong từng bước thời gian Bằng cách xấp

xỉ sự biến thiên của gia tốc trong mỗi bước thời gian, thơng qua các phép tích phân từ phương trình gia tốc thì các biểu thức của vậc tốc

và chuyển vị trong mỗi bước thời gian được xác định

2.8.2 Thuật tốn giải phương trình chuyển động

Hình 2.4 Sơ đồ thuật tốn phân tích ứng xử động của hệ k ết cấu

KHAI BÁO CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH BÀI TOÁN

CHỌN BƯỚC THỜI GIAN PHÂN TÍCH

i = 1

TÍNH LẠI [M] eff , {P} eff

i = i+1

2.9 KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

Hình 2.5 Chuyển vị đứng tại giữa dầm theo thời gian: ( -) k ết quả từ

chương trình và (o) kết quả của bài báo của Yang YB

Từ ví dụ kiểm chứng với kết quả tính toán đã được công bố của tác giả khác với cùng loại kết cấu ta thấy kết quả khảo sát tương đối chính xác Từ đó có thể khẳng định dùng chương trình tính do nhóm nghiên cứu đã xây dựng được bằng ngôn ngữ lập trình Matlab

có độ chính xác nhất định và có thể áp dụng nghiên cứu các trường hợp khác phức tạp hơn mà chúng ta không thể giải quyết được bằng việc tính toán “thủ công” như trước đây

2.10 KẾT LUẬN CHƯƠNG II

Chương này đã trình bày các nội dung lý thuyết như sau:

- Trình bày được cơ sở lý thuyết để đánh giá độ lún lệch của nền đường đầu cầu và kết cấu nhịp cầu thông qua 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”

- Xây dựng sơ đồ tính của bài toán kết cấu dầm động lực học

và bài toán kết cấu dầm trên nền động lực học chịu tải trọng di động Thông số đặc trưng của nền, kết cấu, tải trọng,… ảnh hưởng đến lời giải của cả hệ kết cấu dầm cũng được nhận dạng Dựa trên phương