Nghiên cứu sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam giảm lún nền đường đầu cầu đắp cao trên đất yếu và tính toán ứng dụng cho cầu Đăk Xa đường Hồ Chí Minh

- Đề xuất và tính toán kết cấu giải pháp nền đường bằng vật liệu nhẹ Geo Foam để giảm độ lún và tăng ổn định nền đường đầu Cầu đắp cao trên đất yếu, tại điểm vị trí lún và nứt trên nền đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐĂK XA ĐƯỜNG HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 8580.205

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ HỮU ĐẠO

Phản biện 1: TS TRẦN TRUNG VIỆT

Phản biện 2: TS NGUYỄN VĂN CHÂU

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày

21 tháng 12 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học ĐàNẵng tại trường Đại Học Bách Khoa

- Thư viện Khoa , Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Khảo sát, hệ thống đầy đủ thực trạng, phân tích nguyên nhân, cơ chế gây ra lún, nứt mặt đường đầu Cầu và sạt lở trên tuyến đường HCM đoạn qua huyện Phước Sơn

- Đề xuất và tính toán kết cấu giải pháp nền đường bằng vật liệu nhẹ Geo Foam để giảm độ lún và tăng ổn định nền đường đầu Cầu đắp cao trên đất yếu, tại điểm vị trí lún và nứt trên nền đường đầu Cầu Đăk

Xa mà tác giả đang nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

Vật liệu nhẹ Geo Foam cho nền đường đắp cao trên đất yếu của tuyến đường Hồ Chí Minh từ Km1354+686m đến Km1407+209m

(L=53,9Km) thuộc địa phận Huyện Phước Sơn-Tỉnh Quảng Nam

- Phạm vi nghiên cứu:

Nền đường hai đầu Cầu Đăk Xa tại lý trình: Km308+597,08m của

xã Phước Đức-Huyện Phước Sơn-Tỉnh Quảng Nam và tuyến đường HCM đoạn qua Khâm Đức-Đăk Zôn

4 Phương pháp nghiên cứu

Khảo sát hiện trạng và phân tích đánh giá nguyên nhân lún của nền đường đầu Cầu tại các công trình Cầu mà tuyến đi qua

Thu thập các tài liệu liên quan đến vật liệu nhẹ Geo Foam cũng, thu thập các số liệu địa chất khu vực xây dựng công trình, tài liệu về Cầu Đăk Xa, tính toán và áp dụng vật liệu nhẹ Geo Foam để đưa ra giải pháp

xử lý phù hợp cho nền đường Đầu Cầu

Luận văn kết hợp giữa phân tích lý thuyết cùng với phương pháp tính toán mô phỏng trên phần mềm Plaxis để đưa ra biện pháp xử lý hiệu quả nền đắp cao đường đầu Cầu Đăk Xa

5 Nội dung nghiên cứu và cấu trúc của đề tài

Nội dung của luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về lún của nền đường đầu Cầu

Chương 2: Đánh giá hiện trạng lún đường đầu Cầu đoạn Khâm Đức-Đăk Zôn, đường HCM và đề xuất các giải pháp

Chương 3: Thí nghiệm một số tính chất cơ lý của vật liệu Geo Foam Chương 4: Tính toán ứng dụng giải pháp vật liệu nhẹ Geo Foam cho nền đường đầu Cầu Đăk Xa

1.2 Các giải pháp xử lý nền đường đầu Cầu đắp cao trên đất yếu

Có rất nhiều giải pháp xử lý nền đường đầu Cầu đắp cao trên đất yếu và đã được áp dụng vào thực tế như:

- Đắp theo giai đoạn;

- Làm bệ phản áp;

- Phương pháp gia tải trước;

- Phương pháp giảm tải trọng nền đắp;

- Dùng vải hoặc lưới địa kỹ thuật;

1.3 Đặc điểm của nền đường đắp cao và và lún khu vực miền núi

+ Đặc điểm của nền đường đắp cao là dễ mất ổn định tính toàn khối, tức là dễ bị phá hoại hay biến dạng

+ Nền đường đắp cao thường không đảm bảo có đủ cường độ, tức

là không đủ độ bền khi chịu cắt trượt và bị biến dạng dưới dạng tích lũy khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy và kết cấu áo đường dễ bị phá hoại

+ Nền đường đắp cao thường không đảm bảo ổn định về cường độ, cường độ dễ thay đổi theo thời gian, khí hậu, thời tiết bất lợi

+ Không đủ độ bền khi chịu cắt trượt và dễ bị biến dạng dưới tác dụng của tải trọng xe chạy hoặc trọng lượng của bản thân nền đắp

1.4 Giải pháp công nghệ vật liệu nhẹ Geo Foam

1.4.1 Định nghĩa

Vật liệu Geo Foam là thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả các sản phẩm trong địa kỹ thuật được làm bằng vật liệu nhẹ, bọt xốp, nó được sử dụng

ít nhất từ những năm 1960, thuật ngữ này tương đối mới, là loại vật liệu nhẹ

có tỷ trọng nhỏ, trọng lượng thể tích không lớn, bao gồm tổng hợp nhiều cốt liệu, trong đó chất tạo bọt là thành phần cốt liệu chính

1.4.2 Sơ lược về sự hình thành và phát triển

+ Việc nghiên cứu về Geo Foam – Bê Tông Nhẹ ở Việt Nam đã được nhiều nhà khoa học quan tâm Viện vật liệu xây dựng có nghiên cứu của Nguyễn Văn Chánh, Nguyễn Hoàng Đạt, Nguyễn Tuấn Nam Các nghiên cứu về Bê Tông Nhẹ trên thế giới đã được thực hiện từ lâu, một số kết quả nghiên cứu được đưa trong các tài liệu

+ Vật liệu Geo Foam được áp dụng trong mái đập, đê kè, trong ổn định mái dốc như nghiên cứu của Tymothy D.Stark Cũng như đưa ra phân tích tính toán của Arellano và Stark (2009) Vì vậy để giảm lún cho nền đường đắp cao cũng như giảm tải trọng đắp tác giả đã nghiên cứu thực nghiệm về cho Bê Tông Nhẹ này

Hình 1.2 Hình ảnh khối Bê Tông Nhẹ Geo Foam

+ Năm 1996 Miki đã tóm tắt công trình ban đầu của mình về liên quan đến bọt xốp EPSblock được sản xuất bởi Hashimoto năm 1994 Để sử dụng xây dựng công viên Kiba ở Tokyo, Nhật Bản Geo Foam đã được sử dụng thành công trên toàn thế giới và phải kể đến các nước Na Uy, Hà Lan, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đức và Malaysia Ở Na Uy được sử dụng đầu tiên vào năm 1965 vào các dự án đường bộ và kè năm 1972 (Frydenlund and Aaboe 2001) Ở Hà Lan được bắt đầu vào năm 1970 (Van Dorp 1988) Ở Malaysia được dùng đầu tiên năm 1992 (Mohamad 1996)

1.5 Các phương pháp tính toán ổn định cường độ của nền đắp trên đất yếu

1.5.1 Phương pháp cân bằng giới hạn

+ Các giả thuyết tính toán:

Để lập phương trình cân bằng giới hạn của khối đất trượt các tác giả như: K.E Peteecxơn, W.Fellenius, Bishop, Sokolovski, K.Terzaghi đều dựa vào công thức của A.C.Coulomb (Định luật Mohr-Coulomb) để xác định ứng suất cắt

S=C+𝜎𝑛.tgφ (1.1) hoặc S=C+(𝜎𝑛-u).tgφ (1.2) Phương trình CBGH được xác định dựa trên các giả thuyết: + Đất được xem như vật liệu tuân theo định luật Mohr-Coulomb + Hệ số ổn định (hệ số an toàn) như nhau cho tất cả các điểm trên mặt trượt

+ Trạng thái CBGH chỉ xảy ra trên mặt trượt

a Phương pháp phân mảnh cổ điển:

Phương pháp phân mảnh cổ điển được tính theo sơ đồ ở bên dưới và

hệ số ổn định 𝐾𝑖 (Bỏ qua động đất) ứng với một mặt trượt có tâm 𝑂𝑖 được

Tính toán theo phương pháp Bishop thì hệ số ổn định 𝐾𝑖 ứng với một mặt trượt tròn trung tâm 𝑂𝑖 được xác định theo công thức:

xử lý lún nền đường đầu Cầu đắp cao trên đất yếu trên tuyến đường HCM đoạn qua huyện Phước Sơn, tỉnh Quảng Nam

Chương 2 - ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG LÚN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU ĐOẠN KHÂM ĐỨC-ĐĂK ZÔN, ĐƯỜNG HCM VÀ ĐỀ XUẤT

CÁC GIẢI PHÁP 2.1 Giới thiệu về tuyến và các đặc điểm kinh tế, xã hội, giao thông

2.1.1 Điều kiện tự nhiên và địa hình

2.1.2 Điều kiện địa chất và thủy văn

2.1.3 Các đặc điểm kinh tế, xã hội và Giao Thông

2.2 Đánh giá thực trạng lún đường đầu Cầu Đăk Xa

- Những nơi hay xảy ra lún, nứt tác giả nhận thấy thường là ở những nơi có đường cong, nơi có nền đường đắp cao, hai bên đường đầu Cầu, những nơi nằm trong vùng hoạt động của chế độ thủy nhiệt, sông, suối, ao hồ, ruộng vườn

- Trên tuyến đường này hiện nay có trên 30 điểm lún và nứt trên các đoạn nền đường, mà đặc biệt là tại các nơi đường cong nằm, các nơi đầu cầu, nơi có nền đắp cao ≥6m ….Trong đó, có nhiều nơi bị lún, nứt khá nghiêm trọng ở nền đường đầu Cầu như cầu Kà Tôi 1, Kà Tôi 2 (xã Phước năng, huyện Phước Sơn), nền đường đầu Cầu Đăk Xa (Xã Phước Đức, huyện Phước Sơn), nền đường tại lý trình Km1351+452m (Tại xã Phước Xuân, huyện Phước Sơn), Cầu Đăk Mun và nền đường tại lý trình Km1394+545m (Xã Phước Mỹ, huyện Phước Sơn), nền đường tại lý trình Km1387+00… sau dây là một số hình ảnh mà tác giả đã khảo sát

và ghi lại được:

Hình 2.2 Vị trí lún nền đường đầu Cầu Đăk Xa và tại lý trình:

Km1351+452m

- Hơn nữa nền đường nơi đây đắp quá cao trên nền đất yếu, nên dưới tác dụng của tải trọng đắp cũng là một nguyên nhân gây ra lún và nứt tuyến đường

2.3 Đề xuất nhóm giải pháp xử lý

2.4 Cấu tạo giải pháp sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam

- Giải pháp hiệu quả xây dựng nền đường và công trình đắp cao trên nền đất yếu là sử dụng vật liệu đắp siêu nhẹ Geo Foam chủ yếu là xốp nhựa tổng hợp, là vật liệu siêu nhẹ được ứng dụng phổ biến nhất trên thế giới và được đánh giá là giải pháp đem lại hiệu quả tốt nhất về Kinh

Tế và Xã Hội

2.4.1 Hình dạng và kích thước bản

Kích thước cơ bản: Kích thước phải đảm bảo theo 9029-2017

2.4.2 Nguyên lý sử dụng vật liệu nhẹ làm nền đường

- Khi nền đường được đắp cao trên nền thiên nhiên với chiều cao

𝐻đ, áp lực gây lún do đất đắp nền đường gây ra là:

2.4.3 Yêu cầu về kỹ thuật

Geo Foam khi sử dụng phải đáp ứng các quy định dưới đây:

- Sai lệch kích thước:

- Khuyết tật ngoại quan:

2.4.4 Phạm vi sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam

Geo Foam có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, sau đây là một số ứng dụng của nó:

+ Làm gạch xây nhà, tường, lấp các hào rãnh, lấp các lỗ hổng + Xây dựng đường hầm, làm sàn nhà, thi công nền đường, xây bể bơi, lấn biển, xây cảng

2.5 Xây dựng trình tự tính toán khối đắp có xử lý bằng Geo Foam

2.5.1 Tính toán trên lý thuyết

a Quy đổi tải trọng xe chạy sang chiều cao đất đắp

Theo 22TCN262-2000 thì tải trọng xe cộ được xem là tải trọng có

số xe nặng tối đa cùng lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng nền đường phân bố trên 1m chiều dài đường Tải trọng này được quy đổi tương đương thành một lớp đất đắp có chiều cao là ℎ𝑥 xác định theo công thức sau

Trong đó: G- Trọng lượng của một xe (chọn xe nặng nhất), T n- Số xe tối đa có thể xếp trên bề rộng nền đường γ- Dung trọng trung bình của đất đắp nền đường và vật liệu Geo Foam

l- Phạm vi phân bố xe theo hướng dọc, m

Có thể lấy l=4,2m với xe có G=13T, l=6,6m với xe có G=30T, l=4,5m với xe bánh xích có G=80T

Hình 2.5 Sơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ tác dụng lên

nền đất yếu

B- Bề rộng phân bố của các xe (m) được xác định như sau

b

+ m=1,1-1,4

𝑆𝑐 là độ lún cố kết Là độ lún do nước lỗ rỗng thoát ra và đất yếu

bị nén chặt lại dưới tác dụng của tải trọng đắp Geo Foam

Thông thường: {𝑆𝑆𝑖 = 0,2𝑆

𝑐 = 0,8𝑆 (2.5) Theo phương pháp phân tầng lấy tổng (có xét đến hai giai đoạn lún khác nhau)

Hình 2.6 Sơ đồ tính lún theo phương pháp phân tầng lấy tổng

1 Đường phân bố ứng suất do trọng lượng bản thân các lớp đất yếu

2 Đường phân bố ứng suất do tải trọng nền đắp Geo Foam

Độ lún cố kết của nền đắp Geo Foam sau thời gian t: 𝑆𝑡=𝑠𝑐.𝑈𝑣

Độ cố kết đứng được tính theo công thức: 𝑈𝑣=f(𝑇𝑣)

𝑇𝑣: Yếu tố thời gian và được tính theo công thức

𝑇𝑣=𝐻𝐶𝑣2.t (2.7)

𝐶𝑣: Là hệ số cố kết trung bình theo phương thẳng đứng trong phạm

vi lớp đất chịu nén được tính theo công thức

Hệ số ổn định cho phép nền đường [K] được lấy theo

22TCN262-2000 “Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu” ngày

Do đó, học viên áp dụng phần mềm Plaxis tính toán ổn định nền đường đắp trên đất yếu bằng vật liệu nhẹ Geo Foam

2.6 Kết luận chương 2:

Trong nội dung của chương 02, tác giả đã phân tích hiện trạng lún của nền đường đầu Cầu đoạn Khâm Đức-Đăk Zôn, đường HCM Đồng thời phân tích nguyên nhân gây ra lún nền đường đầu Cầu cho

tuyến đường này Và tác giả đã đề xuất đến cấu tạo giải pháp Geo Foam cho việc xử lý trên

Chương 3 - THÍ NGHIỆM MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA

VẬT LIỆU GEO FOAM

Mục đích: Tìm ra các thông số và chỉ tiêu của vật liệu Geo Foam và

từ đó đưa vào tính toán ổn định cho nền đường đắp cao trên đất yếu

3.1 Thiết kế thành phần Cấp Phối

Bảng 3.1 Bảng thiết kế thành phần Cấp Phối D800 (Cấp phối 1-CP1)

Trọng lượng riêng Bê Tông khi khô 800

Bảng 3.2 Bảng thiết kế cho thành phần cấp phối D1100 (Cấp phối 2-CP2)

Trọng lượng riêng Bê Tông khi khô 1100

Hình 3.1 Chế tạo bọt cho BTN và thí nghiệm nén mẫu

- Cường độ nén R của viên mẫu thử, được tính bằng MPa theo công thức sau:

Trong đó: F là tải trọng lớn nhất khi mẫu bị phá hủy, tính bằng N (New ton)

A: Diện tích bề mặt chịu nén của mẫu, tính bằng mm2

Hình 3.2 Cân mẫu và đọc giá trị phá hủy mẫu

α: Hệ số điều chỉnh theo độ ẩm của mẫu thử

3.3 Thí nghiệm xác định cường độ uốn

Hình 3.3 Khuôn và cách chế tạo mẫu trong khuôn

- Lực tối đa đạt được khi thử uốn là tải trọng uốn gãy mẫu Cường độ uốn được xác định theo công thức dưới đây:

𝑅𝑘𝑢= γ 𝑃.𝑙

𝑎.𝑏 2 (3.2)

Hình 3.4 Thí nghiệm mẫu xác định cường độ uốn

3.4 Thí nghiệm xác định độ co khô

Độ co khô (ɛ ) của viên mẫu, tính bằng % theo công thức:

Lực nén mẫu (kN)

𝑹𝒏

(MPa)

𝑹𝒏 trung bình (MPa)

Lực nén mẫu (kN)

𝑹𝒏

(MPa)

𝑹𝒏 trung bình (MPa)

Lực uốn mẫu (kN)

𝑹𝒖

(MPa)

𝑹𝒖 trung bình (MPa)

Lực uốn mẫu (Kn)

𝑹𝒖

(MPa)

𝑹𝒖 trung bình (MPa)

Độ co ngót của từng viên (mm)

Độ co ngót trung bình (mm)

Độ co ngót của từng viên (mm)

Độ co ngót trung bình (mm)

3.6 Biểu đồ và phân tích kết quả

Hình 3.6 Biểu đồ cường độ nén của D800 và D1100

- Hình 3.6 cho thấy, cường độ nén tuổi 28 ngày của tất cả các mẫu đều đạt cường độ nén yêu cầu trong TCVN 9029:2017 Sau tuổi 28 ngày,

cường độ nén Bê Tông Nhẹ vẫn tiếp tục phát triển Nhưng tốc độ phát triển cường độ có xu hướng chậm dần

- Cường độ nén phát triển rất nhanh trước 28 ngày tuổi, nếu được quan tâm về cải thiện cường độ nén như dùng tro bay, thép sợi thì cường

độ nén sẽ tăng lên

- Từ biểu đồ hình 3.6 cho thấy, việc thay đổi dung trọng khô từ D800 đến D1100 chỉ ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc tăng cường độ nén của BTN như ta thấy (𝑅𝑛𝐷1100=1,96𝑅𝑛𝐷800) và độ co ngót Ngược lại nó ảnh hưởng không đáng kể đến cường độ uốn như ta thấy

- Từ biểu đồ thấy, chênh lệch cường độ nén rất lớn giữa khối lượng thể tích D800 và D1100, khối lượng thể tích gấp 1,38 lần nhưng cường

độ nén tuổi 28 ngày tăng 1,96 lần và gần gấp đôi Cũng từ hình 13 cho thấy, cường độ nén tuổi 28 ngày của tất cả các mẫu đều đạt cường độ nén yêu cầu trong TCVN 9029:2017

Hình 3.7 Biểu đồ cường độ uốn của Geo Foam D800 và D1100

- Nhìn vào hình 3.7 ta nhận thấy, tính chất phát triển cường độ uốn cũng giống như tính chất phát triển cường độ nén Giá trị cường độ uốn tương đối nhỏ hơn nhiều so với giá trị cường độ nén Tổ hợp vật liệu đã

có tác dụng rõ rệt trong việc làm tăng cường độ uốn

Hình 3.8 Biểu đồ độ co khô và biểu đồ tổng cường độ nén

- Theo TCVN 9029:2011, quy định độ co khô của Bê Tông Nhẹ D800 đến D1200 không vượt quá 3mm/m (0,3%) Bê Tông Nhẹ có độ co khô lớn hơn rất nhiều so với Bê Tông khí chưng áp (AAC), trong TCVN 7959:2011 quy định chỉ tiêu này của AAC là 0,2mm/m Ta thấy, đảm bảo theo yêu cầu của tiêu chuẩnTCVN9029:2011

Từ hình 3.8 ta nhận thấy, qua kết quả nghiên cứu cho thấy Bê Tông Bọt có khối lượng thể tích thấp, thì có độ co khô lớn và ngược lại với Bê Tông Nhẹ có khối lượng thể tích lớn Ta thấy với D800 thì độ co khô đạt 0,23mm và D1100 là 0,14mm

Hình 3.9 Biểu đồ tổng cường độ uốn của Geo Foam D800 và D1100

Nhìn vào hình 3.8 và 3.9 ta thấy, ở cùng một thời điểm (ngày tuổi) thì cường độ nén của D1100 tăng nhanh hơn rất nhiều so với D800 và trong khi cường độ uốn cũng tăng nhưng có xu hướng chậm và không phát triển bằng cường độ nén

Khi xem xét hệ số cường độ nén trong cùng một ngày tuổi của D800 và D1100, ở tuổi 7 ngày hệ số này là: 3,71/2,67=1,4 Tuổi 14 ngày

1,89 Tuổi 28 ngày 1,96 Tuổi 56 ngày 1,91

vực miền núi

Chương 4 - TÍNH TOÁN ÁP DỤNG GIẢI PHÁP VẬT LIỆU NHẸ GEO FOAM CHO NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU ĐĂK XA 4.1 Đặt vấn đề

Tính hoàn toàn tương tự cho nền đắp là cấp phối đất đồi K95 và ta được S=1,27m

- Tính toán và bố trí các tấm Geo Foam vào trong thân nền đường

đầu Cầu đắp cao cho Cầu Đăk Xa

- Để đảm bảo ổn định trượt dọc và hạn chế độ lún nền đường, tạo

êm thuận trong khai thác đối với đoạn chuyển tiếp từ đường vào Cầu ta lấy theo Quyết Định số 3095/QĐ-BGTVT ngày 07/10/2013 về việc “Ban hành Quy định tạm thời về các giải pháp kỹ thuật công nghệ đối với đoạn chuyển tiếp giữa đường và Cầu (cống) trên đường ô tô”

- Đoạn chuyển tiếp giữa đường và Cầu Đăk Xa cần xử lý Bê Tông Nhẹ Geo Foam được xác định từ mép về phía đường của tường đỉnh mố