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

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

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS HOÀNG PHƯƠNG HOA

Đà Nẵng - 2019

Tôi cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các công thức và số liệu trong Luận văn được tính toán chính xác, trung thực

và các nhận xét là khách quan

Tác giả luận văn

NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

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

2.5.2 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

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

CÁC KÝ HIỆU:

m2 Diện tích tiết diện của kết cấu

Ma trận tính biến dạng Ns/m3 Cản nhớt của nền

Ma trận cản tổng thể

Ma trận cản phần tử Ns/m Cản nhớt trong mô hình tải di động

N/m2 Mô đun đàn hồi của vật liệu kết cấu

N Lực tương tác giữa kết cấu với mô hình tải di động

Vec tơ tải tổng thể Vec tơ tải phần tử

g m/s2 Gia tốc trọng trường

N/m2 Mô đun trượt của vật liệu kết cấu

m Chiều sâu lớp nền đàn hồi

m Chuyển vị đứng của kết cấu m/s2 Gia tốc đứng của kết cấu

Hệ trục tọa độ x, y, z

rad Chuyển vị góc xoay của kết cấu

Hệ số Poisson kg/m3 Khối lượng riêng của kết cấu kg/m3 Khối lượng riêng của nền

rad/s Tần số dao động riêng

Toán tử vi phân Laplace

Thông số ảnh hưởng của khối lượng nền Thông số độ cứng trong mô hình tải trọng di động Thông số khối lượng trong mô hình tải trọng di động rad/s Vận tốc góc xoay của kết cấu

m/s Vận tốc chuyển động của tải trọng di động

Số hiệu Tên bảng biểu Trang

Bảng 1.1 Các giải pháp xử lý tương ứng theo tư duy xử lý 8 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

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 Lún lệch nền đường đầu cầu VD06 (Km18+600) Đường cao tốc

nhẹ tải trọng tác dụng lên nền đất yếu bên dưới

22

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

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

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

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

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

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

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

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

Mố cầu

Mặt cầu

Đất nền

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

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:

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

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

Bảng 1.1 Các giải pháp xử lý tương ứng theo tư duy xử lý

- Giảm thiểu tải trọng bản thân của nền

đắp

- Tăng độ đầm chặt của nền đường;

- Thay thế vật liệu đắp bằng vật liệu đắp tốt hơn như cấp phối, cát;

- Sử dụng lưới địa kỹ thuật

- 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

- Cố kết thấm:

▪ 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

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

- 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

- Tăng nhanh thời gian cố kết, tăng nhanh độ lún ổn định theo thời gian

Các biện pháp thực hiện:

- Chất tải trọng (cát, sỏi, gạch, đá, ) bằng hoặc lớn hơn tải trọng công trình dự kiến thiết kế trên nền đất yếu, để cho nền chịu tải trước và lún trước khi xây dựng công trình

- Sử dụng các biện pháp giếng cát hoặc bấc thấm để thoát nước ra khỏi lỗ rỗng, giúp đẩy nhanh quá trình cố kết của đất nền, đồng thời tăng nhanh tốc độ lún theo thời gian

- Tùy yêu cầu cụ thể của công trình, điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn của nơi xây dựng mà dùng biện pháp xử lý thích hợp, có thể dùng đơn lẻ hoặc kết hợp cả hai biện pháp trên

c.2 Phương pháp nén trước không dùng giếng thoát nước

Hình 1.5 Xử lý nền đất yếu bằng nén gia tải trước không dùng giếng thoát nước

c.2.1 Điều kiện địa chất công trình

Để đạt được mục đích làm cho đất chặt, ép thoát nước ra khỏi lỗ rỗng thì những trường hợp sau thích hợp cho phương pháp gia tải nén trước:

- Trên cùng là lớp đất trồng trọt, giữa là lớp đất yếu cần gia cố, dưới cùng là lớp cát tự nhiên Khi chịu tải trọng nén trước thì nước lỗ rỗng của đất yếu sẽ bị ép thoát vào lớp cát tự nhiên

- Trên cùng là lớp cát tự nhiên, ở giữa là lớp đất yếu cần xử lý Dưới cùng là lớp cát tự nhiên Khi chịu tải trọng nén trước, nước lỗ rỗng trong lớp bị ép thoát ra theo cả hai chiều lên và xuống vào hai lớp cát tự nhiên

Trường hợp này khi chịu tải trọng nén, nước thoát ra theo chiều lên vào tầng cát, trường hợp nếu không có lớp cát tự nhiên thì có thể làm một lớp đệm cát nhân tạo sau

đó tác dụng tải trọng nén trước

c.2.2 Biện pháp thi công:

Để thi công gia tải nén trước ta có thể dùng hai biện pháp sau:

- Biện pháp 1:

Chất tải trọng nén trước lên mặt đất tại vị trí xây dựng kết cấu móng, đợi một thời gian theo yêu cầu thiết kế để độ lún đạt ổn định, rồi dỡ tải để đào hố móng và thi công móng (với chiều sâu chôn móng h1m) Nếu chiều sâu chôn móng lớn thì đào hố móng đến độ sâu bé hơn cốt đáy móng 50cm rồi chất tải trọng nén

- Biện pháp 2:

Có thể xây dựng móng trước, sau đó chất tải lên móng để móng lún đến trị

số ổn định, sau đó dỡ tải và xây dựng kết cấu bên trên

Trong hai biện pháp trên, tùy theo điều kiện cụ thể mà chọn biện pháp thích hợp để xử lý cho công trình đặt trên nền đất yếu

Tải trọng nén trước phải được tăng dần từng cấp, mỗi cấp tương đương tải trọng một tầng nhà hoặc bằng khoảng (15÷20)% tổng tải trọng công trình Cần

bố trí mốc để quan trắc lún trong suốt thời gian gia tải

c.3 Phương pháp nén trước có đường thấm thẳng đứng

Hình 1.6 Xử lý nền đất yếu bằng nén gia tải trước kết hợp bấc thấm đứng để

c.3.1 Điều kiện địa chất công trình

Khi chiều dày nền đất yếu rất dày hoặc khi độ thấm của đất rất nhỏ thì có thể bố trí các đường thấm thẳng đứng để tăng tốc độ cố kết Phương pháp này thường dùng

để xử lý nền đường đắp trên nền đất yếu

- Có hai loại đường thấm thẳng đứng: Giếng cát (SW) và bấc thấm (PVD) Tác dụng của đường thấm thẳng đứng là để tăng nhanh quá trình thoát nước trong các lỗ rỗng của đất yếu, làm giảm độ rỗng, độ ẩm, tăng dung trọng Kết quả là làm tăng nhanh quá trình cố kết của nền đất yếu, tăng sức chịu tải và làm cho nền đất đạt độ lún quy định trong thời gian cho phép

- Để tăng nhanh tốc độ cố kết, ta thường kết hợp biện pháp xử lý bằng bấc thấm, giếng cát với biện pháp gia tải tạm thời, tức là đắp cao thêm nền đường so với chiều

dày thiết kế (2÷3)m trong vài tháng rồi sẽ lấy phần gia tải đó đi ở thời điểm t khi mà

nền đường đạt được độ lún cuối cùng như trường hợp nền đắp không gia tải

Cấu tạo chung của nền đường đắp trên đất yếu có sử dụng thiết bị thoát nước thẳng đứng (bấc thấm hoặc giếng cát)

c.3.2 Trình tự các bước thi công

Trình tự các bước thi công trong trường hợp xử lý bằng bấc thấm:

- Định vị trí chân taluy nền đường;

- Đào bỏ một phần đất yếu theo thiết kế, thường từ (0,5÷0,8)m;

- Rải vải địa kỹ thuật, nên rãi vuông góc với tim đường, mép vải chồng lên nhau (15÷20)cm;

- Đặt thiết bị quan trắc lún thẳng đứng;

- Đắp lớp đệm cát đến cao độ thiết kế và tạo phẳng;

- Đặt thiết bị quan trắc chuyển vị ngang để quan trắc chuyển vị ngang của nền đường;

- Tiến hành cắm bấc thấm (cắm PVD – Phabricatied Vertical Drainage), việc cắm bấc thấm thực hiện bằng các máy cắm bấc chuyên dụng Sau khi cắm, bấc phải cao hơn bề mặt lớp đệm cát từ (15÷20)cm;

- Đắp đất: Đất được đắp thành từng lớp với chiều dày mỗi lớp 15, 20 hoặc 25cm Tốc độ đắp tuân thủ theo thiết kế, kết hợp quan trắc lún để xử lý kịp thời trong trường hợp lún nhanh quá tốc độ thiết kế

d Giải pháp vải địa kỹ thuật

Hiện nay ở nước ta đã có tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu sử dụng vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đắp trên đất yếu (22TCN 248-98) Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn này chưa đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật quy định đối với từng trường hợp sử dụng vải địa kỹ thuật trong các nhiệm vụ sử dụng vải địa kỹ thuật làm lớp ngăn cách, lớp thoát nước, lớp tăng cường ổn định, Vì thế, trong phần này đã đưa ra các chỉ tiêu

kỹ thuật cũng như phạm vi áp dụng đối với vải địa kỹ thuật trong từng ứng dụng đã nêu, dựa trên các tiêu chuẩn và khuyến cáo trong tiêu chuẩn ASTM của Mỹ

Hình 1.7 Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật d.1 Cơ sở lý thuyết

- Vải địa kỹ thuật (ĐKT) là loại vật liệu polime có tính thấm tốt, được sản xuất theo công nghệ dệt thoi, dệt kim hoặc không dệt và sử dụng trong các công trình địa

kỹ thuật và các công trình xây dựng

- Khi bố trí vải địa kỹ thuật giữa đất yếu và nền đắp, ma sát giữa đất đắp và vải địa kỹ thuật sẽ tạo ra một lực giữ khối đất đắp, nhờ đó tăng mức độ ổn định của nền đất đắp

- Việc lựa chọn loại và tính chất của vải ĐKT cũng như xác định số các lớp vải ĐKT dựa vào kết quả tính toán ổn định trượt trên cơ sở độ ổn định trượt nền đất cần đạt được và cường độ kéo đứt cho phép của vải ĐKT cũng như chỉ tiêu cơ lý của đất đắp và đất yếu

- Khi bố trí nhiều lớp vải ĐKT, mỗi lớp vải ĐKT được xen kẽ bằng các lớp đất đắp (thường dùng là cát, đất cấp phối) có bề dày từ (15÷30)cm phụ thuộc vào khả năng

lu lèn của thiết bị và loại đất đắp

- Vải địa kỹ thuật có tác dụng tăng quá trình thoát nước từ đất yếu ra ngoài, đẩy nhanh quá trình cố kết thấm, tăng độ bền của đất yếu

- Vải địa kỹ thuật được sử dụng làm lớp phân cách lớp đất yếu với các lớp đất nền đường

- Vải địa kỹ thuật được sử dụng cho thoát nước bề mặt

- Vải địa kỹ thuật được sử dụng cho chống xói bề mặt

- Vải địa kỹ thuật thường được kết hợp với một số giải pháp khác như thoát nước thẳng đứng (giếng cát, bấc thấm) hoặc thay đất, gia tải trước trong xử lý nền đường đắp trên đất yếu

e Giải pháp sàn giảm tải

Đối với những đoạn nền đường đắp cao và trên lớp đất yếu dày, yêu cầu độ lún còn lại nhỏ (đoạn đường đầu cầu) thì giải pháp dùng BTCT kết hợp sàn giảm tải được

áp dụng nhằm tăng cường sự ổn định của đất đắp và nền đất yếu, giảm thiểu độ lún nền đất, rút ngắn thời gian thi công dự án

Biện pháp này đã được áp dụng tại dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Trung Lương (tuyến N2); đường đầu cầu trên một số tuyến đường ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long; cầu Đò Lèn vượt sông trên tuyến QL.1A đoạn Thanh Hóa

e.1 Cơ sở lý thuyết

Hiện nay, cọc BTCT đã được sử dụng để gia cố nền đường đắp trên đất yếu, có thể đắp nền đường trực tiếp trên các đầu cọc, hoặc đắp nền đường trên sàn giảm tải bằng bê tông liên kết đầu các cọc

Hệ cọc bê tông cốt thép đóng xuống nền đất yếu có tác dụng truyền tải trọng từ đất đắp nền đường qua cọc, xuống lớp đất tốt hơn phía dưới, hoặc truyền xuống một

độ sâu nhất định mà nền đất có đủ cường độ chịu lực để tiếp nhận tải trọng đất đắp (qua lực ma sát giữa nền đất và thân cọc hoặc sức chống của mũi cọc)

Sàn giảm tải liên kết đầu cọc có tác dụng phân bố đều tải trọng nền đắp lên đầu cọc

Tính toán thiết kế cọc chống cũng chính là tính toán móng cọc Có thể áp dụng các tiêu chuẩn tính móng cọc (cọc chống, cọc ma sát) trong các tài liệu đã có, các tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn ngành

Các bước tính toán móng cọc chủ yếu bao gồm các bước như sau:

- Xác định tải trọng đất đắp căn cứ vào chiều cao, bề rộng nền đắp

- Trên cơ sở chiều dày, tính chất cơ lý của đất yếu và tải trọng đất đắp để xác định sức chịu tải của cọc, kích thước, chiều dài và mật độ cọc

- Kiểm tra điều kiện ổn định, kết cấu của cọc đã chọn

- Kiểm tra độ lún của móng cọc

- Tính toán kết cấu sàn giảm tải: Bố trí lưới cốt thép, chiều dày sàn giảm tải

- Bố trớ cỏc cọc và sàn giảm tải trờn bản vẽ thiết kế

Hỡnh 1.8 Sơ đồ cấu tạo nền đường cú bố trớ cọc bờ tụng e.2 Về xỏc định sức chịu tải của cọc:

Hiện nay, hầu hết cỏc cụng thức lý thuyết để xỏc định sức chịu tải của cọc đều cho cỏc trị số khỏc nhau tương đối nhiều so với thực tế Tuy nhiờn, về mặt hỡnh thức thỡ cỏc cụng thức này cú xu hướng tiến bộ vỡ đều chứa cỏc đặc trưng cơ học (gúc ma sỏt trong, lực dớnh) của đất Sở dĩ cỏc cụng thức tớnh sức chịu tải của cọc chưa phự hợp với thực tế vỡ điều chủ yếu là do chưa chọn được mụ hỡnh tớnh toỏn của nền đất thớch hợp với điều kiện làm việc thực tế của cọc Ngoài ra, cỏc cụng thức đú chưa kể được tớnh chất khỏc nhau của cỏc lớp đất trong phạm vi chiều dài cọc cũng như ảnh hưởng lẫn nhau của hệ cọc

Việc xỏc định sức chịu tải của cọc ở hiện trường bằng cỏc phương phỏp thớ nghiệm ngay tại hiện trường là đỏng tin cậy nhất Đõy là yờu cầu bắt buộc khi thi cụng múng cọc để kiểm tra lại kết quả tớnh toỏn và điều chỉnh thiết kế cho phự hợp Tuy nhiờn cần lưu ý rằng, xỏc định sức chịu tải của cọc bằng phương phỏp thớ nghiệm cần

phải lưu ý đến thời gian “cọc nghỉ” Nếu cú điều kiện, nờn để cọc sau khi đúng xong

một thời gian thớch hợp mới tiến hành thớ nghiệm

e.3 Phạm vi ỏp dụng

- Nền đường đắp cao, đường đầu cầu, đường qua cống (Chiều cao đắp Hđ>4,0m)

- Chiều dày đất yếu từ trung bỡnh đến tương đối lớn (12m hoặc lớn hơn)

- Để tăng cường sự ổn định của đất đắp và nền đất yếu

- Triệt tiờu hoặc giảm thiểu độ lỳn nền đất cũng như lỳn khụng đều, lỳn lệch

- Khi cụng trỡnh đũi hỏi thời gian hoàn thành cụng trỡnh ngắn

Nền đắpLớp đệm phân bố tải trọng

- Sử dụng kết hợp với giải pháp khác như đất có cốt, tường chắn để có thể tiết kiệm được phạm vi giải phóng mặt bằng, có hiệu quả đối với đường trong đô thị, trong nút giao

e.4 Đánh giá hiệu quả kỹ thuật

- Biện pháp xử lý nền đất yếu bằng sàn giảm tải trên cọc bê tông đã được áp dụng tại dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Trung Lương (tuyến N2) Trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long, đối với những nơi có bề dày đất yếu lớn (khoảng 40m), cần cân nhắc hiệu quả kinh tế của giải pháp này vì liên quan đến kích thước và chiều dài của cọc BTCT

- Trong trường hợp đất yếu có bề dày lớn, khi áp dụng giải pháp móng cọc bê tông cốt thép phải chú ý đến hiện tượng ma sát âm phát sinh trong nền đất yếu vì nó sẽ làm cho các hệ cọc - sàn giảm tải - đất đắp lún xuống, làm ảnh hưởng tới chất lượng khai thác tuyến đường

- Để giảm sự ảnh hưởng của ma sát âm đến kết cấu móng cọc trong nền đất yếu, không nên dùng các loại cọc có đường kính lớn mà nên áp dụng giảm tiết diện ngang của cọc, tăng mật độ cọc Ngoài ra đối với các cọc chống, còn áp dụng các biện pháp

hỗ trợ khác như khoan dẫn, trám nhũ tương xung quanh cọc bê tông cốt thép trước khi đóng cọc

- Hiệu quả kinh tế,kỹ thuật khi áp dụng xử lý nền đường đắp trên đất yếu bằng sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép so với giải pháp cầu cạn khả thi hơn về mặt kinh tế

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

a Giải pháp cọc đất - xi măng

Phương pháp trộn dưới sâu là một kỹ thuật cải tạo đất để gia tăng cường độ, kiểm soát biến dạng, và giảm thấm nhờ đất được trộn với xi măng và các vật liệu khác Phương pháp này nhờ một loạt các phản ứng hóa học - phản ứng vật lý xảy ra giữa chất đóng rắn với đất, làm cho đất sét yếu đóng rắn lại thành một thể cọc có tính chỉnh thể, tính ổn định và có cường độ nhất định Phương pháp mà bột xi măng khô được sử dụng như là tác nhân chính làm ổn định được gọi là phương pháp trộn khô dưới sâu; còn tác nhân làm ổn định là hình thức vữa được gọi phương pháp trộn ướt dưới sâu Đường kính cọc xi măng - đất thường từ (0,6÷1,5)m và có thể đạt đến 40m chiều sâu

Phương pháp này có nhiều ưu điểm:

- Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp mọi loại đất từ bùn sét đến sỏi cuội

- Có thể xử lý lớp đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến lớp đất tốt

- Thi công được trong nước

- Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lân cận

- Rất sạch sẽ và giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường

- Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế

Và đặc biệt là thi công nhanh, thời gian đất đạt yêu cầu kỹ thuật xử lý ngắn, đẩy

nhanh được tiến độ cải tạo đất nền

Hình 1.9 Thi công cọc đất - xi măng a.1 Phương pháp trộn phun ướt (hay phương pháp trộn vữa với đất yếu)

Theo công nghệ này vữa xi măng hoặc vữa vôi được phun vào đất yếu với áp lực

có thể tới 20MPa từ một vòi phun xoay nằm giữa trục cần khoan

Hình 1.10 Phương pháp trộn phun ướt dưới sâu a.2 Phương pháp trộn phun khô

Năm 1982, Chida đề nghị một phương pháp dùng bột xi măng hay vôi sống thay cho vữa ở phương pháp phun ướt

Hình 1.11 Phương pháp trộn phun khô dưới sâu

Cũng tương tự, theo công nghệ này bột xi măng hoặc vôi được khí nén bơm phun vào vào trong đất ở dưới sâu qua một ống có lỗ phun bố trí ở tim của cần khoan (cũng tức là trục của thiết bị trộn), tiếp đó bột được trộn cơ học bằng cách quay trong điều

kiện không thêm nước vào đất yếu Như vậy công nghệ này có ưu điểm hơn công nghệ trộn phun ướt vì chỉ sử dụng nước có trong đất yếu để thủy hóa chất liên kết nên cường

độ đất gia cố sẽ cao hơn, thêm vào đó lượng nhiệt tạo ra khi thủy hóa làm khô thêm đất yếu lân cận và hiệu quả gia cố cũng cao hơn

▪ Tăng cường sự ổn định trượt của đất nền, đảm bảo độ ổn định của nền ờng đắp trên các đoạn đất yếu có bề dày rất lớn mà các giải pháp thoát nước thẳng đứng không hoặc khó đảm bảo

đư-▪ Tăng độ cố kết của đất nền, giảm độ lún và thời gian thi công được rút ngắn

- Khi áp dụng giải pháp này cần có những điều tra, nghiên cứu về hàm lượng hữu

cơ, thành phần khoáng hoá của đất yếu vì nếu như đất có chứa hàm lượng hữu cơ lớn hoặc có độ pH nhỏ thì cường độ của cọc đất gia cố xi măng sẽ tăng lên không nhiều

- Thực hiện giải pháp cọc đất - xi măng không cần thời gian chờ nền đất cố kết

b Giải pháp sử dụng cống hộp hoặc cống tròn thay thế một phần nền đường đắp đầu cầu

b.1 Nội dung và phân tích giải pháp

Do nền đất đắp cao ở hai đầu cầu có trọng lượng tương đối lớn, nền đất lại yếu nên có thể xuất hiện những sự cố như lún lệch giữa đường đầu cầu đắp cao và mố cầu, ảnh hưởng đến chất lượng công trình Để khắc phục tình trạng này, có một số giải pháp khác nhau, trong đó có giải pháp thay một phần đất đắp của thân nền đường đầu cầu đắp cao bằng cống hộp BTCT, nhằm mục đích giảm trọng lượng của vật liệu đất đắp, tăng khả năng chống lún, khả năng ổn định của nền đất, đồng thời có thể rút ngắn thời gian thi công, không phụ thuộc thời gian cố kết của nền và phù hợp với các phương pháp thi công cơ giới, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật - khai thác đều tốt và ít bị ảnh hưởng khi cấp hoạt tải tăng lên

Sử dụng cống hộp thay thế một phần đất đắp có tác dụng giảm vật liệu đắp tăng

ổn định chống trượt và chống lún, chống xói sụt do nước mặt, dễ thi công, đơn giản khi xử lý móng, phù hợp với trình độ thi công của các nhà thầu xây dựng ở nước ta

hiện nay Ngoài ra, chi phí đầu tư xây đựng và duy tu bảo dưỡng đều ít hơn so với giải pháp kéo dài cầu Tuy vậy, trong một số trường hợp so với giải pháp xử lý như đã trình bày ở các phần trên thì giải pháp này có chi phí cao hơn

Hình 1.12 Sử dụng ống cống thay cho đất đắp nền đường đầu cầu để giảm nhẹ

tải trọng tác dụng lên nền đất yếu bên dưới

b.2 Cấu tạo cống

Móng cống: Do tải trọng khai thác lớn, nền đất yếu nên móng cống được làm bằng BTCT đặt trực tiếp lên nền đất và được gia cố bằng hệ cọc BTCT, mật độ và kích thước cọc phụ thuộc vào điều kiện địa chất công trình Khi tính toán cho hệ cọc BTCT

bố trí làm móng cống phải xét tới tương tác giữa hệ cọc và đất nền

Cấu tạo đốt cống: Các đốt cống bằng BTCT có cấu tạo hình khối hộp chữ nhật, chiều rộng bằng chiều rộng nền đường tính toán, chiều dài từ (38÷102)cm tuỳ thuộc vào tính toán thiết kế, độ dốc dọc của cống phù hợp với dốc ngang của đường

Việc tính toán thiết kế cho các bộ phận của đốt cống được tiến hành theo các phương pháp của cơ học kết cấu

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Để làm cơ sở đề xuất các giải pháp thiết kế, trước tiên cần phải tính toán đánh giá mức độ ổn định và diễn biến độ lún đối với trường hợp nền đắp trực tiếp trên đất yếu (không áp dụng một biện pháp xử 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

Hiện nay, khi thiết kế công trình cầu thường xem hệ kết cấu nhịp và bản giảm tải trên nền đường dẫn đầu cầu là hai hệ kết cấu làm việc độc lập với nhau, trong đó kết cấu bản giảm tải được xem như bố trí theo cấu tạo Hệ kết cấu nhịp cầu thường được đặt nằm ngang (đối với cầu nhỏ) hoặc tạo độ dốc dọc nhỏ để thoát nước dọc (đối với cầu lớn)

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 kết 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 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);

Kết cấu bản giảm tải tại nhịp 1 và nhịp 7 cùng làm việc với mố và chịu lực khi có xét đến ảnh hưởng của khối lượng nền (đất nền dưới bản giảm tải tính toán trước đây không xét đến ảnh hưởng này)

Để xây dựng chương trình tính cho bài toán thì cơ sở lý thuyết được chia làm hai phần cụ thể để thiết lập Đối với hệ kết cấu cầu, được xây dựng dựa trên cơ sở bài toán động lực học kết cấu, với các ma trận độ cứng, ma trận khối lượng xác định thông thường theo phương pháp phần tử hữu hạn Riêng hệ kết cấu bản giảm tải làm việc tương tác với đất nền ngoài các ma trận độ cứng, khối lượng thì phải xét thêm ảnh hưởng của khối lượng của kết cấu đất nền cùng tham gia làm việc

2.5 BÀI TOÁN DẦM ĐỘNG LỰC HỌC

2.5.1 Mô hình bài toán dầm động lực học

Xét kết cấu nhịp là các dầm giản đơn bê tông cốt thép dự ứng lực được đặt trên các gối cố định và gối di động trên các đỉnh trụ Mỗi phần tử dầm có các ma trận đặc trưng gồm: ma trận khối lượng M , ma trận độ cứng K , ma trận cản nhớt C Mỗi nút

có ba bậc tự do gồm chuyển vị ngang u , chuyển vị đứng w và chuyển vị góc xoay 

như trên Hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình phần tử dầm của kết cấu nhịp

2.5.2 Các ma trận đặc trưng của phần tử dầm

Dựa trên mô hình kết cấu dầm động lực học và lý thuyết của phương pháp phần

tử hữu hạn, các ma trận đặc trưng của phần tử dầm gồm ma trận độ cứng và ma trận khối lượng được thiết lập như sau:

Trong đó: E là mô-đun đàn hồi của dầm (MPa);

A I, là mô-men quán tính của dầm (m4);

là chiều dài của dầm (m)

Ma trận chuyển từ hệ tọa độ địa phương sang hệ tọa độ tổng thể, với  là góc nghiêng của dầm:

cos sin 0 0 0 0sin cos 0 0 0 0

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

Trong mô hình nền động lực học này, lớp nền đàn hồi có mật độ khối F được

mô tả bằng các lò xo có độ cứng k dựa trên mô hình nền Winkler với khối lượng của mỗi lò xo được quy về khối lượng tập trung m đặc trưng cho khối lượng nền tham gia dao động và cản nhớt c Tính liên tục trong mô hình nền động lực học này được thể

hiện đặc trưng bởi thông số của lớp chịu cắt k S dựa trên thông số lớp cắt của mô hình nền Pasternak và liên kết liên tục với bề mặt lớp nền đàn hồi Winkler

Quan hệ giữa lực - chuyển vị tại mọi vị trí nền tại thời điểm t được thiết lập dựa

trên cân bằng lực theo phương đứng của lớp chịu cắt, thể hiện trên Hình 2.4

Hình 2.4 Mô hình cơ học của nền động lực học:

(a) Ứng suất trong lớp cắt, (b) Lực tác dụng lên lớp cắt

Dựa trên phân tích lực của phân tố nền, tổng lực cắt trên một đơn vị chiều dài của lớp cắt được xác định như sau: