Nghiên cứu sử dụng bê tông xi măng rỗng để thiết kế kết cấu áo đường nội bộ và vỉa hè đường thoát nước mặt tại tp hồ chí minh báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG RỖNG ĐỂ THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NỘI BỘ VÀ VỈA HÈ ĐƯỜNG THOÁT NƯỚC MẶT TẠI TP HỒ CHÍ MINH Mã số: T2019-PHII-003 Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Việt Hưng Thời gian thực hiện: 01/2019 - 12/2019 TP.HCM, tháng 12 năm 2019 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIẸN ĐỀ TÀI Họ tên Vũ Việt Hưng Đơn vị công tác lĩnh vực chun mơn Bộ mơn Xây dựng Cơng trình Đơ thị, Khoa Cơng trình, Phân hiệu trường ĐHGTVT TPHCM - Lĩnh vực chuyên môn: Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị, vật liệu bê tông Nguyễn Tuấn Bộ môn Cơ sở Cơng Cường trình, Khoa Cơng trình, Phân hiệu trường ĐHGTVT TPHCM - Lĩnh vực chuyên môn: Vật liệu Nguyễn Hữu Duy Bộ mơn Cơ sở Cơng trình, Khoa Cơng trình, Phân hiệu trường ĐHGTVT TPHCM - Lĩnh vực chuyên môn: Vật liệu, kết cấu Nội dung nghiên cứu cụ thể giao Thu thập số liệu, đánh giá tổng hợp số liệu, đề xuất giải pháp, tính tốn kết cấu, thí nghiệm, báo cáo Thu thập số liệu, đề xuất giải pháp, thí nghiệm Thu thập số liệu, đề xuất giải pháp, thí nghiệm Chữ ký MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH VẼ v PHẦN MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài II Mục tiêu nghiên cứu đề tài III Đối tượng nghiên cứu IV Phạm vi nghiên cứu V Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu VI Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BTXMR CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NỘI BỘ VÀ VỈA HÈ ĐƯỜNG THOÁT NƯỚC MẶT 1.1 BTXMR - triển vọng thoát nước mặt theo triết lý phát triển bền vững 1.2 Tình hình nghiên cứu chế tạo sử dụng BTXMR cho kết cấu áo đường vỉa hè đường giới nước 1.3 Kết luận nghiên cứu chương 13 CHƯƠNG 14 ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG VÀ NHU CẦU VỀ SỬ DỤNG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NỘI BỘ VÀ VỈA HÈ ĐƯỜNG THOÁT NƯỚC MẶT Ở TPHCM 14 2.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội TPHCM liên quan đến thoát nước mặt đường 14 2.2 Hiện trạng kết cấu áo đường nội vỉa hè đường TPHCM 20 2.3 Kết nghiên cứu chương 21 CHƯƠNG 23 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG NỘI BỘ VÀ VỈA HÈ SỬ DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG RỖNG THOÁT NƯỚC MẶT 23 3.1 Tính tốn thiết kế khả chịu lực kết cấu áo đường vỉa hè 23 3.2 Tính tốn thiết kế thuỷ lực kết cấu áo đường vỉa hè 25 3.3 Kết luận nghiên cứu chương 29 i CHƯƠNG 31 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG XI MĂNG RỖNG THOÁT NƯỚC 31 4.1 Kế hoạch thực 31 4.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm 31 4.3 Thí nghiệm tiêu cường độ, độ rỗng 34 4.4 Thí nghiệm tiêu thủy lực (hệ số thấm) 35 4.5 Tổng hợp phân tích kết thí nghiệm 37 4.6 Thử nghiệm lắp đặt BTXMR KTX phân hiệu 39 4.7 Kết nghiên cứu chương 40 CHƯƠNG 42 ĐỀ XUẤT ÁP DỤNG GIẢI PHÁP KẾT CẤU VỈA HÈ ĐƯỜNG, ÁO ĐƯỜNG NỘI BỘ THỐT NƯỚC MẶT CĨ SỬ DỤNG BÊ TÔNG XI MĂNG RỖNG TẠI TPHCM 42 5.1 Đề xuất giải pháp cấu tạo cho kết cấu áo đường đường nội vỉa hè 42 5.2 Đề xuất giải pháp cấu tạo cho hệ thống thoát nước tương thích 42 5.3 Tính tốn kiểm tra giải pháp khả chịu lực thoát nước mặt 44 5.4 Kết nghiên cứu chương 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 I KẾT LUẬN 49 II KIẾN NGHỊ 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT Bộ GTVT : Bộ Giao thông Vận tải BTXMR BTXM : Bê tông xi măng rỗng : Bê tông Xi măng BT BĐKH : Bê tơng : Biến đổi khí hậu NBD BTNC KC : Nước biển dâng : Bê tông nhựa chặt : Kết cấu KCAĐ ASTM : Kết cấu áo đường : Hiệp hội vật liệu thử nghiệm Hoa Kỳ (American Society TCVN TP HCM Trường ĐH GTVT for Testing and Materials) : Tiêu Chuẩn Việt Nam : Thành phố Hồ Chí Minh : Trường Đại học Giao thông Vận tải iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Kế hoạch thực 31 Bảng Khối lượng mẫu thí nghiệm 31 Bảng Đặc tính đá 1,18-9,5mm 32 Bảng Thành phần cấp phối BTXMR (kg/m3) 32 Bảng Kết thử cường độ tuổi & 28 ngày 37 Bảng Kết thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn 38 Bảng So sánh số tiêu bê tơng xi măng rỗng nghiên cứu với gạch Terrazzo bê tông xi măng thông thường (mặt đường) 41 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Mặt cắt ngang điển hình kết cấu áo đường sử dụng BTXMR Hình Bề mặt điển hình BTXMR Hình Minh họa q trình thấm nhanh nước từ vịi Hình Mặt đường bê tông thường (trái) mặt đường bê tông rỗng (phải) mưa hay tuyết Hình Các ứng dụng điển hình sử dụng BTXMR Hình Bản đồ vị trí TPHCM 14 Hình Bản đồ 66 điểm ngập đường phố TP.HCM 15 Hình Ngập lụt đường thường gặp TPHCM sau mưa lớn 17 Hình Quá trình thị hóa TPHCM 18 Hình 10 Điển hình nguyên nhân gây ngập úng đô thị 20 Hình 11 Hiện trạng kết cấu áo đường nội vỉa hè đường điển hình TPHCM 20 Hình 12 Kết cấu áo đường nội thông thường TPHCM 20 Hình 13 Thiết kế mẫu loại vỉa hè (Sở GTVT TPHCM) 21 Hình 14 Sơ đồ chu trình thuỷ văn 22 Hình 15 Các biến cân nước cho mặt đường sử dụng BTXMR 26 Hình 16 Biểu đồ phân tích kết cấu thủy lực áp dụng cho mặt đường sử dụng BTXMR 30 Hình 17 Đá cỡ hạt 1,18-9,50mm 32 Hình 18 Thành phần hạt đá (ASTM C33/C33M-16) 32 Hình 19 Q trình trộn bê tơng 33 Hình 20 Q trình đầm bảo dưỡng bê tơng 34 Hình 21 Mẫu bê tơng điển hình sau tháo ván khn 34 Hình 22 Thí nghiệm nén mẫu BTXMR 150x150x150mm 35 Hình 23 Thí nghiệm xác định hệ số thấm: chiều cao mực nước 10-15mm 36 Hình 24 Thí nghiệm xác định hệ số thấm cho mẫu D100xH150mm 37 Hình 25 Hệ số thấm vs độ rỗng bê tông xi măng rỗng 39 Hình 26 Thử nghiệm lắp đặt BTXMR KTX Phân hiệu 40 Hình 27 Kết cấu đường nội (c&d) vỉa hè đường (a&b): Sở GTVT UBND TP.HCM (trái) đề xuất (phải) 42 Hình 28 Cấu tạo hệ thống thoát nước 44 v PHẦN MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Với 10 triệu dân tỉ lệ tăng trưởng dân số 3%, thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM) thành phố có tốc độ thị hóa nhanh Việt Nam khu vực Đơng Nam Á Q trình thị hóa diễn nhanh chóng làm giảm diện tích vùng chứa nước tăng diện tích bề mặt phủ khơng thấm nước (q trình bê tơng hố lớp phủ bề mặt cơng trình hạ tầng kỹ thuật, đặc biệt đường xá, sân bãi, vỉa hè,…) Hậu giải pháp thoát nước truyền thống hoạt động khơng cịn hiệu quả, tình trạng ngập lụt ô nhiễm nguồn nước lượng nước mặt chảy tràn ngày gia tăng, đặc biệt có mưa lớn xảy Mặt khác, tình trạng khai thác nước ngầm khơng kiểm sốt chặt chẽ, làm cho mực nước ngầm bị hạ sâu gây sụt lún đất nghiêm trọng Theo số liệu thống kê, TPHCM từ năm 1995 đến nay, mực nước ngầm hạ khoảng 18m (khoảng 1m/năm) tốc độ lún sụt đất khoảng – 20cm/năm Đối với TP HCM, giải pháp thoát nước truyền thống qui hoạch hệ thống nước theo kiểu hệ thống nước riêng hồn toàn, thành phố kết hợp triển khai với giải pháp khác Chương trình 752 (QH 752) nước từ đô thị kênh rạch, cải tạo nâng cấp, nạo vét kênh rạch chương trình 1547 (QH 1547) chống ngập úng với giải pháp kiểm soát triều chủ động hạ thấp mực nước kênh trục Tuy nhiên, giải pháp nhiều hạn chế Một giải pháp nước mặt bền vững sử dụng vật liệu bê tông rỗng, loại bê tông đặc biệt tạo thành phần hạt thơ chất kết dính hợp lý, có độ rỗng cao (15-25%) Nhờ đó, có khả thấm trữ nước, làm giảm lượng nước mặt chảy đường, góp phần giảm hiệu ứng “đảo nhiệt đô thị” (Urban Heat Island) Trong năm gần đây, việc ứng dụng bê tông rỗng cho kết cấu áo đường ý phát triển, đặc biệt nước tiên tiến giới lợi ích bật khía cạnh môi trường Bê tông rỗng loại vật liệu phục vụ cho q trình thị hóa đồng thời loại vật liệu thân thiện với môi trường sống, xem vật liệu kết cấu áo đường bền vững đầy triển vọng tương lai Hiện có nhiều nghiên cứu thiết kế cấp phối phương pháp tính toán cho loại vật liệu thực tiếp tục phát triển Mỹ, Nhật, Úc nước châu Âu Tuy nhiên, thấy phần lớn kết cấu áo đường TPHCM bê tông chặt với độ rỗng nhỏ nhằm đảm bảo khả chịu lực chống thấm nước xuống tầng móng đường Ở Việt Nam nói chung TPHCM nói riêng, vật liệu bê tơng rỗng xem vật liệu kết cấu với đặc tính riêng biệt Mặc dù có số đề tài tiến hành nghiên cứu bê tông rỗng, hầu hết đề tài bước đầu nghiên cứu để mở phương hướng tiếp cận điều kiện áp dụng hạn chế Do đó, TPHCM chưa có đề tài nghiên cứu việc tính tốn ứng dụng kết cấu áo đường sử dụng bê tơng rỗng có xét đến yếu tố thuỷ lực đảm bảo thoát nước mặt bền vững Một thách thức lớn triển khai đại trà kết cấu áo đường sử dụng bê tông rỗng kết cấu bề mặt phải đáp ứng yêu cầu như: đảm bảo cường độ, độ bền, tăng cường khả tự thấm nước mưa, dễ thi công, bảo dưỡng, sửa chữa giá thành hợp lý …Tuy nhiên, Việt Nam nói chung TPHCM nói riêng chưa có tiêu chuẩn hay hướng dẫn kỹ thuật lựa chọn kiểm tra vật liệu, thi công vật liệu Ngồi ra, sử dụng bê tơng xi măng rỗng nước, cần có giải pháp đồng với thoát nước mặt giữ nước tiêu nước hệ thống sở hạ tầng bên Hiện tại, quy trình thiết kế nước mặt chủ yếu hệ thống cống rãnh đảm nhận Trong đó, hệ thống đường phố nội vỉa hè chiếm tỷ lệ lớn chiều dài diện tích hệ thống đường thị Do đó, việc ứng dụng bê tông rỗng cho kết cấu áo đường nội vỉa hè đường có ảnh hưởng tích cực đến q trình nước mặt, tăng cường khả thấm nước, làm giảm lượng nước mặt chảy đường, …Vì vậy, vấn đề nghiên cứu sử dụng bê tông xi măng rỗng để thiết kế kết cấu áo đường nội vỉa hè đường thoát nước mặt bền vững phù hợp với điều kiện thành phố Hồ Chí Minh điều cần thiết II Mục tiêu nghiên cứu đề tài Thực nghiệm chế tạo bê tơng xi măng rỗng (BTXMR) nước có cường độ tối thiểu 15MPa, 20 MPa để làm kết cấu vỉa hè đường kết cấu áo đường nội Từ đề xuất giải pháp thiết kế kết cấu vỉa hè đường, áo đường thoát nước mặt nhằm bổ sung lượng nước ngầm giảm thiểu đường ngập nước Tp HCM III Đối tượng nghiên cứu Bê tông xi măng rỗng cho kết cấu áo đường nội vỉa hè đường (Bê tơng có cường độ tối thiểu 15 MPa với độ rỗng từ 15-25%) IV Phạm vi nghiên cứu Khu Ký túc xá tầng, Phân hiệu trường ĐH GTVT TPHCM Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu V - Nghiên cứu tài liệu khoa học nước nước thiết kế ứng dụng kết cấu áo đường sử dụng bê tơng rỗng, giải pháp nước mặt bền vững cho kết cấu áo đường - Thu thập số liệu thực tế lý thuyết, phân tích đánh giá tổng hợp số liệu, kế thừa kết nghiên cứu trước, đề xuất giải pháp kết cấu thí nghiệm kiểm chứng Nội dung nghiên cứu VI - Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng BTXMR cho kết cấu áo đường nội vỉa hè đường thoát nước mặt - Đánh giá thực trạng nhu cầu sử dụng kết cấu áo đường nội vỉa hè đường thoát nước mặt TPHCM - Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu áo đường nội vỉa hè sử dụng BTXMR thoát nước mặt - Thiết kế, chế tạo thực nghiệm phòng xác định tiêu BTXMR thoát nước - Đề xuất áp dụng giải pháp kết cấu vỉa hè đường, áo đường nội nước mặt có sử dụng BTXMR TPHCM PHỤ LỤC CHƯƠNG Tính tốn kiểm tra giải pháp khả chịu lực thoát nước mặt Khả chịu lực Vận dụng [24], ví dụ tính tốn mặt đường BTXMR trường hợp kết cấu có lớp móng cấp phối đá dăm B.1.1 Số liệu xuất phát: Đường nội bộ; có Tg = 920C/m (các tỉnh phía Nam) Tải trọng trục tiêu chuẩn Ps = 80 kN (để tính mỏi) Qua điều tra, dự báo đường có trục xe nặng Pmax = 100kN thông qua Số lần tác dụng quy đổi trục xe tiêu chuẩn Ps = 80kN tích lũy Ne =2,8.104 lần/làn thời hạn phục vụ thiết kế 10 năm (quy mô giao thông thiết kế thuộc cấp nhẹ) B.1.2 Dự kiến kết cấu mặt đường: Dự kiến tầng mặt BTXM dày 0,25m, cường độ kéo uốn thiết kế fr = 2,8 MPa, tra bảng 11 [24] nội suy có trị số mơ đun đàn hồi tính tốn Ec = 21 GPa; hệ số poisson µc = 0,15; sử dụng cốt liệu đá granit nên theo bảng 10 [24] lấy hệ số dãn nở nhiệt αc = 10.10-6/0C Tấm BTXM dự kiến có kích thước 3,5m x 3,0m; Lớp móng đá 40mm x 60mm chèn đá dăm, độ rỗng 35%, có mơ đun đàn hồi 250MPa dự kiến dày 0,2m đặt trực tiếp đất; khơng cần thiết kế lớp móng quy mơ giao thơng thuộc cấp nhẹ Nền đất có mơ đun đàn hồi 40MPa B.1.3 Kiểm toán kết cấu dự kiến theo dẫn mục 8.3 [24]: Theo cơng thức (8-8) [24], tính tốn Ex với lớp móng h1 = 0,2m; E1 = 250MPa ∑ (h E ) = h E = h ∑h n Ex Theo (8-10) [24]: hx = i i n i ∑h =h n i 1 = 300MPa =0,2m 250MPa Theo (8-9) [24]: α = 0,86+0,26lnhx = 0,442 α  Ex  Theo (8-7) [24]: Et =   Eo = 89,84 MPa  Eo  Theo (8-6) [24]: Dc = 28 MN.m; Dc / ) = 0,82 m; r = 1,21 ( Et Tính ứng suất tải trọng xe: - Theo (8-6) [24] tính σps với Ps = 80 kN σps = 1,47 x 10-3 x r0.70 x hc-2 x Ps0.94 = 1,259 MPa; - Theo (8-6) [24] tính ứng suất σps với Ps = Pm = 100 kN; σps = σpm = 1,47 x 10-3 x r0,70 x hc-2 x Ps0,94 = 1,553 MPa; - Theo (8-5) [24] tính được: σpr = kr kf kc σps kr =1 (lề đất); kc = 1,0 đường cấp thấp- đường nội bộ); kf = Ne0,065 (theo điều 8.3.3 [24]) từ có: σpr = kr kf kc σps = 2,45 MPa; - Theo (8-15) [24] tính σpmax = kr kc σpm = 1,553 MPa; Tính ứng suất nhiệt theo điều 8.3.6 [24]: t= L 4,5 = = 1,423; 3.r 3.0,818 CL =1 - Sht cos t + Cht sin t = 0,445; cos t sin t + Sht.Cht BL = 1,77 e-4,48.hc CL – 0,131 (1 – CL) = 0,184; σtmax = α c hc Ec Tg B L = 0,446 MPa; - Tính hệ số mỏi nhiệt kt theo (8-19) [24]: kt =  f r  σ t max bt − ( ) a c t  = 0,1; σ t max  t f r  - Theo (8-16) [24] tính ứng suất nhiệt gây mỏi: σtr = kt σtmax = 0,045 MPa Kiểm toán điều kiện giới hạn: Tuyến đường thiết kế thuộc cấp thấp nên lấy độ tin cậy γr = 1,07 từ đó: - Theo điều kiện (8-1) [24]: γr (σpr + σtr) ≤ fr hay 1,07x(2,45+0,045) = 2,67 MPa ≤ 2,8 MPa; - Theo điều kiện (8-2) [24]: γr (σ pmax + σ tmax) ≤ fr hay 1,07x(1,553+0,446) = 2,14 MPa ≤ 2,8 MPa; Kết luận: đạt điều kiện giới hạn cho phép chấp nhận kết cấu làm kết cấu thiết kế Khả nước mặt Tính tốn hệ thống thoát nước lớp kết cấu đá dăm chứa nước Biết chiều dày lớp đá 40mm x 60mm chèn đá dăm chứa nước H=0,2, độ rỗng 35% bề mặt bê tơng xi măng thấm nước có diện tích 0,6ha Biết diện tích cần F=1,2ha, chiều rộng mặt đường B=6m, hệ số dòng chảy Ψ=1, cường độ mưa thành phố Hồ Chí Minh I = 100(mm/h) Giải Lượng nước mưa rơi bề mặt kết cấu xác định theo công thức (7): M= 10−6 Ψ.I.F 3,6 (m3/s) F = 12.000 (m2), I=100 (mm/h), Ψ=1 ⇒ M = 0,33 (m3/s) Lượng nước giữ lại lớp đá dăm tính theo cơng thức (9): S = W e /3.600 (m3/s) e=0,35 W= 0,2x 6.000 =1.200(m3) Vậy S= 0,12 (m3/s) Xác định đường kính ống thu nước đục lỗ đặt đáy kết cấu: Q: lưu lượng tính cho đoạn ống tính tốn xác định theo công thức (10): Q = n Q Trong đó: n: số lỗ đoạn ống tính tốn.(50 lỗ/1m dài, đường kính lỗ 5mm) Chiều dài đoạn ống lấy bề rộng đường (6m) Vậy n=300 Q : lưu lượng lỗ, xác định sau: Q o = Cd Ao �2 g H0 (m3/s) Cd - Hệ số lưu lượng lỗ (0,6) Ao - Diện tích lỗ thu nước (m2) H0 - Cột áp (m) (Ho=0,1m) g: gia tốc trọng trường (g=9,81 m/s2) Vậy Q = 0,005(m3/s) ⇒D=2 � 𝑄 𝜋.𝑣 1000 (mm) Với v=0,6(m/s), ta có D=100(mm) Xác định số lượng ống thoát nước đục lỗ theo cơng thức (14): N = R/Q Trong theo cơng thức (6): R = 0,33-0,12 = 0,21 (m3/s) Vậy số lượng ống thoát nước kết cấu đá dăm chứa nước : N=0,21/0,005 = 44 (ống) với chiều dài ống 6m Xác định thời gian tháo cạn nước lớp kết cấu đá dăm theo công thức (15): T = 2.S R (h) ⇒ T = 2.0,12/0,21 = 1,1h < 24h nên thỏa mãn