Nghiên cứu nền đường đoạn quá độ với kết cấu cứng của đường sắt cao tốc kiểu tấm bản luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng đường sắt

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC GIAO THÔNG VậN TảI - - Vũ đoàn quân NGHIÊN CứU NềN ĐƯờNG ĐOạN QUá Độ VớI KếT CấU CứNG CủA ĐƯờNG SắT CAO TốC KIểU TấM BảN LN V¡N TH¹C SÜ Kü THT h-íng dÉn khoa häc: TS NGUYễN HồNG PHONG Hà Nội - 2017 Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC GIAO THÔNG VậN T¶I - - Vũ đoàn quân NGHIÊN CứU NềN ĐƯờNG ĐOạN QUá Độ VớI KếT CấU CứNG CủA ĐƯờNG SắT CAO TốC KIểU TấM BảN NGNH: K THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG MÃ SỐ: 60.58.02.05 CHUYÊN SÂU: KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐƯỜNG SẮT LUËN V¡N TH¹C SÜ Kü THT h-íng dÉn khoa häc: TS NGUN HåNG PHONG Hµ Néi - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân, xuất phát từ yêu cầu phát sinh cơng việc để hình thành hướng nghiên cứu Các tài liệu tham khảo luận văn có nguồn gốc rõ ràng kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực Hà nội, tháng năm 2017 Học viên Vũ Đoàn Quân ii LỜI CÁM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo Bộ môn Đường sắt, chuyên gia bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ, đóng góp ý kiến cho đề tài Đặc biệt đề tài hoàn thành với hướng dẫn tận tình thầy giáo trực tiếp hướng dẫn TS Nguyễn Hồng Phong suốt trình nghiên cứu, hồn thiện Trong q trình thực đề tài, thân chủ động thu thập tài liệu nghiên cứu với mong muốn đóng góp phần nhỏ bé vào phát triển ngành Đường sắt Tuy nhiên, phạm vi đề tài tương đối rộng, liên quan đến nhiều vấn đề đường sắt cao tốc vấn đề Việt Nam Hơn dự án đường sắt cao tốc Việt Nam chưa triển khai, chủ yếu lựa chọn áp dụng mơ hình làm Nhật, Pháp, Trung Quốc v.v mà Việt Nam lại chưa có nghiên cứu sâu vấn đề Đồng thời hạn chế thời gian thân phải đảm bảo thời gian công tác đơn vị, lực nghiên cứu thân cịn hạn chế Vì vậy, số nội dung nêu đề tài biện pháp xử lý chưa kỹ Trên sở đề tài này, thời gian tới tiếp tục sâu vào nghiên cứu nội dung nhỏ để có báo cáo chuyên đề cụ thể Xin trân trọng cảm ơn Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả Vũ Đoàn Quân iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐOẠN QUÁ ĐỘ GIỮA NỀN ĐƢỜNG VÀ KẾT CẤU CỨNG NỀN ĐƢỜNG SẮT CAO TỐC DẠNG TẤM BẢN3 1.1 Khái quát đƣờng sắt cao tốc 1.1.1 Hình thức kết cấu lớp mặt đường 1.1.2 Yêu cầu vật liệu lớp mặt đường 1.1.3 Yêu cầu kỹ thuật phận đường bên lớp mặt 1.1.4 Bộ phận đường lớp mặt 1.1.5 Điều kiện móng 10 1.2 Phân tích biến dạng lún độ cứng khu vực độ 14 1.3 Yêu cầu đoạn độ 18 1.3.1 Yêu cầu tính phẳng thuận 18 1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật vật liệu đắp 20 1.3.3 Yêu cầu thi công 24 1.3.4 Yêu cầu thoát nước 25 1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu 26 CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ CƠ BẢN VÀ CÁC PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ ĐOẠN QUÁ ĐỘ NỀN ĐƢỜNG VÀ KẾT CẤU CỨNG 28 2.1 Các nguyên lý thiết kế đƣờng đoạn độ 28 2.2 Các phƣơng án thiết kế đƣờng đoạn độ 34 2.2.1 Tăng độ cứng đường giảm biến dạng đường 35 2.2.2 Tăng cường độ cứng đường phương thẳng đứng phía tương đối yếu đoạn độ 37 2.2.3 Giảm bớt độ cứng thẳng đứng cho cầu, hầm 38 iv 2.3 Phân tích so sánh phƣơng án thiết kế 39 CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH SO SÁNH KẾT QUẢ ĐO ĐẠC HIỆN TRƢỜNG CỦA MỘT SỐ LOẠI KẾT CẤU ĐOẠN QUÁ ĐỘ 50 3.1 Phân tích kết đo đạc 50 3.2 Xem xét điều kiện Việt Nam lựa chọn loại kết cấu phù hợp 56 3.3 Tính tốn kiểm nghiệm với phƣơng án lựa chọn 61 3.3.1 Giới thiệu sơ lược phần mềm Plaxis 61 3.3.2 Tính tốn kiểm nghiệm với phương án sử dụng cấp phối đá dăm gia cố xi măng 64 3.3.3 Tính tốn kiểm nghiệm với phương án sử dụng đất gia cố xi măng 76 3.4 Một số kết luận 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Yêu cầu vật liệu lớp bề mặt lòng đường, đường sắt Tây Ban Nha Bảng Giới thiệu tiêu chuẩn nện chặt lớp mặt đường Bảng Độ chặt lớp đáy lớp mặt đường Bảng Yêu cầu lớp móng 11 Bảng 1.5 Yêu cầu cấp phối vật liệu đắp 20 Bảng 6: Cấp phối vật liệu hạt thơ nước 26 Bảng Trị khống chế chất lượng đầm nén trường tổ thành khối gia cố trộn xi măng hình thang đoạn độ đường cầu đường sắt nước Đức 43 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Kết cấu đường sắt cao tốc Hình 1.2 Xử lý đất yếu cơng nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không 11 Hình 1-3 Xử lý đất yếu công nghệ cọc gia cường 12 Hình 1-4 Giải pháp thay đổi chiều dài mật độ độ cọc đoạn đường chuyển tiếp để đảm bảo chuyển đổi êm thuận độ lún đường cầu, cống 13 Hình 1-5 Giải pháp đổi chiều dài mật độ độ cọc sàn giảm tải theo dạng bậc thang để đảm bảo chuyển đổi êm thuận độ lún đường cầu, cống 14 Hình 1-6 Tải trọng bánh xe đoạn độ đường – cầu 18 Hình 1-7 Sơ đồ đường đoạn độ mố cầu độ cứng móng khác biệt biến dạng lún khơng gây không phẳng thuận đường ray không đá 19 Hình 2-1 Phân tích hình học khơng phẳng thuận ảnh hưởng thích nghi tuyến đường đường đoạn độ đầu cầu đường ray không đá lún không gây nên 28 Hình 2-2 Độ lún đường đoạn độ đường – cầu, độ cong ST’’ trị phân bố bán kính cong đứng (STmax=20mm, L=20m L=30m) 30 Hình 2-3 Quan hệ bán kính đường cong đứng đường ray chỗ lưng mố đoạn độ đường cầu đường ray không đá 31 Hình 2-4 Quan hệ gia tốc đứng đoạn độ đường cầu đường ray có đá a v tốc độ tàu chạy Tình hình phẳng thuận độ cứng lý tưởng (m = 0) 32 Hình 2-5 Quan hệ gia tốc đứng thân toa xe av đoạn độ đường cầu đường ray có đá tỷ độ cứng đường, mố cầu (tốc độ tàu chạy ve=350 km/h) 33 Hình 2-6 Quan hệ gia tốc thân toa xe av đoạn độ đường cầu đường ray có đá gẫy ray θ (tốc độ tàu chạy ve = 350 km/h) 34 Hình 2-7 Phương pháp xử lý đặt “cốt đoạn độ đường – cầu 35 vii Hình 2-8 Xử lý cách dùng vật liệu loại đá dăm để đắp đoạn độ 36 Hình 2-9 Xử lý bê tông cốt thép dày đoạn độ đường cầu 37 Hình 2-10 Sơ đồ bố trí đoạn độ sau mố (quy phạm thiết kế đường sắt cao tốc thực hành) 40 Hình 2-11 quy phạm thiết kế đường sắt nước đức RiL 836 phương án tiêu chuẩn đoạn độ đường cầu đường ray không đá 40 Bảng Trị khống chế chất lượng đầm nén trường tổ thành khối gia cố trộn xi măng hình thang đoạn độ đường cầu đường sắt nước Đức 43 Hình 2-12 Kết thí nghiệm tương quan cường độ chịu nén đơn trục Mô đun đàn hồi vật liệu cốt cứng chịu nước (đất đắp trộn xi măng) 46 Hình 2-13 Quy trình xây dựng đường ray khơng đá AKFF (1995), phương án đoạn độ 46 Hình 2-14 Sơ đồ mặt cắt dọc đoạn độ vật kết cấu hướng ngang đường 47 Hình 2-15 Sơ đồ mặt cắt dọc đoạn độ đường cống đoạn dọc tuyến B tuyến đường sắt xây đường ray không đá nước Đức 48 Hình 2-16 Sơ đồ mặt cắt dọc phương án đoạn độ A Kha Sư đường cầu đoạn B - tuyến đường ray không đá nước Đức 49 Hình 2-17 Sơ đồ mặt cắt dọc phương án đoạn độ A Kha Sư đường cống đoạn B - tuyến đường ray không đá nước Đức 49 Hình 3-1 Phân bố dọc lộ tuyến biến dạng lún thực đo đoạn độ đường cống tuyến đường ray không đá nước 50 Hình 3-2 Sơ đồ bố trí máy quan trắc thực đo vận doanh thí nghiệm trường phương án A Kha Sư phương án truyền thống cọc B đoạn độ đường cống ( DK 126 + 138 ) tuyến đường ray khơng đá nước Đức 51 Hình 3-3 Biến đổi giá trị vres.eff tốc độ chấn động có hiệu theo độ sâu 53 Hình 3-4 Phạm vi thực đo tất mặt cắt thí nghiệm, quan hệ số lần gia tải tuần hoàn N lún phụ SN tải trọng động gây 54 viii Hình 3-5 So sánh kết thực đo quan hệ tốc độ tàu chạy trị tốc độ chấn động giai đoạn vận doanh phương án truyền thống Ril 836 phương án A Kha Sư 54 Hình 3-6 So sánh kết biến đổi tốc độ chấn động theo độ sâu giai đoạn vận doanh phương án truyền thống RiL 836 phương án A Kha Xư 55 Hình 3-7 Thi cơng đất gia cố xi măng thủ công Việt Nam 58 Hình 3-8 Thi cơng đất gia cố xi măng máy nông nghiệp 59 Hình 3-9 Phương án đoạn độ sử dụng cấp phối đá dăm gia cố xi măng 60 Hình 3-10 Phương án đoạn độ sử dụng đất gia cố xi măng 60 Hình 3-11 Phân tích toán hố đào Plaxis 2D V8.5 62 Hình 3-12 Phân tích tốn đóng cọc Plaxis 2D V8.5 Dynamics 62 Hình 3-13 Phân tích tốn thấm qua đập đất Plaxis PlaxFlow 63 Hình 3-14 Phân tích tốn thi công hầm theo công nghệ NATM Plaxis 3D Tunnel 63 Hình 3-15 Phân tích tốn móng bè Plaxis 3D Foundation 64 Hình 3-16 Chọn mơ hình biến dạng 65 Hình 3-17 Vẽ đường bao quanh 65 Hình 3-18 (a), (b) Thiết lập thơng số vật liệu đất đắp 66 Hình 3-19 (a), (b) Thiết lập thông số vật liệu 67 Hình 3-20 (a), (b) Thiết lập thông số vật liệu cấp phối đá dăm 3% xi măng 68 Hình 3-21 (a), (b) Thiết lập thông số vật liệu cấp phối đá dăm 5% xi măng 69 Hình 3-22 Lập điều kiện biên 70 Hình 3-23 Tạo lưới 70 Hình 3-24 Khai báo điều kiện đầu 71 Hình 3-25 Cửa sổ tính tốn 71 Hình 3-26 Kết lún đắp cao 4m không sử dụng đoạn độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng 72 Hình 3-27 Kết lún đắp cao 4m sử dụng đoạn độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng 72 69 (a) (b) Hình 3-21 (a), (b) Thiết lập thơng số vật liệu cấp phối đá dăm 5% xi măng 70 b) Lập điều kiện biên: Hình 3-22 Lập điều kiện biên c) Hệ thống lưới: Hình 3-23 Tạo lưới 71 d) Khai báo điều kiện đầu: Hình 3-24 Khai báo điều kiện đầu e) Tính tốn:  Đoạn q độ chưa sử dụng cấp phối đá dăm gia cố xi măng: Hình 3-25 Cửa sổ tính tốn 72 Kết tính lún tức thời: Hình 3-26 Kết lún đắp cao 4m không sử dụng đoạn độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng Nhận xét: đường lún với độ lún 1.14mm  Đoạn độ sử dụng cấp phối đá dăm gia cố xi măng: Hình 3-27 Kết lún đắp cao 4m sử dụng đoạn độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng 73 Nhận xét: đường sau kết cấu cứng có chuyển tiếp độ lún từ kết cấu cứng sang khu vực đất đắp thông thường 2) Nền đắp cao 6m Với chiều cao đắp 6m theo công thức 2.8: ( ) , ta chọn a = 4m, L = 20m Việc khai báo liệu đầu vào tương tự đắp cao 4m, ta có kết sau:  Đoạn độ chưa sử dụng cấp phối đá dăm gia cố xi măng: Lún tức thời: Hình 3-28 Kết lún đắp cao 6m không sử dụng đoạn độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng Nhận xét: đường lún với độ lớn 1.71mm 74  Đoạn độ sử dụng cấp phối đá dăm gia cố xi măng: Hình 3-29 Kết lún đắp cao 6m sử dụng đoạn độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng Nhận xét: đường sau kết cấu cứng có chuyển tiếp độ lún từ kết cấu cứng sang khu vực đất đắp thông thường 3) Nền đắp cao 8m Với chiều cao đắp 6m theo công thức 2.8: ( ) , ta chọn a = 4m, L = 25m Chạy chương trình ta có kết lún tức thời sau:  Với đắp chưa sử dụng đoạn gia cố xi măng: 75 Hình 3-30 Kết lún đắp cao 8m không sử dụng đoạn độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng Nhận xét: đường lún với độ lún 2.2mm Với đắp sử dụng đoạn gia cố xi măng: Hình 3-31 Kết lún đắp cao 8m sử dụng đoạn độ cấp phối đá dăm gia cố xi măng 76 Nhận xét: đường sau kết cấu cứng có chuyển tiếp độ lún từ kết cấu cứng sang khu vực đất đắp thơng thường 3.3.3 Tính toán kiểm nghiệm với phương án sử dụng đất gia cố xi măng Dữ liệu đầu vào: Hình 3-32 Nhập liệu đầu vào trường hợp sử dụng đất gia cố xi măng Với đắp cao 4m, ta có kết lún tức thời sau:  Với trường hợp không sử dụng đoạn độ đất gia cố xi măng: 77 Hình 3-33 Kết lún đắp cao 4m không sử dụng đoạn độ đất gia cố xi măng Nhận xét: đường lún  Với trường hợp sử dụng đoạn độ đất gia cố xi măng: Hình 3-34 Kết lún đắp cao 4m sử dụng đoạn độ đất gia cố xi măng Nhận xét: đường sau kết cấu cứng có chuyển tiếp độ lún từ kết cấu cứng sang khu vực đất đắp thơng thường Với đắp cao 6m, ta có kết lún tức thời sau: 78  Với trường hợp không sử dụng đoạn độ gia cố đất gia cố xi măng: Hình 3-35 Kết lún đắp cao 6m không sử dụng đoạn độ đất gia cố xi măng Nhận xét: đường lún  Với trường hợp sử dụng đoạn độ gia cố đất gia cố xi măng: 79 Hình 3-35 Kết lún đắp cao 6m sử dụng đoạn độ đất gia cố xi măng Nhận xét: đường sau kết cấu cứng có chuyển tiếp độ lún từ kết cấu cứng sang khu vực đất đắp thông thường 3.4 Một số kết luận Dựa theo kết thu từ việc sử dụng chương trình Plaxis, ta thấy:  Trong trường hợp khơng sử dụng đoạn q độ có sử dụng vật liệu gia cố xi măng, đoạn đất đắp sau kết cấu cứng có biến dạng lún Tại vị trí tiếp giáp với kết cấu cứng, kết cấu cứng đặt hệ thống móng cọc đóng vào tầng đá gốc nên lún khơng lún, đó, xảy tượng “xe nhảy” lún không đều, độ cứng không  Trong trường hợp sử dụng đoạn độ gia cố vật liệu xi măng, đoạn đất đắp sau kết cấu cứng có độ lún tăng dần từ kết cấu cứng phía ngồi đường bên ngồi, tạo chuyển tiếp độ lún Đồng thời, sử dụng vật liệu gia cố xi măng nên cải thiện 80 độ cứng, tạo chuyển tiếp độ cứng đường kết cấu cứng Do vậy, tàu chạy qua khu vực đoạn độ êm thuận  Tuy nhiên, kết thu từ việc chạy phần mềm đưa kết lún tức thời, chưa đánh giá hết trình làm việc đoạn độ  Số liệu đầu vào hạn hẹp cần tiến hành nhiều thí nghiệm để kiểm làm rõ giá trị phương án áp dụng Việt Nam 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn đưa lý thuyết đoạn độ đường với kết cấu cứng đường sắt cao tốc dạng bản, thơng qua phân tích tổng hợp kết nghiên cứu nước Đức Trung Quốc, thiết lập nguyên lý thiết kế đoạn độ đường với kết cấu cứng đường sắt cao tốc dạng Từ đưa phương án thiết kế đoạn độ bao gồm phương án sử dụng đoạn hình thang hình thang ngược dùng cấp phối đá dăm gia cố xi măng phương án sử dụng đất đắp gia cố xi măng với hàm lượng chất kết dính tăng dần từ đắp vào đến kết cấu cứng Căn theo thí nghiệm Đức cho thấy sử dụng chất kết dính gồm 70% xi măng 30% vôi đạt đến hiệu gia cố nén chặt Tuy nhiên, áp dụng Việt Nam cần tình hình đất chất kết dính để tiến hành lựa chọn thành phần tăng thêm chất phụ gia cho phù hợp Qua thực nghiệm tiến hành đoạn đường A Kha Xư Đức, kết tính tốn qua phần mềm Plaxis, ta thấy, sử dụng đất gia cố xi măng có hiệu tương tự cấp phối đá dăm gia cố xi măng bình hỗn độ cứng độ lún dọc tuyến Trong đó, sử dụng đất gia cố xi măng phương pháp thi công thiết bị tương đối đơn giản, sử dụng số máy nông nghiệp để thi công, giá thành vật tư lại rẻ, tận dụng đất địa phương (trừ trường hợp đất yếu) Vì vậy, thiết kế phương án cụ thể, cần xem xét để lựa chọn hai phương án, để đem lại hiệu tiết kệm chi phí Luận văn dừng lại phần kiểm nghiệm phương án lựa chọn dựa số liệu đầu vào công trình sử dụng cấp phối đá dăm gia cố xi măng huyện Thủ Thừa, tỉnh Long An, số liệu đất gia cố xi măng số liệu giả định dựa tiêu chuẩn cơng trình thực làm cứ, không phản ánh chân thực trình biến dạng theo thời gian đoạn độ 82 Kiến nghị Khi áp dụng phương án thiết kế đoạn độ Việt Nam, cần tiến hành thi công thử nghiệm, tiến hành quan trắc để xem xét đánh giá hiệu việc sử dụng phương án 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn ngành: Quy phạm thiết kế đường sắt cao tốc (thực hành) [S] Bắc Kinh: Nhà xuất đường sắt Trung Quốc Tiêu chuẩn thiết kế đường sắt Đức [S] 1999, 2000 Uyển Minh (2007), Ngẫu hợp động lực học đầu máy toa xe đường ray (bản thứ 3) Bắc Kinh: Nhà xuất khoa học La Cường, Cai Anh (2000), Nghiên cứu chiều dài hợp lý giá trị biến dạng giới hạn khu vực độ cầu đường[J] Thiết kế tiêu chuẩn đường sắt, Cai Thành Biểu, Uyển Minh (2001), Nghiên cứu tác dụng động lực đoạn độ đoàn tàu qua [J] Học báo cơng trình giao thơng vận tải, 2001(1): 17-19