Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu giải pháp xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu Ba Láng thành phố Cần Thơ

Luận văn này trình bày cấu tạo, quan điểm tính toán cột ximăng đất gia cố nền đất yếu bên dưới kết hợp đắp vật liệu có tải trọng nhẹ để xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu.. 31 2.2 Cơ sở lý

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



TRẦN ANH THI

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ LÚN LỆCH

ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU BA LÁNG

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC THỰC HIỆN TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS ĐỖ THANH HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày … tháng … năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5 Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Trần Anh Thi MSHV:7140722 Ngày, tháng, năm sinh : 06-11-1990

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm

Nơi sinh : Đồng ThápMS: 60 58 02 04

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ LÚN LỆCH ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU BA LÁNG THÀNH PHỐ CẦN THƠ

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ LÚN LỆCH

ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CỘT XIMĂNG ĐẤT KẾT HỢP

ĐẮP VẬT LIỆU CÓ TẢI TRỌNG NHẸ ĐỂ XỬ LÝ LÚN LỆCH ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH CẦU BA

LÁNG – KM0 + 574,900 ĐOẠN THUỘC THÀNH PHỐ CẦN THƠ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/07/2015 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04/12/2015 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ THANH HẢI

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho học viên gửi đến quý Thầy Cô trong Bộ môn Địa Cơ Nền Móng lòng biết ơn sâu sắc vì sự tận tình mà quý Thầy Cô đã hướng dẫn và truyền đạt cho học viên những kiến thức quý báo trong các học kỳ vừa qua Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành

Học viên xin chân thành cám ơn Thầy TS Đỗ Thanh Hải, người Thầy đã

hết lòng giúp đỡ và hướng dẫn học viên trong thời gian học tập tại trường, Thầy đã hỗ trợ học viên rất nhiều về việc bổ sung kiến thức chuyên môn, nguồn tài liệu và những lời động viên quý báo trong quá trình học viên học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Học viên xin chân thành cảm ơn các Thầy PGS.TS Châu Ngọc Ẩn, PGS.TS

Võ Phán, PGS.TS Nguyễn Minh Tâm, PGS.TS Lê Bá Vinh, PGS.TS Bùi Trường Sơn, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Trần Tuấn Anh đầy nhiệt huyết và lòng

yêu nghề, tạo điều kiện tốt nhất cho học viên học tập và nghiên cứu, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho học viên nhiều tư liệu quan trọng và cần thiết, giúp học viên giảm bớt rất nhiều khó khăn trong thời gian thực hiện luận văn

Học viên xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô, Anh Chị nhân viên Phòng

Đào tạo Sau Đại Học và gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận

lợi cho học viên trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

TP Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2015

Học viên thực hiện

Trần Anh Thi

Trang 5

Trong những năm gần đây, xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông nhằm thúc đẩy phát triển kinh tế đang được triển khai mạnh mẽ Xu hướng rút ngắn khẩu độ cầu dẫn đến nền đắp tương đối cao tại vị trí mố cầu, làm cho nền đất bị mất ổn định và biến dạng Một số công trình cầu đường trong quá trình đưa vào khai thác sử dụng đã và đang tồn tại hiện tượng phổ biến là lún lệch đường dẫn vào cầu Sự lún này trở ngại lớn trong quá trình phương tiện lưu thông, làm cho người tham gia giao thông cảm thấy khó chịu, xốc đột ngột khi vào cầu

Luận văn này trình bày cấu tạo, quan điểm tính toán cột ximăng đất gia cố nền đất yếu bên dưới kết hợp đắp vật liệu có tải trọng nhẹ để xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu Phần tính toán áp dụng thực tế đối với công trình đường dẫn vào cầu Ba Láng – Thành Phố Cần Thơ, kiểm tra lại bằng việc mô phỏng phần mềm Plaxis 2D Kết quả cho thấy, sau khi gia cố cột ximăng đất thì chênh lệch lún giảm từ 47,10cm xuống còn 4,02cm (giảm 91,5%)

Trang 6

ABSTRACT

In recent years, building traffic infrastructure to boost the economy is dramatically being carried out The tendency of reducing the aperture of the road leading to the bridge toward the relatively high ground at bridge abutment makes the ground unstable and deformed In the process of using some road bridge constructions, a popular phenomenon which is unequal settlement at the road leading to the bridge has been coming out This problem is a big disadvantage in the traffic It makes commuters feel uncomfortable and sudden shock on entering the bridge

This thesis presents the constitute and viewpoint of calculating deep soil mixing columns that reinforce the soft underground and combine rubber added lightweight soil to solve unequal settlement at the road leading to the bridge The calculation is applied to the project of the leading road to Ba Lang bridge in Can Tho city, checked by simulating Plaxis 2D software The results show, after reinforcing deep soil mixing columns is subsidence decrease from 47,10cm to 4,02cm (decrease 91,5%)

Trang 7

Qua quá trình nghiên cứu, tôi cam đoan thực hiện những yêu cầu về nội dung đã đặt ra là trung thực và được thực hiện trên cơ sở tổng hợp các lý thuyết kết hợp

với thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Đỗ Thanh Hải Nội dung

luận văn được trình bày đầy đủ các nội dung yêu cầu

Các số liệu tính toán đều được chú thích và trích dẫn đầy đủ nguồn gốc tài liệu một cách khách quan và chính xác

Một lần nữa tôi xin khẳng định sự trung thực của đề tài và hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết ở trên

TP Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2015

Học viên thực hiện

Trần Anh Thi

Trang 8

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 1

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài 2

5 Phạm vi nghiên cứu và hạn chế của đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ LÚN LỆCH ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU 3

1.1 Tổng quan về hiện tượng lún lệch đường dẫn vào cầu 3

1.2 Các giải pháp xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu 4

1.2.1 Giải pháp sử dụng cột ximăng đất để xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu 5

1.2.2 Giải pháp đắp vật liệu tải trọng nhẹ để xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu 13 1.3 Nghiên cứu của một số tác giả sử dụng cột ximăng đất để xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu và mố cầu 18

1.4 Phạm vi sử dụng thông thường của các giải pháp công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu 20

1.5 Các tiêu chí và nguyên tắc xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu 20

1.5.1 Các tiêu chí để lựa chọn giải pháp áp dụng cho một số công trình cụ thể 20 1.5.2 Nguyên tắc xử lý nền đường dẫn vào cầu 21

1.6 Nhận xét chương 1 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CỘT XIMĂNG ĐẤT KẾT HỢP ĐẮP VẬT LIỆU CÓ TẢI TRỌNG NHẸ ĐỂ XỬ LÝ LÚN LỆCH ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU 22

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán cột ximăng đất 22

2.1.1 Tính toán khả năng chịu tải cột ximăng đất 22

2.1.2 Độ lún ổn định và độ lún theo thời gian 26

2.1.3 Kiểm tra ổn định mái dốc 31

2.2 Cơ sở lý thuyết xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu sử dụng giải pháp cột ximăng đất kết hợp đắp vật liệu có tải trọng nhẹ 31

Trang 9

2.2.2 Độ lún của nền đường đã được gia cố bằng cột ximăng đất 35

2.3 Nhận xét chương 2 36

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH CẦU BA LÁNG – KM0 + 574,900 ĐOẠN THUỘC THÀNH PHỐ CẦN THƠ 38

3.1 Tổng quan về cầu Ba láng 38

3.1.1 Giới thiệu chung 38

3.1.2 Quy mô thiết kế 38

3.4.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 83

3.4.2 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 83

Trang 10

MỤC LỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Cột ximăng đất làm tường chắn cho hố đào sát nhà đang tồn tại 8

Hình 1.2 Mặt cắt ngang đường dẫn vào cầu được xử lý bằng cột ximăng đất 8

Hình 1.3 Bố trí cột trộn khô 9

Hình 1.4 Bố trí khối trùng nhau 9

Hình 1.5 Bố trí cột trộn ướt trên mặt đất 9

Hình 1.6 Thí dụ bố trí cột trộn ướt trên biển 9

Hình 1.7 Thiết bị thi công cột ximăng đất 11

Hình 1.8 Cột ximăng đất sau khi đã thi công xong 12

Hình 1.9 CLSM dùng làm bệ đỡ ống dẫn dầu 13

Hình 1.10 Hạt cao su trong đất 15

Hình 1.11 Khoảng không giữa hạt cao su và đất 15

Hình 1.12 Cấu trúc của polyisopren và cấu trúc của cao su thiên nhiên 16

Hình 2.1 Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cột ximăng đất 24

Hình 2.2 Phá hoại khối 25

Hình 2.3 Phá hoại cắt cục bộ 25

Hình 2.4 Tính lún nền gia cố khi tải trọng tác dụng chưa vượt quá sức chịu tải cho phép của vật liệu cột 28

Hình 2.5 Sơ đồ tải trọng truyền cho cột 29

Hình 2.6 Sơ đồ tải trọng truyền cho đất không ổn định giữa các cột khi tải trọng vượt quá độ bền rão 30

Hình 2.7 Mặt cắt dọc đường dẫn vào cầu được xử lý bằng cột ximăng đất 31

Hình 2.8 Xác định móng khối quy ước cho nền nhiều lớp 32

Trang 11

Hình 3.8 Sơ đồ xác định Lp, Ls 77

Hình 3.9 Các kích thước cơ bản nền gia cố 78

Hình 3.10 Mô phỏng bài toán trong Plaxis 2D 84

Hình 3.11 Trình tự mô phỏng Plsxis 2D cho trường hợp 1 86

Hình 3.12 Chuyển vị trong nền khi đắp được 6m 86

Hình 3.13 Phân bố ứng suất trong nền công trình 87

Hình 3.14 Chuyển vị sau khi có hoạt tải 87

Hình 3.15 Ứng suất trong nền khi có hoạt tải 87

Hình 3.16 Nền đường dẫn vào cầu sau khi đạt ổn định 88

Hình 3.17 Hệ số an toàn của nền đường dẫn vào cầu 88

Hình 3.18 Trình tự mô phỏng Plsxis 2D cho trường hợp 2 89

Hình 3.19 Chuyển vị trong nền khi đắp được 6m 89

Hình 3.20 Chuyển vị sau khi có hoạt tải 90

Hình 3.21 Nền đường dẫn vào cầu sau khi đạt ổn định 90

Hình 3.22 Hệ số an toàn của nền đường dẫn vào cầu 90

Trang 12

MỤC LỤC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Xác định trị số k 35

Bảng 3.1 Thí nghiệm mẫu đất trong lớp 2, chỉ tiêu cơ lý đặc trưng như sau 39

Bảng 3.15 Tính toán độ lún dưới khối gia cố theo tổng phân tố 65

Bảng 3.16 Tính toán độ lún cố kết theo thời gian 66

Bảng 3.21 Các thông số vật liệu của mô hình Plaxis 84

Bảng 3.22 Các thông số vật liệu của mô hình Plaxis 85

Bảng 3.23 Tổng hợp kết quả 91

Bảng 3.24 Độ chênh lệch lún đoạn 1 đường dẫn theo giải tích và mô phỏng 91

Bảng 3.25 Độ lún nền đường dẫn khi thay đổi kích thước cột ximăng đất 92

Trang 13

Qult (kN) : Sức chịu tải giới hạn của cột ximăng đất [M] (kNm) : Moment giới hạn của cột ximăng đất FS : Hệ số an toàn

[S] (cm) : Độ lún giới hạn cho phép

Si (cm) : Độ lún tổng cộng của móng cọc

S

 (cm) : Chênh lệch lún as (cm2) : Diện tích tương đối của cột ximăng đất Ecol (kN/m2) : Modul đàn hồi của cột ximăng đất Ccol (kN/m2) : Lực dính của cột ximăng đất

col

 (độ) : Góc nội ma sát của cột ximăng đất Acol (m2) : Diện tích của cột ximăng đất Esoil (kN/m2) : Modul đàn hồi của vùng đất yếu cần được gia cố Csoil (kN/m2) : Lực dính của vùng đất yếu cần được gia cố

soil

 (độ) : Góc nội ma sát của vùng đất yếu cần được gia cố Asoil (m2) : Diện tích của vùng đất yếu cần được gia cố Etđ (kN/m2) : Modul đàn hồi tương đương của nền được gia cố Ctđ (kN/m2) : Lực dính tương đương của nền được gia cố

td

 (độ) : Góc nội ma sát tương đương của nền được gia cố E50 (kN/m2) : Modul biến dạng

d (m) : Đường kính cột ximăng đất Lcol (m) : Chiều dài cột ximăng đất Cu,soil (kN/m2) : Độ bền chống cắt không thoát nước B, L, H (m) : Chiều rộng, chiều dài, chiều cao cột ximăng đất hi (m) : Bề dày lớp tính lún thứ i

eo : Hệ số rỗng của lớp đất Qp (kN) : Khả năng chịu tải mỗi cột trong nhóm cột ffs : Hệ số riêng phần đối với trọng lượng đất fq : Hệ số riêng phần đối với tải trọng ngoài H (m) : Chiều cao nền đắp

Trang 14

q (kN/m2) : Ngoại tải tác dụng  (kN/m3) : Dung trọng đất đắp

'

v

 (Mpa) : Ứng suất thẳng đứng hữu hiệu qu (kN/m2) : Cường độ nén đơn cột ximăng đất qc (kN/m2) : Sức chống xuyên

Tv : Nhân tố theo thời gian Cv (m/s2) : Hệ số cố kết

Si (cm) : Độ lún tức thời St (cm) : Độ lún theo thời gian

tctbP (kN) : Áp lực trung bình dưới đáy móng khối quy ước

tcPmax (kN) : Áp lực lớn nhất dưới đáy móng khối quy ước

tcPmin (kN) : Áp lực nhỏ nhất dưới đáy móng khối quy ước

 (mm) : Độ lún của nhóm cọc I : Hệ số ảnh hưởng của chiều sâu chôn hữu hiệu Db (mm) : Độ sâu chôn cọc trong lớp đất chịu lực

N (búa) : Giá trị số đếm SPT chưa được hiệu chỉnh Nl60 (búa) : Giá trị số đếm SPT đã được hiệu chỉnh ER : Hiệu suất của búa, tính bằng phần trăm giữa năng lượng giải phóng do rơi tự do theo lý thuyết với năng lượng thực tế của hệ thống búa sử dụng Khi không đủ số liệu rõ ràng có thể chọn IR = 60%

CLSM – Controlled low strenght mechanical: Vật liệu cường độ thấp RLS – Rubber added lightweight soil: Đất trộn cao su

Trang 15

Họ và tên : Trần Anh Thi Sinh ngày : 06/11/1990 Nơi sinh : Đồng Tháp Địa chỉ liên lạc : 160, khóm tân đông B, thị trấn Thanh Bình, huyện Thanh Bình, tỉnh Đồng Tháp

Điện thoại liên lạc : 0979.101.753

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

2008 – 2012 : Sinh viên Trường Đại học Cần Thơ, chuyên ngành cầu đường 2014 – 2015 : Học viên cao học Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm

Trang 16

PHỤ LỤC

Trang 17

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Lún lệch hay còn gọi lún tương đối là chuyển vị thẳng đứng không đều gây nên sự chênh lệch không đồng bộ Tất cả công trình xây dựng đều bị lún, miễn trong giới hạn cho phép Tiêu chuẩn và quy phạm xây dựng định sẵn độ lún tối đa cho phép cho từng loại công trình (phần lớn từ 8 – 30cm) Ngoài trị số độ lún tuyệt đối, còn quy định lượng chênh lệch tối đa cho phép về độ lún tương đối của các điểm trong nền, độ nghiêng…

Thực tế hiện nay, một số công trình cầu đường trong quá trình đưa vào khai thác sử dụng đã và đang tồn tại hiện tượng khá phổ biến là lún lệch đường dẫn vào cầu (lún không đều tại vị trí tiếp giáp giữa đường dẫn và mố cầu) Sự lún lệch này là trở ngại lớn trong quá trình phương tiện lưu thông, là nguyên nhân làm cho người tham gia giao thông cảm thấy khó chịu khi xe vào cầu, xốc đột ngột cũng rất dễ dẫn đến tai nạn ngoài ý muốn Có nhiều tác giả đã nghiên cứu vấn đề này cũng như đưa ra giải pháp để khắc phục hiện tượng lún lệch theo hướng giảm trọng lượng bản thân nền đắp cao hoặc gia cố nền đất yếu bên dưới nền đắp Tuy nhiên, vẫn chưa thể tối ưu hóa được vì nhiều yếu tố, cần tìm hiểu sâu để đưa ra phương pháp hiệu quả

và hợp lý nhất Vì vậy, việc “Nghiên cứu giải pháp sử dụng cột ximăng đất để

gia cố nền đất yếu bên dưới kết hợp đắp vật liệu có tải trọng nhẹ” để xử lý lún

lệch đường dẫn vào cầu là hết sức cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

So sánh độ lún đường dẫn vào cầu giữa phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis Từ đó rút ra sự tương quan giữa chúng

Nghiên cứu độ lún chênh lệch giữa mố cầu và đường dẫn vào cầu sau khi đắp nền đường và sau 15 năm đưa vào sử dụng

3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Phân tích cơ sở lý thuyết, đánh giá về phương pháp sử dụng cột ximăng đất

để gia cố nền đất yếu bên dưới kết hợp đắp vật liệu có tải trọng nhẹ cho công trình

Trang 18

- 2 - đường dẫn vào cầu Ba Láng ở Thành Phố Cần Thơ

Phân tích mô phỏng đường dẫn vào cầu và mố cầu bằng phần mềm Plaxis để

kiểm tra ổn định

4 Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

Rút ra được sự tương quan của độ lún đường dẫn vào cầu giữa phương pháp giải tích và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis

Ứng dụng để tính toán ổn định cho công trình có giải pháp thiết kế tương tự

Đồng bằng sông Cửu Long có cấu tạo địa chất là vùng đất yếu nên nơi tiếp giáp của đường dẫn vào cầu và mố cầu có độ lún lớn do đoạn đường dẫn vào cầu thường đắp cao Sử dụng phương án cột ximăng đất để gia cố nền đất yếu bên dưới kết hợp đắp vật liệu có tải trọng nhẹ để khắc phục được sự lún không đều giữa đường dẫn vào cầu và mố cầu Từ đó đưa ra giải pháp vừa đạt yêu cầu kỹ thuật vừa hiệu quả kinh tế cao

5 Phạm vi nghiên cứu và hạn chế của đề tài

Chỉ nghiên cứu đến trường hợp tải trọng tĩnh, chưa tính đến trường hợp động đất và các yếu tố chất lượng của cột ximăng đất

Chưa xét trong trường hợp đóng cột đất làm xáo động vùng đất yếu dưới nền đắp Do xáo động sẽ phá hoại kết cấu nguyên trạng dẫn đến độ lún tổng cộng tăng lên

Các số liệu về công trình thực tế còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu chỉ đại diện cho một khu vực nhất định, chưa thể đại diện cho cả khu vực phía Nam

Trang 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ LÚN

LỆCH ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU

1.1 Tổng quan về hiện tượng lún lệch đường dẫn vào cầu

Lún đường dẫn vào cầu đắp trên đất yếu là hiện tượng phổ biến và phức tạp, không chỉ riêng tại Việt Nam mà ngay cả các quốc gia phát triển như: Nhật Bản, Trung Quốc, Đức, Pháp Kết quả điều tra gần đây cho thấy khoảng 25% công trình cầu của Hoa Kỳ cũng đang gặp vấn đề tương tự Điểm khác biệt là tại các công trình cầu ở Việt Nam độ lún lệch giữa cầu và đường có quy mô lớn hơn, thời điểm bắt đầu xảy ra hiện tượng lún lệch cũng sớm hơn Việc xuất hiện lún lệch là không thể tránh được nhưng làm sao để không ảnh hưởng lớn đến điều kiện khai thác của công trình cầu là một vấn để cần được quan tâm thích đáng Sau các nghiên cứu, đánh giá, các chuyên gia đưa ra nhận định về những nguyên nhân có thể gây lún nền đường đắp cao kề giáp với mố cầu Cụ thể là do lún nền đất tự nhiên, lún do chính bản thân nền đắp, hệ thống thoát nước, mật độ giao thông, chu trình nhiệt độ, lún do sự khó khăn trong đầm nén đất đắp sát mố và tường cánh dẫn đến hậu quả sau một vài năm khai thác đã xuất hiện lún gây ra sự chênh cao giữa mặt đường và mố cầu

Lún nền đường đầu cầu dẫn đến sự thay đổi đột ngột cao độ tại khu vực tiếp giáp nền đường và mố cầu, tạo thành điểm gãy trên trắc dọc tuyến đường, thậm chí tạo thành những hố (rãnh) lún sâu sát mố cầu Chúng ta thường dễ nhận biết hiện tượng nẩy xe ở đường dẫn vào các cầu, hiện tượng này làm giảm năng lực thông hành, gây hỏng hóc phương tiện, hàng hóa, phát sinh tải trọng xung kích phụ thêm lên mố cầu, tốn kém cho công tác bảo dưỡng, gây cảm giác khó chịu cho người tham gia giao thông và làm mất an toàn giao thông

Tại Việt Nam, vấn đề này đang là một chủ đề được tranh luận khá nhiều trên các diễn đàn kỹ thuật, nhưng rất tiếc là cho đến nay vẫn chưa có một hướng dẫn chi tiết về thiết kế và thi công cho hạng mục quan trọng này được ban hành bởi các cơ quan có thẩm quyền, để tạo hành lang pháp lý cho các kỹ sư thiết kế, chủ đầu tư, quản lý dự án và tư vấn giám sát, nhà thầu thi công thực thi trong các dự án cụ thể

Tại Hoa Kỳ đã có rất nhiều đề tài tập trung phân tích các nguyên nhân với

Trang 20

- 4 - các điều tra sâu rộng và kỹ lưỡng, thực hiện bởi các chuyên gia có uy tún, các trường Đại học và các cơ quan quản lý giao thông Sau các đề tài này, hệ thống tiêu chuẩn thiết kế và các bản vẽ điển hình đã được cập nhật lên mạng để giúp các kỹ sư tránh hoặc giảm thiểu tác hại của vấn đề này

Tại Cộng hòa Pháp, đã có những nghiên cứu đánh giá về xử lý đoạn đường đắp cao đầu cầu nhằm đảm bảo sự thoải mái cho người sử dụng, đảm bảo an toàn giao thông, bảo vệ ổn định nền đường đắp cao đầu cầu và bảo vệ công trình cầu

Tại Cộng Hòa Liên Bang Đức, người ta không quá quan tâm đến mức độ chênh lệch lún giữa nền đường và cầu nhưng yêu cầu phải gia tải trước đoạn nền đường đầu cầu, cống rất nghiêm ngặt, khống chế cả độ lún cố kết và lún từ biến Trong “Quy phạm xây dựng đường trên đất yếu” ban hành năm 1990 của Bộ Giao Thông Vận Tải Đức đã quy định về việc gia tải trước như sau: Chiều cao gia tải trước và thời gian tác dụng phải bảo đảm trong suốt thời kỳ vận hành khai thác đường không làm cho đất yếu phải chịu tải quá tình trạng ban đầu dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và tải trọng xe chạy

Tại Trung Quốc, đã có những tài liệu nghiên cứu về đặc điểm khu vực nền đường đầu cầu và hai bên cống như sau: Thường là nền đắp cao, diện tích thi công hẹp, khó triển khai các loại máy lu lớn để đầm nén; Thi công nền đường sau khi cầu đã làm xong nên thời gian ổn định ngắn; Nền mặt đường là kết cấu mềm nên trong quá trình sử dụng dễ biến dạng và lún, trong khi đó kết cấu cầu có độ cứng rất lớn, ít biến dạng, ít lún hoặc không lún

1.2 Các giải pháp xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu

Xu hướng rút ngắn khẩu độ cầu dẫn đến nền đắp tương đối cao tại mố cầu, tải trọng bản thân của khối đất đắp này trên nền đất yếu gây ra hiện tượng lún lệch giữa phần đường và mố Cho nên, cần có giải pháp tốt để xử lý nhằm ngăn chặn lún diễn ra tại vị trí này

Hiện nay, người ta thường chia công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu thành 2 loại: Loại chỉ tác động đến bản thân nền đắp và loại tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp

+ Các giải pháp công nghệ chỉ tác động đến bản thân nền đắp: Xây dựng nền đắp theo giai đoạn (vừa đắp vừa đợi); Xây dựng các bệ phản áp 2 bên nền đắp; Đắp gia tải trước để tăng nhanh lún; Giảm tải trọng của nền đắp: Đắp bằng vật liệu nhẹ

Trang 21

(polystyrene nở, lốp xe,…), đặt thêm các ống cống trong bản thân nền đắp; Tăng cường ổn định cho nền đắp bằng cách bố trí thêm các lớp vải hoặc lưới địa kỹ thuật ở đáy và thân nền đắp

+ Các giải pháp tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp: Thay toàn bộ hay một phần đất yếu bằng vật liệu đắp tốt (đệm cát, đệm đất, đệm đá – sỏi); Cải tạo nền đất bằng cọc tre, cọc tràm: Đây là phương pháp gia cố nền đất yếu hay dùng trong dân gian, thường chỉ dùng dưới móng chịu tải trọng không lớn; Cải tạo nền đất bằng cọc cát: Đây là phương pháp để làm ổn định nền đất yếu bằng cách thi công các cọc cát được đầm kỹ với đường kính lớn bằng quá trình lặp đi lặp lại rút hạ cọc ống thép được rung, phương pháp này tạo ra các ống mao dẫn làm giảm mực nước ngầm trong đất, làm chặt đất và cải thiện chỉ tiêu cơ lý của đất nền; Cải tạo nền đất bằng cột ximăng đất theo công nghệ phun ướt hoặc khô; Cố kết bằng hút chân không; Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm, đây là phương pháp kỹ thuật thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm kết hợp với gia tải trước

1.2.1 Giải pháp sử dụng cột ximăng đất để xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu 1.2.1.1 Vấn đề nghiên cứu về giải pháp cột ximăng đất (CDM) trên Thế giới và ở Việt Nam

Trên thế giới, từ rất lâu cột ximăng đất đã được dùng để cải tạo đất Cột ximăng đất (CDM) là trụ tròn bằng hỗn hợp đất – ximăng hay đất – vữa ximăng được chế tạo bằng cách trộn cơ học ximăng hoặc vữa ximăng với đất tại chỗ (in – situ), đặc điểm cột CDM:

+ Đường kính cột CDM thông thường từ 0,51m + Chiều sâu trộn lớn nhất từ 1633m

+ Hàm lượng ximăng sử dụng khi gia cố nền 80240Kg/m3 + Cường độ đất sau khi gia cố từ 10010000kPa

+ Tỷ lệ giữa diện tích đất gia cố / diện tích đất không gia cố as = 0,10,3 Phân loại theo chất kết dính (ximăng, vôi, thạch cao, tro bay…) và phương pháp trộn (khô/ướt, quay/phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt)

Phương pháp này nhằm cải thiện các đặc trưng của đất như: Tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún… bằng cách trộn đất nền với ximăng (vữa ximăng) để chúng tương tác với đất Sự đổi mới tốt hơn nhờ trao đổi ion tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các gạt đất và lấp các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học Tuy

Trang 22

- 6 - nhiên, hỗn hợp đất – ximăng sẽ đạt tốt nhất chỉ với một hàm lượng tới ưu của chất ninh kết Cho nên phải thí nghiệm thật kỹ để xác định hàm lượng tới ưu đó và hướng dẫn cụ thể khi tiến hành thi công tại hiện trường Tham khảo nhiều kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng các loại cột ximăng có thể áp dụng các vùng đất bùn yếu, có hệ số thấm bé, không áp dụng được các loại cột vật liệu rời [3]

Cột ximăng đất do nước Mỹ nghiên cứu đầu tiên thành công sau Đại chiến thế giới thứ 2, gọi là “Mixed – In – Place Pile” (gọi tắt là phương pháp MIP), khi đó dùng cột có đường kính 0,30,4m và dài 1012m Sự phát triển của công nghệ trộn sâu bắt đầu tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 1960 Trộn ướt dùng vữa ximăng làm chất gia cố được áp dụng thực tế ở Nhật từ giữa những năm 1970

Năm 1975, những bài báo về phương pháp trộn dưới sâu của các nhà khoa học Thụy Điển (Brom, Borman) và Nhật Bản (Okumura, Terashi) được trình bày trong Hội nghị Banlogore, Ấn Độ

Năm 1977, Nhật Bản lần đầu tiên sử dụng phương pháp trộn ximăng dưới sâu áp dụng trên thực tế

Năm 1986, phương pháp trộn dưới sâu được ứng dụng để gia cố nền đất yếu tại một số nơi ở Mỹ

Năm 1993, Hiệp hội DJM (Deep – Jet – Mixing: Phun trộn khô dưới sâu) của Nhật Bản xuất bản sách hướng dẫn những thông tin mới nhất thiết kế và thi công cột ximăng đất

Vào tháng 5 năm 1996 Hội nghị Quốc tế về phương pháp trộn dưới sâu được tổ chức taị Nhật Bản và vào tháng 11 năm 1999 Hội nghị Quốc tế về phương pháp trộn phun khô được tổ chức tại Thụy Điển

Nước ứng dụng công nghệ cột ximăng đất nhiều nhất là Nhật Bản và các nước vùng Scandinaver Theo thống kê của Hiệp hội CDM (Nhật Bản), tính chung trong giai đoạn 1980 – 1996 có 2345 dự án, sử dụng 26 triệu m3 Riêng từ năm 1977 – 1993, lượng đất gia cố bằng ximăng ở Nhật vào khoảng 23,6 triệu m3 cho các dự án ngoài biển và trong đất liền với khoảng 300 dự án Hiện nay, hằng năm thi công khoảng 2 triệu m3

Tại Trung Quốc, công tác nghiên cứu bắt đầu từ năm 1970, tổng khối lượng xử lý bằng cột ximăng đất ở Trung Quốc cho đến nay vào khoảng hơn 1 triệu m3

Trang 23

Tại Việt Nam, phương pháp này được nghiên cứu từ những năm đầu thập kỷ 80 với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI) với một thiết bị thi công, do TS Nguyễn Trấp làm chủ trì Đề tài được đúc kết vào năm 1986, thiết bị được chuyển giao cho LICOGI

Vào năm 2000, do yêu cầu thực tế, phương pháp này được ứng dụng trở lại Trong thời gian này nhiều thí nghiệm hiện trường (quan trắc công trình) đã được thực hiện

Năm 2001, tập đoàn Hercules của Thụy Điển hợp tác với Công ty cổ phần phát triển kỹ thuật xây dựng (TDC) thuộc Tổng công ty xây dựng Hà Nội đã thi công xử lý nền móng cho 8 bể chứa xăng dầu có đường kính 21m, cao 9m (dung tích 3000 m3 / bể) của công trình Tổng kho xăng dầu Cần Thơ bằng cột ximăng đất

Năm 2002, đã có một số dự án ứng dụng cột CDM vào xây dựng các công trình trên đất yếu, cụ thể như: Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cột CDM có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu ở Cần Thơ

Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet – Grounting) từ Nhật Bản và nhiều đề tài nghiên cứu về cột ximăng đất đã được đặt ra nhằm ứng dụng để xử lý nền đất yếu, chống thấm cho các công trình thủy lợi, tường vây… Nhóm đề tài cũng đã sửa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An)

Những năm gần đây, nhiều công trình ứng dụng CDM như: Dự án khách sạn Sanouva, Quận Hải Châu, TP Đà Nẵng; Gia cố nền đường khu tái định cư Bình Khánh, Quận 2, TP.HCM; Xử lý nền sân bay Cát Bi, TP Hải Phòng; Thi công xử lý nền đường đầu cầu Ông Buông 1, TP.HCM; Xử lý, gia cố nền đường đầu cầu Trần Thị Lý, TP Đà Nẵng…

Trang 24

Mô hình cấu tạo của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cột ximăng đất cho đường đắp cao đầu cầu thường gặp như hình 1.2

Hình 1.2 Mặt cắt ngang đường dẫn vào cầu được xử lý bằng cột ximăng đất

Trang 25

1.2.1.3 Phương pháp bố trí cột ximăng đất

Tùy theo mục đích sử dụng mà lựa chọn phương pháp bố trí cột CDM hợp lý Để giảm độ lún thì bố trí cột đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông Để làm tường chắn thường tổ chức thành dãy, có thể tham khảo một số cách bố trí sau:

Hình 1.3 Bố trí cột trộn khô 1 Dải 2 Nhóm 3 Lưới tam giác 4 Lưới vuông

Hình 1.4 Bố trí khối trùng nhau

Hình 1.5 Bố trí cột trộn ướt trên mặt đất 1 Kiểu tường 2 Kiểu ô kẻ 3 Kiểu khối 4 Kiểu diện

Hình 1.6 Thí dụ bố trí cột trộn ướt trên biển 1 Kiểu khối 2 Kiểu tường 3 Kiểu kẻ ô 4 Kiểu cột 5 Cột tiếp xúc

6 Tường tiếp xúc 7 Kẻ ô tiếp xúc 8 Khối tiếp xúc

Trang 26

- 10 -

1.2.1.4 Công nghệ thi công cột ximăng đất

Cột ximăng đất được thi công tạo thành theo phương pháp khoan trộn sâu Dùng máy khoan và các thiết bị chuyên dùng (cần khoan, mũi khoan…) khoan vào đất với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế Đất trong quá trình khoan không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà sẽ được các cánh mũi khoan phá vỡ kết cấu, nghiền tơi trộn đều với ximăng (đôi khi có thêm phụ gia và cát)

Ở Việt Nam phổ biến hai công nghệ thi công cột ximăng đất là: + Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing): Trộn ximăng khô với đất có hoặc không có chất phụ gia

+ Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay Jet – grouting) của Nhật Bản: Bơm trộn vữa ximăng với đất có hoặc không có chất phụ gia

Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet – grouting: đầu tiên là công nghệ S, tiếp theo là công nghệ T, và gần đây là công nghệ D

+ Công nghệ đơn pha S: Công nghệ đơn pha tạo ra các cột ximăng đất có đường kính vừa và nhỏ 0,4 – 0,8m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công nền đất đắp, cọc

+ Công nghệ hai pha D: Công nghệ hai pha tạo ra các cột ximăng đất có đường kính từ 0,8 – 1,2m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công các tường chắn, cọc và hào chống thấm

+ Công nghệ ba pha T: Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo trộn đất Công nghệ T sử dụng để làm các cọc, các tường ngăn chống thấm, có thể tạo ra cột Soilcrete đường kính đến 3m

Tiêu chuẩn thiết kế: Áp dụng tiêu chuẩn thiết kế – Thi công – Nghiệm thu cột ximăng đất là TCXDVN 385 – 2006 “Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cột ximăng đất” do Viện Khoa học Công nghệ Xây Dựng – Bộ Xây Dựng biên soạn ban hành theo Quyết định số 38/2006/QĐ – BXD ngày 27 tháng 12 năm 2006 [15]

1.2.1.5 Trình tự thi công cột ximăng đất

Thi công cột ximăng đất cải tạo nền đất yếu dưới đường dẫn vào cầu có thể theo các bước sau đây:

+ Định vị và đưa thiết bị thi công vào vị trí thiết kế + Khoan hạ đầu phun trộn xuống đáy khối đất cần gia cố + Bắt đầu quá trình khoan trộn và kéo dần đầu khoan lên đến miệng lỗ

Trang 27

+ Đóng tắt thiết bị thi công và chuyển sang vị trí mới

+ Đầu trộn quay và trộn đều ximăng với đất + Đóng tắt thiết bị thi công và chuyển sang vị trí mới

Hình 1.7 Thiết bị thi công cột ximăng đất

Trang 28

- 12 -

Hình 1.8 Cột ximăng đất sau khi đã thi công xong

1.2.1.6 Ưu và khuyết điểm cột ximăng đất 1.2.1.6.1 Ưu điểm

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cột ximăng đất có ưu điểm:

+ Khả năng xử lý sâu (50m), rất thích hợp cho công tác xử lý nền, xử lý móng cho các công trình ở khu vực như bãi bồi ven sông, ven biển

+ Chất lượng cao: Quá trình trộn lẫn đều, đồng nhất tạo ra cột ximăng đất trong nền đất với hiệu quả cao Dễ dàng san phẳng mặt bằng công trình, làm sạch đầu cột

+ Thích hợp với các loại đất (từ cát thô cho đến bùn yếu) + Thi công được trong cả điều kiện ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, thời gian thi công nhanh, kỹ thuật thi công không quá phức tạp, không có yếu tố rủi ro cao, hạn chế ô nhiễm

+ Cột ximăng đất không bị phình trướng sau khi thi công + Biến dạng nền đất gia cố nhỏ vì vậy giảm thiểu ảnh hưởng của lún đối với các công trình lân cận, tăng cường sức kháng cắt ổn định nền móng công trình

+ Dễ dàng điều chỉnh cường độ bằng cách điều chỉnh hàm lượng ximăng khi thi công

+ Trong nhiều trường hợp đã mang đến hiệu quả về mặt kinh tế đáng kể

1.2.1.6.2 Khuyết điểm

+ Việc làm chủ công nghệ hầu như do nước ngoài thực hiện

Trang 29

+ Vì là công nghệ mới nên tiêu chuẩn Việt Nam hướng dẫn chưa thực sự hoàn chỉnh

+ Các công trình đã thực hiện chủ yếu được thiết kế bằng các quy trình của nước ngoài như: Thụy Điển, Trung Quốc, Nhật Bản…

1.2.2 Giải pháp đắp vật liệu tải trọng nhẹ để xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu

Năm 1964, Cục khai hoang của Mỹ đã đưa ra tài liệu được biết đến lần đầu tiên của việc kiểm soát vật liệu có cường độ thấp (Controlled Low Strengh Material – CLSM) Vật liệu này được gọi là nhựa xi măng đất, được sử dụng làm bệ đỡ ống dẫn trên 320 dặm (515Km) của dự án sông Aquiduct (Canada) phía bắc Texas Từ đó, CLSM trở thành vật liệu phổ biến cho các dự án như : San lấp công trình, chân nền móng, nền vỉa hè, bệ đỡ đường ống

Hình 1.9 CLSM dùng làm bệ đỡ ống dẫn dầu

CLSM có khả năng tự chặt lại, được sử dụng chủ yếu như khối đất đắp thay cho lớp đất đã được đầm chặt CLSM được định nghĩa là một loại vật liệu có cường độ chịu nén khoảng 8MPa hoặc nhỏ hơn Nhưng hầu hết các CLSM được ứng dụng có cường độ chịu nén khoảng 1,4MPa, cho phép có thể đào lên trong tương lai khi cần thiết

CLSM bao gồm nước, xi măng portland, cốt liệu và tro bay hợp nhất với nhau Là một loại chất lỏng với độ sụt khoảng 254mm Năm 1979, Bộ giao thông vận tải Iowa đã sử dụng CLSM để sửa chữa hơn 40 cầu kém chất lượng bằng cách chuyển đổi chúng vào đường cống, lấp vào nhưng khoảng trống lớn trong đường

Trang 30

- 14 - hầm và cống thoát nước cũ Trong dự án Milwaukee, 635m3 CLSM được đưa vào một đường hầm cũ

Thành phần của CLSM khác nhau ở loại cốt liệu Ở Nhật đã dùng rơm làm cốt liệu của CLSM, dùng vụn cao su từ lốp xe làm cốt liệu

1.2.2.2 Sử dụng vật liệu nhẹ đất trộn cao su để đắp cao đường dẫn vào cầu [8] 1.2.2.2.1 Vấn đề nghiên cứu trộn cao su vào đất trên Thế giới

a) Ứng dụng vào đường cao tốc và đất đắp

Ứng dụng kỹ thuật xây dựng cho lốp xe phế liệu bao gồm lớp đất đắp có tải trọng nhẹ, đất đắp thông thường, tường chắn và mố cầu, lớp cách nhiệt, và các ứng dụng thoát nước Việc sử dụng lốp xe phế liệu như lớp đất đắp có tải trọng nhẹ trong kè, tường chắn có những ưu điểm sau đây: 1 Đối với xây dựng: Trọng lượng nhẹ, dễ thoát nước, áp lực đất thấp, cách nhiệt tốt, và bền vững; 2 Đối với môi trường: Giảm kho dự trữ của lốp xe phế liệu, dễ bị nguy hiểm cháy và y tế, và tiết kiệm không gian bãi rác và đất và 3 Kinh tế: Chi phí thấp, bảo tồn nguồn tài nguyên thiên nhiên tổng hợp và loại bỏ chi phí xử lý (Young et al 2003)

Với đoạn đường đắp đầu cầu trên đất mềm đòi hỏi yêu cầu về ổn định, cân nhắc đến sự ổn định và lún khi đường được xây dựng trên đất nén Nhằm giảm trọng lượng của đường cao tốc tại các điểm như trên thì các RLS được sử dụng thay thế cho những vật liệu thông thường

Xây dựng đường cao tốc đòi hỏi khối lượng lớn vật liệu xây dựng, do đó, cơ quan đường cao tốc tham gia thường xuyên trong các nỗ lực để tái chế và tái sử dụng các vật liệu phế thải Thích hợp sử dụng chất thải và sản phẩm bằng các vật liệu trong các ứng dụng giao thông vận tải đòi hỏi kinh nghiệm và kiến thức liên quan đến việc sử dụng các tài liệu này Tài sản của lốp xe chất thải như độ bền, sức mạnh, khả năng phục hồi, và khả năng chống ma sát cao giá trị quan trọng cho việc thiết kế bờ kè đường cao tốc RLS chất thải lốp xe với đất để xây dựng kè có thể không chỉ cung cấp phương tiện thay thế tái sử dụng lốp xe để giải quyết các mối quan tâm về kinh tế và môi trường, mà còn giúp giải quyết các vấn đề địa kỹ thuật kết hợp với sức chống cắt thấp (Zornberg et al 2004)

Vụn lốp xe trộn trong đất đã được sử dụng làm lớp đất đắp nhẹ như đoạn đường đắp đầu cầu và kết cấu chống đỡ trong nhiều tiểu bang Hoa Kỳ và bên ngoài nước Mỹ (Bosscher et 1997 al; Humphrey 1996; Humphrey et al 2000, Dickson et

Trang 31

al 2001; Zornberg et al 2004) Những nghiên cứu này cho thấy rằng việc sử dụng vụn lốp xe trong RLS đất có tính nén thấp hơn và sức chống cắt cao Đoạn đường đắp đầu cầu được xây với các RLS đất và mảnh vụn lốp có khả năng có dốc cao hơn bởi đắp có sức chống cắt cao và trọng lượng đơn vị thấp hơn Sườn bên dốc giảm khối lượng nguyên liệu cần thiết Ngoài ra, do sử dụng vật liệu nhẹ, lún của đất nền được giảm xuống (Tatlisoz et al 1998)

b) Lớp lót nền đất

Mảnh vụn lốp xe và mảnh vụn thô có thể là một thay thế cho vật liệu dạng hạt trong xây dựng bãi chôn lấp lốp xe được cắt nhỏ có thể được sử dụng như một vật liệu thoát nước, chất xử lý để lọc nước, (Benson 1995, Geosyntec Tư vấn năm 1997, 1998) Hơn nữa, lốp xe phế liệu có thể hấp thụ các chất độc hóa học hữu cơ thường có trong nước thải Như vậy, bằng cách sử dụng lốp xe phế liệu trong một hệ thống chứa nước thải sẽ hiệu quả hơn vì nước được lọc dễ dàng hơn và được xử lý trước

Hình 1.10 Hạt cao su trong đất

Hình 1.11 Khoảng không giữa hạt cao su và đất

Trang 32

Hình 1.12 Cấu trúc của polyisopren và cấu trúc của cao su thiên nhiên

Mạch đại phân tử của cao su thiên nhiên được hình thành từ các mắt xích isopren đồng phân cis liên kết với nhau ở vị trí 1,4 Cao su là hợp chất cao phân tử mà mạch phân tử của nó có chiều dài lớn hơn rất nhiều so với chiều rộng và được cấu tạo từ một loại hoặc nhiều loại mắt xích có cấu tạo hoá học khác nhau được lặp đi lặp lại nhiều lần

Cao su là loại vật liệu có tính chất vô cùng quý giá Khác với các vật thể rắn, cao su có độ bền cơ học thấp, nhưng biến dạng đàn hồi lớn hơn nhiều lần Khác với các chất lỏng được đặc trưng bởi độ bền cơ học rất nhỏ và đại lượng biến dạng đàn hồi thấp RLS cao su là một hệ thống dị thể nhiều cấu tử Cũng như các hệ thống hoá học khác, các tính chất cơ, lý, hoá đặc trưng cho hợp phần cao su phụ thuộc vào bản chất hoá học các cấu tạo, kích thước hay mức độ phân tán các cấu tử trong khối

cao su

b) Tính chất cơ lý của cao su

Cao su thiên nhiên có trọng lượng riêng khoảng 0,92g/cm3 và còn tùy thuộc vào khối lượng và thể tích của cao su lưu hóa

Cao su lưu hóa có khả năng chịu được biến dạng rất lớn và sau đó trở về trạng thái ban đầu một cách dễ dàng

Nếu nhiệt độ giảm xuống - 8000C thì cao su sẽ mất hết tính đàn hồi

c) Nhận xét

Với những đặc tính như trên, việc sử dùng cao su như là một loại cốt liệu để cải thiện các tính chất của đất, khiến cho đất có nhưng ứng xử như cao su với đặc

Trang 33

tính đàn hồi cao, khả năng hồi phục biến dạng sau khi bị ngoại lực tác dụng và làm giảm trọng lượng của lớp đất đắp xuống nền đường

1.2.2.2.3 Ảnh hưởng của đất trộn cao su

a) Khối lượng và tỷ trọng của RLS

Trọng lượng riêng của từng mảnh lốp xe từ 1,02 đến 1,36 tùy thuộc vào số lượng của dây đai thủy tinh hoặc dây thép trong lốp xe (Edil và Bosscher 1994, ASTM 1998) Hiệu quả của năng lượng nén chặt trên đơn vị trọng lượng của RLS vụn lốp xe – đất chỉ đạt yêu cầu khi hàm lượng vụn lốp xe ít hơn 20% tính theo trọng lượng RLS (Yoon et al 2005)[19]

b) Cường độ cắt của RLS vụn cao su – cát trong thí nghiệm cắt trực tiếp

Ahmed (1993), Humphrey et al (1993), Edil và Bosscher (1994), và Foose et al (1996) đã thu được kết quả rằng cát có thể được tăng cường bằng cách sử dụng vụn lốp xe Những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc thêm vụn lốp xe làm tăng sức chống cắt của cát, với góc ma sát lớn khoảng 65o thu được RLS cát chứa khoảng 30% khối lượng là vụn lốp xe

Sức chống cắt của một RLS chất thải lốp xe – đất chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các ứng suất, tỷ lệ vụn lốp xe – đất và mật độ của RLS Trong RLS vụn lốp xe và cát, vụn lốp xe có tác dụng củng cố RLS (Edil và Bosscher 1992; Ahmed 1993; Foose 1993; Edil và Bosscher 1994; et al Bernal 1996; Hataf và Rahimi 2005), Humphrey et al (1993), Foose et al (1996), Wu et al (1997), Tatlisoz et al (1998), Edincliler et al (2004), Grazavi và Sakhi (2005), và Attom (2006) đã kết luận rằng cát có thể được tăng cường bằng cách sử dụng chất thải lốp xe Những nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc thêm vụn lốp xe làm tăng sức chống cắt của cát với góc ma sát lớn khoảng 54°, với 30% trọng lượng là vụn lốp xe Góc ma sát tương ứng của

cát là chỉ có 34° [1]

c) Theo Yun Tae Kim và Hai Do Thanh [5]

Đánh giá tác dụng của cao su trên trọng lượng thể tích và cường độ của RLS, cao su đã được thống nhất trộn với RLS đất ở năm hàm lượng khác nhau (0, 25, 50, 75 và 100%) Để nghiên cứu trọng lượng thể tích, quan hệ giữa ứng suất – biến dạng, sức chống cắt, module biến dạng, mỗi mẫu đã được bảo dưỡng trong 7 và 28 ngày

Trang 34

- 18 -

+ Trọng lượng riêng:

Trọng lượng thể tích lớn cũng là một trong những đặc tính quan trọng trong RLS này Kim et al (2008, 2010b) cho thấy từ kết quả thực nghiệm, hàm lượng nước có ảnh hưởng tương đối nhỏ đến các trọng lượng thể tích giảm nhẹ với sự gia tăng hàm lượng nước Các khối lượng thể tích lớn các RLS Kết quả thử nghiệm cho thấy giá trị của đơn vị trọng lượng lớn tuyến tính giảm 15,1 – 12,1kN/m3 như hàm lượng cao su tăng từ 0 đến 100% vì trọng lượng riêng của cao su là 5kN/m3 Nguyên liệu san lấp mặt bằng bình thường có trọng lượng đơn vị số lượng lớn dao động từ 18 – 20kN/m3 So sánh dung trọng riêng của RLS và vật liệu san lấp mặt bằng bình thường, tính năng nhẹ này đặc biệt thuận lợi với những vùng nền đất yếu và giảm thiểu được khối lượng đất đắp Ngoài lợi thế về trọng lượng nhẹ, nó cũng có hiệu quả như một lớp cách nhiệt, cách ly với môi trường bên trên và giảm nhẹ sự va chạm đối với các vật liệu lấp

+ Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm nén đơn nở hông:

Các ứng suất nén của RLS có xu hướng gia tăng cùng với sự gia tăng biến dạng trục lên đến đỉnh của ứng suất nén Sau khi đạt đến đỉnh điểm ứng suất, biến dạng làm mềm xảy ra, và ứng suất nén không nở hông giảm với sự gia tăng biến dạng trục Cường độ kháng nén và độ dốc ban đầu của đường cong ứng suất biến dạng của RLS giảm với sự gia tăng trong các hàm lượng cao su Cường độ nén giảm như thế có thể được gây ra bởi các hạt cao su, gây mất ma sát trong RLS

1.3 Nghiên cứu của một số tác giả sử dụng cột ximăng đất để xử lý lún lệch giữa đường dẫn vào cầu và mố cầu

Các nghiên cứu về cột ximăng đất để xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu và mố cầu ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long đã cho thấy lợi ích của việc sử dụng

nó Sau đây là nghiên cứu của một số tác giả:

- Tác giả [9] Phan Đức Toàn đã nghiên cứu giải pháp dùng cột ximăng đất để gia cố nền đất yếu dưới đường dẫn vào cầu khu vực Cần Thơ

+ Kết quả thu được: Độ lún tổng cộng khu vực gia cố cột ximăng đất là 41,43cm

+ Nhận xét và kết luận: Trường hợp đất yếu tại Cần Thơ nên chọn loại ximăng địa phương để thi công công nghệ cột ximăng đát vì lý do kinh tế, hàm lượng tối ưu nên xem xét lựa chọn 200 – 250kg/m3 Giải pháp xử lý nền bằng cột

Trang 35

ximăng đất cho phép tăng chiều cao đắp đảm bảo sự ổn định công trình, khống chế độ lún nhỏ

+ Kiến nghị: Nên bố trí chiều dài cột thay đổi theo phương ngang đường Cột ximăng đất là phương pháp thích hợp để xử lý nền đất yếu dưới đường dẫn vào cầu, có thể gia cố làm giảm đáng kể độ lún của công trình và gia cường mái dốc

- Tác giả [6] Huỳnh Văn Hưng đã nghiên cứu giải pháp dùng cột ximăng đất để gia cố nền đất yếu dưới đường dẫn vào cầu Bình Thủy 2 – Cần Thơ

+ Nhận xét và kết luận: Kết quả tính toán lún theo phương đứng bằng giải tích so với phần mềm Plaxis có sự chênh lệch 32% (Sgt = 37,50cm ; SPlaxis = 25,50cm) Đối với nền đường đắp cao 5m có thể tăng khoảng cách giữa các cột, phương án này tiết kiệm khối lượng cột ximăng đất mà nền vẫn đảm bảo

+ Kiến nghị: Nên ứng dụng Plaxis để tính toán bài toán gia cố nền đất yếu bằng cột ximăng đất, phương pháp này có độ chính xác cao, tiết kiệm chi phí Nên kết hợp với trải vải địa kỹ thuật cường độ cao trên đỉnh các cột nhằm mục đích phân bố tải trọng nền đường lên các cột, đồng thời tránh hiện tượng lún cục bộ thân nền đường tại vị trí giữa các cột, tăng thêm độ ổn định theo phương ngang của nền đường

- Tác giả [10] Phạm Lê Thanh đã nghiên cứu giải pháp dùng cột ximăng đất để xử lý lún lệch giữa đường dẫn vào cầu và mố cầu khu vực Cần Thơ

+ Nhận xét và kết luận: Sử dụng giải pháp cột ximăng đất là giải pháp quản lý được độ chênh lệch lún và tăng cường ổn định cho nền đường dẫn, cắt giảm áp lực ngang lên cọc của mố vá áp lực ngang tác dụng lên mố cầu Độ lún theo kết quả giải tích và phương pháp phần tử hữu hạn cho giá trị gần bằng nhau và độ chênh lệch lún không đáng kể

+ Kiến nghị: Phương pháp gia cố nền đường dẫn bằng cột ximăng đất không làm tăng dộ cố kết của nền đất bên dưới, cần đặt ra yêu cầu kiểm tra đo đạc thực tế về sự thay đổi độ cố kết của nền đất yếu trước và sau khi gia cố Cần thực hiện thêm

Trang 36

- 20 - thí nghiệm ngoài hiện trường để đối chiếu lại thí nghiệm trong phòng để có thông số đầu vào đáng tin cậy hơn

1.4 Phạm vi sử dụng thông thường của các giải pháp công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu

Xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: Giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số môđun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất…

Đối với công trình thủy lợi, việc xử lý nền đất yếu còn làm giảm tính thấm của đất, đảm bảo ổn định cho khối đất đắp

Các biện pháp xử lý nền thông thường: - Các biện pháp cơ học: Bao gồm các phương pháp làm chặt bằng đầm, đầm chấn động, phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc đất, cọc vôi…), phương pháp thay đất, phương pháp nén trước, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát…

- Các biện pháp vật lý: Gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm…

- Các biện pháp hóa học: Gồm các phương pháp keo kết đất bằng xi măng, vữa xi măng, phương pháp Silicat hóa, phương pháp điện hóa…

1.5 Các tiêu chí và nguyên tắc xử lý lún lệch đường dẫn vào cầu 1.5.1 Các tiêu chí để lựa chọn giải pháp áp dụng cho một công trình cụ thể

Điều kiện về vật liệu, thiết bị, tay nghề có khả năng thực hiện tại chỗ: Ngoài có các thiết bị chuyên dùng (như thiết bị thi công bấc thấm, giếng cát, khoan và phun trộn đất gia cố xi măng, vôi, ) còn phải chú trọng khả năng cung cấp vật liệu đến công trường

Quá trình thi công có tác động đến môi trường xung quanh cần phải xét đến: + Điều kiện về giải phóng mặt bằng: khi áp dụng giải pháp đắp bệ phản áp + Điều kiện giao thông địa phương qua lại dưới hoặc trên công trình nền đắp + Khả năng gây chấn động, bụi trong quá trình thi công gần khu dân cư + Trong quá trình thi công phải xét đến yếu tố ảnh hưởng đến nguồn nước, khả năng bảo vệ nguồn nước ngầm khi chọn giải pháp cột đất xi măng phun trộn ướt

Trang 37

Thời hạn thi công tối đa: Thông thường thời hạn thi công hạng mục nền đắp trên đất yếu chính là nằm trên đường găng của sơ đồ tổ chức thi công chung toàn bộ công trình Do vậy phải dựa trên cơ sở của một bản thiết kế tổ chức thi công tốt để xác định đúng thời hạn thi công hạng mục nền đắp trên đất yếu càng tốt Trong đó có xét thời gian chờ (chờ giữa các đợt đắp, chờ cố kết,…) và cả những yếu tố bất trắc

Các yêu cầu phục vụ cho việc khai khác sử dụng công trình lâu dài: + Đảm bảo nền đắp ổn định và có độ lún trong phạm vi cho phép + Hạn chế ảnh hưởng đến công trình lân cận

+ Hạn chế ảnh hưởng đến dòng chảy của nước mặt và nước ngầm + Khi chọn giải pháp cần đặc biệt chú trọng đến yêu cầu về hạn chế độ lún Về chi phí: Cần phải so sánh tổng chi phí phải chi trong quá trình thi công và chi phí phải bỏ ra sau khi đưa công trình vào sử dụng

1.5.2 Nguyên tắc xử lý nền đường dẫn vào cầu

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 Việc tính toán đánh giá phải được tiến hành riêng đối với từng đoạn có kích thước nền đắp và có các điều kiện cấu tạo tầng lớp đất yếu cũng như đặc trưng kỹ thuật các đất yếu khác nhau Khi phân tích

nên xét đến cả ảnh hưởng gây lún của nền đắp đối với các công trình hiện hữu

Căn cứ vào các tiêu chí nêu trên tiến hành so sánh kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn phương án có hợp lý, hiệu quả cho công trình

1.6 Nhận xét

Từ những vấn đề nêu trên cho thấy, có rất nhiều giải pháp để khống chế hiện tượng lún lệch đường dẫn vào cầu, tùy thuộc vào điều kiện thực tế tại các công trình mà ta chọn giải pháp sao cho đảm bảo về mặt kỹ thuật cũng như mang tính hiệu quả Có như thế mới giải quyết được vấn đề đang gặp bất cập hiện nay

Trang 38

- 22 -

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CỘT XIMĂNG ĐẤT KẾT HỢP ĐẮP VẬT LIỆU CÓ TẢI TRỌNG NHẸ ĐỂ XỬ LÝ

LÚN LỆCH ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán cột ximăng đất [12] 2.1.1 Tính toán khả năng chịu tải cột ximăng đất

Khả năng chịu tải của cột (CDM) bao gồm: - Khả năng chịu tải theo vật liệu

- Khả năng chịu tải theo đất nền - Khả năng chịu tải theo quan điểm hỗn hợp - Khả năng chịu tải của cột đơn và khả năng chịu tải của nhóm cột Các quy trình tính toán của Thụy Điển, Trung Quốc và Nhật Bản đều dựa trên công thức tính sức chịu tải của móng cọc, tuy nhiên cũng có một số thay đổi để phù hợp với cột ximăng đất

2.1.1.1 Khả năng chịu tải theo vật liệu a) Theo tiêu chuẩn gia cố cột ximăng đất Châu Âu

Cường độ chịu tải của vật liệu cột được xác định theo công thức sau:

Rc = 2.cu cột + 3.σh (2.1) Trong đó:

cu cột: Cường độ kháng cắt của vật liệu cột dự kiến 150kPa (theo hàm lượng chất gia cố dự định sử dụng, hàm lượng ximăng thực cần được kiểm tra trên các thí nghiệm hiện trường để thỏa mãn giá trị này)

σh: Giá trị ứng suất ngang tác dụng lên thành cọc (giá trị áp lực bị động) Chỉ số: Diện tích / cột = diện tích khu vực gia cố / số lượng cột

Tải trọng tác dụng vào cột: Là giá trị tải trọng phân bố trên 1m2 với diện tích / 1 cột, với giả thuyết ứng suất tác dụng không giảm theo chiều sâu, chỉ số ứng suất tác dụng lên cột bằng tải tác dụng lên cột chia diện tích của 1 cột

Hệ số an toàn là tỷ số của cường độ và ứng suất tác dụng lên cột (Fs > 1,2)

b) Theo DBJ 08 – 40 – 94 của Trung Quốc

Sức chịu tải theo cường độ vật liệu xác định theo công thức sau: Pa =  fcu AP (2.2)

Trang 39

Trong đó: Pa: Lực chịu tải cho phép cột đơn (kN)

fcu: Trị số bình quân cường độ kháng nén (kPa) của mẫu thử ximăng – đất trong phòng (khối lập phương với chiều dài cạnh là 70,7mm) có công thức phối trộn ximăng đất như của thân cột, 90 ngày tuổi và trong điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn

AP: Diện tích mặt cắt của cột (m2) : Hệ số triết giảm cường độ thân cột, có thể lấy 0,3 ~ 0,4

2.1.1.2 Khả năng chịu tải theo đất nền a) Theo cách xác định của Nhật Bản

Khả năng chịu tải trọng đứng giới hạn của cột CDM có thể được xác định bằng công thức sau:

Đối với đất cát: Rpu = 75.N AP (kN) (2.3)

Đối với đất sét: Rpu = 6.c.AP (kN) (2.4) Trong đó:

Rpu: Sức chịu tải giới hạn tại mũi cột CDM (kN)

N: Giá trị N trung bình trong phạm vi 1d trên dưới của mũi cột CDM (d là đường kính nhỏ nhất của cột CDM)

c: Lực dính của lớp đất sét (kN/m2) AP: Diện tích mũi cột (m2)

b) Theo DBJ 08 – 40 – 94 của Trung Quốc

Khả năng chịu tải của đất nền của cột đơn xác định theo công thức: Pa = Up.qsili + α.AP.qp (2.5) Trong đó:

Up: Chu vi của cột CDM (m) qsi: Lực ma sát cho phép của lớp đất thứ i xung quanh cột Đối với đất bùn có thể lấy 5 ~ 8kPa; Đối với đất lẫn bùn có thể lấy 8 ~ 12kPa; Đối với đất sét có thể lấy 12 ~ 15kPa; (T/m2)

li: Chiều dày lớp đất yếu thứ i trong phạm vi cột CDM (m) α: Hệ số triết giảm sức chịu tải ở mũi cột (0,40,6)

qp: Sức chịu mũi của cột, phụ thuộc vào độ sệt

c) Theo quan điểm hỗn hợp của Viện kỹ thuật Châu Á (AIT)

Khả năng chịu tải của cột ximăng đất được quyết định bởi sức kháng cắt của

Trang 40

- 24 - đất sét yếu bao quanh (đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cột ximăng đất (cột ximăng đất phá hoại) Loại phá hoại đầu phụ thuộc cả vào sức cản do ma sát mặt ngoài cột ximăng đất và sức chịu chân cột ximăng đất, loại sau còn phụ

thuộc vào sức kháng cắt của vật liệu ximăng – đất

Khả năng chịu tải giới hạn ngắn của cột ximăng đất trong đất sét yếu khi đất phá hoại được tính theo biểu thức sau:

Qgh, đất = (π.d.Hcột + 2,25πd2).Cu (2.6) Trong đó:

d: Đường kính của cột ximăng đất Hcột: Chiều dài cột ximăng đất Cu: Độ bền cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao quanh, được xác định bằng thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh và xuyên côn

Giả thiết là sức cản mặt ngoài bằng độ bền cắt không thoát nước của đất sét Cu và sức chịu ở chân cột ximăng đất tương ứng là 9Cu Sức chịu ở chân cột ximăng đất treo không đóng vào tầng nén chặt, thường thấp so với mặt ngoài Sức chịu chân cột ximăng đất sẽ lớn khi cột ximăng đất cắt qua tầng ép lún vào đất cứng nằm dưới có sức chịu tải cao Phần lớn tải trọng tác dụng sẽ truyền vào lớp đất ở dưới qua đáy của cột ximăng đất Tuy nhiên, sức chịu tải ở chân cột ximăng đất không thể vượt qua độ bền của bản thân cột ximăng đất

Trong trường hợp cột ximăng đất đã bị phá hoại trước thì các cột ximăng đất được xem như một lớp đất sét cứng nứt nẻ Độ bền cắt của hỗn hợp sét ở dạng cục hay hợp thể đặc trưng cho giới hạn trên của độ bền Khi xác định bằng thí nghiệm xuyên hay cắt cánh, giới hạn này vào khoảng từ 24 lần độ bền cắt dọc theo mặt liên kết khi xác định bởi thí nghiệm nén có nở hông

Hình 2.1 Sơ đồ phá hoại của đất dính gia cố bằng cột ximăng đất

Ccột: Lực dính kết của vật liệu cột ximăng đất