Lựa chọn công nghệ phù hợp khi xây dựng công trình ngầm theo kỹ thuật đào kín

Phạm Thanh Tùng Công ty CP Công trình ngầm Tóm tắt: Kỹ thuật đào kín Trenchless Technique/No-dig là một kỹ thuật được áp dụng phổ biến trong xây dựng công trình ngầm.. Việc lựa chọn c

Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

Hà Nội, 30/10/2009

Lựa chọn công nghệ phù hợp khi xây dựng công trình ngầm

theo kỹ thuật đào kín

TS Bùi Đức Chính

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

ThS Phạm Thanh Tùng

Công ty CP Công trình ngầm

Tóm tắt: Kỹ thuật đào kín (Trenchless Technique/No-dig) là một kỹ thuật được áp dụng phổ biến

trong xây dựng công trình ngầm Việc lựa chọn công nghệ thi công phù hợp trong kỹ thuật đào kín

đóng vai trò quan trọng đến sự thành công của các dự án xây dựng công trình ngầm, đặc biệt là

trong xây dựng công trình ngầm đô thị Bài báo này giới thiệu những kết quả nghiên cứu ban đầu

về xây dựng công trình ngầm theo kỹ thuật đào kín bao gồm: so sánh ưu nhược điểm của kỹ thuật

đào hở và kỹ thuật đào kín; tóm tắt về một số công nghệ thường dùng trong kỹ thuật đào kín; các

tiêu chuẩn lựa chọn công nghệ khi xây dựng công trình ngầm theo kỹ thuật đào kín

Abstract: Trenchless technique is a technique which is widely applied in underground structure

construction Choosing an appropriate construction technology plays an important role in the

success of an underground structure construction project, especially in urban underground

structures This article introduces the initial research results on the underground structure

construction using trenchless technique, including: comparison of the advantages and

disadvantages of trenchless technique and trench technique; summary of some kinds of

technologies often used in trenchless technique and standards to choose technology when

constructing underground structure by trenchless technology

1 Các công nghệ trong kỹ thuật đào kín

1.1 Các kỹ thuật xây dựng công trình ngầm

Cho đến nay có rất nhiều công nghệ thi công công trình ngầm khác nhau đã được áp dụng, song

có thể phân thành hai kỹ thuậ xây dựng chính là : kỹ thuật đào hở, còn gọi là đào lộ thiên/đào và lấp

(Trench Technique) và kỹ thuật đào kín (Trenchless Technique/No-dig) Mỗi kỹ thuật đều có những

phạm vi áp dụng thay đổi tuỳ theo rất nhiều yếu tố [1, 4, 6]

1.2 Kỹ thuật đào hở trong xây dựng công trình ngầm

Kỹ thuật đào hở là một thuật ngữ chỉ các công nghệ xây dựng công trình ngầm mà người ta xây

dựng công trình ngầm bằng cách đào từ mặt đất tự nhiên đến cao độ đáy công trình ngầm, thi công rồi

lấp phủ công trình ngầm Kỹ thuật này có những nhược điểm :

™ Kỹ thuật đào hở đòi hỏi khối lượng đào đắp rất lớn, phá vỡ cảnh quan khu vực xây dựng, đặc

biệt là khi công trình đặt khá sâu so với mặt đất;

™ Chiếm đất nhiều, ồn và dễ gây ách tắc giao thông (thực tế đã chứng minh có rất nhiều vấn đề

nảy sinh khi thi công hầm chui nút Kim Liên và hầm bộ hành ở nút Ngã Tư Sở: vấn đề ách tắc giao

thông, nhà dân sát với công trình thi công bị nghiêng, nứt…);

™ Trong đất sét yếu và đất bùn thì việc bảo đảm ổn định nền đất rất phức tạp;

™ Sự hạn chế trong khi vạch tuyến : phải bám theo các tuyến phố hiện hữu, đặc biệt bán kính

cong nhỏ khi xây dựng tuyến tàu điện ngầm, nếu công trình thi công sát với móng công trình hiện có

thì phải tiến hành gia cố chống đỡ những công trình này gây tốn kém;

™ Vấn đề giải phúng mặt bằng dành chỗ cho cụng trường xõy dựng, tổ chức lại cỏc tuyến giao thụng, ồn, chấn động…là những vấn đề kinh tế-xó hội khú giải quyết nhanh gọn để cụng trỡnh khởi cụng đỳng thời hạn

1.3 Kỹ thuật đào kớn trong xõy dựng cụng trỡnh ngầm

Khỏc với kỹ thuật đào hở, kỹ thuật đào kớn khụng đào từ trờn mặt đất xuống mà đào ngầm trong lũng đất để tạo ra cỏc hang đào, sau đú cụng trỡnh ngầm sẽ được xõy dựng ở trong cỏc hang đào này

Kỹ thuật này tỏ ra rất hiệu quả khi xõy dựng cỏc cụng trỡnh ngầm đụ thị đặt sõu, đặc biệt là khi xõy dựng cỏc cụng trỡnh ngầm cú mặt cắt ngang trũn hoặc hỡnh chữ nhật Tựy theo dạng cụng trỡnh là loại trọng lực hay loại ỏp lực mà lựa chọn cụng nghệ cho phự hợp

Hiện nay cú rất nhiều cụng nghệ trong kỹ thuật đào kớn Hỡnh 1 giới thiệu một cỏch phõn loại cỏc cụng nghệ trong kỹ thuật đào kớn Theo đú kỹ thuật đào kớn được phõn thành 3 nhúm cụng nghệ chớnh : (1) khoan đào ngang, (2) kớch đẩy, (3) sử dụng cỏc TBM [1, 3]

Kỹ thuật đào kín

Khoan guồng xoắn Khoan định hướng Microtunnelling Đóng ống

Có người Không người

Hỡnh 1 : Phõn loại cỏc cụng nghệ trong kỹ thuật đào kớn

Nhúm cỏc cụng nghệ khoan đào ngang bao gồm cỏc cụng nghệ trong đú việc đào hang được thực hiện nhờ cỏc thiết bị mỏy múc, khụng cho cụng nhõn vào bờn trong hang đào Nhúm này được chia thành [2, 3]:

™ Cụng nghệ khoan guồng xoắn (Auger Boring-AB);

™ Cụng nghệ khoan định hướng ngang (Horizontal Directional Drilling-HDD);

™ Cụng nghệ đào hầm nhỏ (MicroTunneling-MT);

™ Cụng nghệ đúng ống (Pipe Ramming-PR);

Cả hai cụng nghệ kớch đẩy (Pipe Jacking-PJ) và sử dụng mỏy đào hầm (Tunnelling Boring Machine-TBM) đều yờu cầu cụng nhõn vào bờn trong hang đào trong quỏ trỡnh đào đất và quỏ trỡnh thi

cụng Tuy nhiờn, cụng nghệ kớch đẩy khỏc với cụng nghệ TBM ở kết cấu chống đỡ thành hang đào Cụng nghệ kớch đẩy sử dụng những đoạn cụng trỡnh ngầm được chế tạo sẵn, cỏc đoạn cụng trỡnh ngầm mới được nối tiếp và đẩy vào trong đất nền nhờ hệ thống kớch đẩy đặt tại giếng điều khiển kết hợp với đào đất [1, 3, 5] Trong khi đú cụng nghệ TBM sử dụng cỏc thiết bị mỏy đào để đào đất, kết cấu chống

đỡ được thi cụng ngay tại bờn trong cụng trỡnh ngầm [4]

Một số ưu điểm của kỹ thuật đào kớn : Theo tổng kết qua nhiều cụng trỡnh thỡ kỹ thuật đào kớn cú khỏ nhiều ưu điểm

™ Về phương diện kỹ thuật :

♦ Hạn chế được mức tối thiểu việc đào cắt mặt bằng;

♦ Ít rủi ro về lún;

♦ Giảm đến tối thiểu việc chỉnh trang lại mặt bằng;

♦ Bề mặt hoàn thiện bên trong trơn nhẵn tạo ra các đặc tính dòng chảy tốt;

♦ Không đòi hỏi làm lớp vỏ công trình ngầm thứ hai;

♦ Ít mối nối so với các công trình ngầm lắp ghép;

♦ Ngăn chặn được sự xâm nhập của nước ngầm nhờ dùng các mối nối mềm kín nước;

♦ Giảm đáng kể về các chi phí xã hội so với kỹ thuật đào hở ở khu vực đô thị;

™ Lợi ích về an toàn của kỹ thuật đào kín : Kỹ thuật đào kín bao gồm các công nghệ thi công

luôn có tính an toàn cao hơn cho con người so với kỹ thuật đào hở Sau khi nghiên cứu rất nhiều các

công trình ngầm đã được xây dựng, Cục Sức khoẻ và An toàn (Hoa Kỳ) kết luận rằng kỹ thuật đào kín

ít xảy ra các nguy cơ tai nạn hơn so với kỹ thuật đào hở

™ Lợi ích về môi trường : So với kỹ thuật đào hở, việc sử dụng kỹ thuật đào kín sẽ đạt được

nhiều lợi ích thực sự về môi trường Nhìn chung, kỹ thuật đào kín giảm được lượng vật liệu đưa từ nơi

khác đến và lượng vật liệu cần chuyển đi Nhờ thế mà giảm bớt số lượt xe tải qua lại và ít gây nên xáo

động cho môi trường Một so sánh giữa hai kỹ thuật được nêu trong bảng 1

Nhưng kỹ thuật đào kín cũng có một số nhược điểm :

™ Đòi hỏi một đội ngũ thợ lành nghề và phải được đào tạo;

™ Không thể thay đổi nhanh được hướng tuyến hoặc cao trình đặt công trình ngầm, việc thao tác

hiệu chỉnh có thể là rất tốn kém;

™ Giá thành thiết bị TBM còn cao và vận hành liên tục của chúng còn bị hạn chế

Bảng 1.Một so sánh giữa kỹ thuật đào hở và kỹ thuật đào kín Đặc điểm

công trình ngầm

Đường kính D600, sâu 4m, dài 100m

Đường kính D1200, sâu 4m, dài 100m

Bề rộng hố đào (D

Khối lượng đào trên 1m

2 Tiêu chuẩn lựa chọn các công nghệ trong kỹ thuật đào kín

Có sáu tiêu chuẩn chính được xem xét liên quan đến việc sử dụng các công nghệ trong kỹ thuật

đào kín Các tiêu chuẩn này bao gồm: các điều kiện hiện trường, đường kính của công trình ngầm, độ

sâu đặt công trình ngầm, chiều dài thi công của công trình ngầm (từ giếng điều khiển đến giếng nhận),

các điều kiện về địa chất và mục đích sử dụng [2, 3]

2.1 Các điều kiện hiện trường

Tiêu chuẩn về các điều kiện hiện trường được xem xét để đánh giá mức độ khó khăn (theo kinh nghiệm) khi kỹ thuật đào hở được sử dụng Thí dụ như sự tồn tại các giao cắt giữa công trình ngầm và

sông suối, đường sắt, đường bộ…có thể là một trở ngại đối với việc sử dụng các kỹ thuật đào hở để thi công Trường hợp hướng tuyến của các công trình ngầm cắt ngang qua các vùng di tích lịch sử, vùng danh lam thắng cảnh, nếu thi công theo kỹ thuật đào hở thì việc khôi phục lại hiện trạng ban đầu của các vùng này sau đó sẽ rất khó khăn và tốn kém Bên cạnh đó, việc đào và lấp mặt đường cũng làm giảm tuổi thọ của của áo đường, làm tăng chi phí sửa chữa bảo dưỡng mặt đường, ngoài ra nó còn gây khó khăn cho giao thông, sinh hoạt của người dân sống xung quanh

Một trong những tiến bộ của các công nghệ trong kỹ thuật đào kín là nó gây tác động ít nhất tới

hệ thống giao thông bên trên Hiện nay khi vấn đề giao thông trở thành một trong những mối quan tâm chính ở nhiều đô thị, thì đây là một nhân tố quan trọng trong việc lựa chọn các công nghệ trong kỹ thuật đào kín Sự phức tạp của mạng lưới tiện nghi công cộng ngầm hiện có cũng nên được nhìn nhận như là một tiêu chuẩn trong việc lựa chọn các công nghệ trong kỹ thuật đào kín

2.2 Đường kính của công trình ngầm

Đường kính của công trình ngầm được thi công là một yếu tố để lựa chọn các công nghệ trong kỹ thuật đào kín Thí dụ, khoan guồng xoắn có thể được sử dụng để thi công những công trình ngầm có đường kính thay đổi trong phạm vi từ 200mm đến 1500mm, MicroTunneling có thể được áp dụng khi đường kính của công trình ngầm thay đổi từ 250mm đến 3000mm hoặc hơn nữa Chi tiết xem trong bảng 2

Bảng 2: Lựa chọn công nghệ theo đường kính công trình ngầm

Các công nghệ đào kín Phạm vi đường kính áp dụng

Bảng 3: Phạm vi độ sâu lắp đặt có thể áp dụng

Các công nghệ đào kín Phạm vi độ sâu lắp đặt áp dụng

Khoan guồng xoắn (AB) Thường thay đổi từ 6m đến 30m

MicroTunneling (MT) Thường thay đổi từ 6m đến 30m

Đóng ống (PR) Thường thay đổi từ 6m đến 30m

Máy đào hầm (TBM) Thường thay đổi từ 6m đến 30m

2.4 Chiều dài thi công của công trình ngầm

Thông thường, khi chiều dài thi công của công trình ngầm (từ giếng điều khiển đến giếng nhận)

tăng thì kéo theo sự phức tạp và mức độ rủi ro của dự án cũng tăng theo Chiều dài lớn nhất được xác

định dựa vào công suất của thiết bị đào, loại đất nền, chiều sâu đặt công trình ngầm, đường kính của

công trình ngầm Tuy nhiên, chiều dài thi công nhỏ nhất lại được xác định dựa vào những yếu tố kinh

tế của dự án Chiều dài thi công quá nhỏ sẽ không kinh tế do giá trị đầu tư về công nghệ là quá cao

Chiều dài thi công trong công nghệ khoan guồng xoắn thay đổi từ 12m đến 1800m Chiều dài thi công

trong công nghệ MicroTunneling có thể thay đổi từ 25m đến 225m Chiều dài thi công trong công

nghệ kích đẩy thông dụng ở Hoa Kỳ từ 300m đến 1050m Tuy nhiên, việc lựa chọn chiều dài thi công

hợp lý đối với các công nghệ đào kín nên theo bảng 4

Bảng 4: Chiều dài thi công hợp lý đối với các công nghệ đào kín

Các công nghệ đào kín Chiều dài thi công hợp lý

2.5 Các điều kiện về địa chất

Các điều kiện địa chất cũng ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn công nghệ trong kỹ thuật đào kín

Do bản chất công nghệ, mỗi công nghệ đều có phạm vi áp dụng phù hợp Trong các thông số địa kỹ

thuật, giá trị SPT là một thông tin quan trọng để lựa chọn công nghệ thi công phù hợp Chi tiết xem

Ghi chú: + (kiến nghị sử dụng); - (có thể thích hợp); N (không nên áp dụng).

Khi không có đủ các thông số địa kỹ thuật, có thể dựa vào cách phân loại đất nền như trong bảng

6

Bảng 6: Lựa chọn công nghệ phù hợp trong kỹ thuật đào kín dựa vào phân loại đất nền

Sét mềm cho đến rất mềm, trầm tích hữu cơ và bùn Y Y Y M Y Y

Cát chặt vừa cho đến rất chặt bên trên mực nước ngầm Y Y Y Y Y Y

Đá tảng và sỏi cuội có đường kính (D) nhỏ hơn 50-100mm Y M Y Y Y Y

Đất lẫn đá tảng, sỏi cuội và những vật cản có D nhỏ hơn

Đá bị phong hoá nhẹ cho đến không bị phong hoá Y M N N M Y

Ghi chú: Y (thường được sử dụng bởi các nhà thầu có kinh nghiệm với các thiết bị thích hợp);

M (những khó khăn có thể xuất hiện, có thể phải có sự điều chỉnh cho thiết bị và quá trình thi

công); N (không nên áp dụng)

2.6 Mục đích sử dụng

Các công trình ngầmđược thi công bởi các công nghệ trong kỹ thuật đào kín thường là các công

trình ngầm cấp thoát nước; các tunnel kỹ thuật (công trình ngầm chứa các đường ống dẫn khí gaz,

đường dây điện và dây điện thoại…); các công trình ngầm giao thông Mục đích sử dụng công trình

ngầm cũng là một tiêu chuẩn để lựa chọn công nghệ thi công phù hợp Chi tiết xem trong bảng 7

Bảng 7: Lựa chọn công nghệ trong kỹ thuật đào kín dựa theo mục đích sử dụng

Khoan guồng xoắn (AB) Các công trình ngầm phải qua nhiều loại giao cắt

Khoan định hướng (HDD) Các công trình ngầm cấp nước, các tunnel kỹ thuật…

MicroTunneling (MT) Các công trình ngầm thoát nước

Kích đẩy (PJ)

Các công trình ngầm cấp thoát nước, các tunnel kỹ thuật, các công trình ngầm giao thông đô thị, các công trình ngầm phải qua nhiều loại giao cắt

Đóng ống (PR) Các công trình ngầm phải qua nhiều loại giao cắt

Máy đào hầm (TBM) Các công trình ngầm giao thông đô thị

3 Nhận xét và kiến nghị

™ Kỹ thuật đào kín có nhiều ưu điểm trong xây dựng các công trình ngầm đô thị, đặc biệt là các

công trình ngầm đô thị đặt sâu

™ Kinh nghiệm thực tế ở nhiều nước phát triển đã chỉ ra rằng, cần áp dụng một cách linh hoạt

nhiều công nghệ khác nhau trong kỹ thuật đào kín vào thực tế xây dựng công trình ngầm, để bảo đảm

tính khả thi về kỹ thuật và kinh tế

vào các yếu tố: điều kiện hiện trường, đường kính của công trình ngầm, độ sâu đặt công trình ngầm,

chiều dài thi công (từ giếng điều khiển đến giếng nhận), điều kiện về địa chất và mục đích sử dụng

™ Mỗi một công nghệ thi công kín đều có những ưu nhược điểm riêng, có những phạm vi áp dụng nhất định Khi áp dụng vào thực tế, ngoài việc căn cứ vào điều kiện thực tế thi công, đặc điểm công nghệ thi công, rất cần thiết đòi hỏi nhà thầu phải có đủ kỹ thuật, kinh nghiệm trong việc vận hành công nghệ để bảo đảm thành công của dự án

™ Việc xây dựng các công trình ngầm đô thị ở các thành phố lớn ở Việt Nam như Hà Nội, TP

Hồ Chí Minh đang là yêu cầu cấp bách Để áp dụng thành công các công nghệ trong kỹ thuật đào kín cần được sự quan tâm của các nhà quản lý

Tài liệu tham khảo

[1] Bùi Đức Chính và đồng nghiệp (2007), Nghiên cứu công nghệ kích đẩy trong thi công công trình ngầm ở Việt Nam, Báo cáo tổng kết khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ 2007 (Mã số : DT074038), Viện Khoa học

và Công nghệ GTVT, Hà Nội, 2007

[2] Phạm Thanh Tùng (2008), Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật đào kín (No-dig) trong xây dựng công trình ngầm ở thành phố Hà Nội, Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật, Trường Đại học Xây dưng, Hà Nội,

2008

[3] Abraham D M., Baik H S., Gokkale S (2002), Development of a Decision Support System for Selection

of Trenchless Technonogies to Minimize Impact of Utility Construction on Roadway, Purdue University,

West Lafayette, IN 47907

[4] Harbuck R H (2000), “Economic Evaluation of Trenchless Technology”, 2000 AACE Internationnal Transactions [5] Iseley T and Gokhale S (1997), Trenchless installation of conduits beneath roadways, NCHRP Synthesis 242 Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C., 36p [6] U.S Army Corps of Engineers (1999), Application of Trenchless Technology at Army Installations, Washington D.C February 1999

Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

ThS Lê Văn Nghĩa

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

Tóm tắt: Trong quá trình thực hiện Dự án xây dung cầu cầu Quảng Hải tại Quảng Bình, do địa

điểm của địa hình nên đã xảy ra nhiều sự cố kỹ thuật Trong bài này, với tư cách là tư vấn giám sát dự án, tác giả đã trình bày tóm tắt các sự cố và các giải pháp giải quyết

Abstract: During the implementation of Quang Hai Bridge Construction Project in Quang Binh

Province, due to special geotechnical conditions, many technical problems have arisen As Quality Control Supervisors, within this paper, the authors summarize these problems and present some effective solutions

1 Giới thiệu chung về tình hình hoạt động Tư vấn của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT trên địa bàn tỉnh Quảng Bình trong lĩnh vực xây dựng cầu:

Từ đầu những năm của thập kỷ 90 đến nay trên một số công trình xây dựng cầu thuộc địa bàn tỉnh Quảng Bình, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã có mặt với chức trách là cơ quan tư vấn theo yêu cầu của Ngành GTVT và sở GTVT Quảng Bình, cụ thể:

- Tư vấn giám sát (TVGS) xây dựng cầu Quán Hàu- QL1A bằng công nghệ đúc đẩy và đúc hẫng

- Chủ trì công tác vận hành công nghệ đúc đẩy thi công cầu dẫn cầu Quán Hàu (thay thế đơn vị chuyển giao công nghệ - CHLB Nga)

- TVGS xây dựng cầu sông Gianh bằng công nghệ đúc hẫng

- TVGS xây dựng cầu Sảo Phong bằng công nghệ đúc đẩy

- TVGS xây dựng cầu Nhật Lệ bằng công nghệ đúc hẫng

Với những công trình cầu hoàn thành chất lượng bảo đảm, đáp ứng yêu cầu độ bền khai thác lâu dài, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT được sở GTVT Quảng Bình tín nhiệm giao tiếp nhiệm vụ Tư vấn thiết kế (TVTK) dự án cầu Quảng Hải (gồm 2 cầu), đồng thời trực tiếp thực hiện công tác TVGS

và kiểm định 2 công trình cầu này

2 Về những giải pháp xử lý kỹ thuật ở cầu Quảng Hải

2.1 Giới thiệu Dự án cầu Quảng Hải

Dự án cầu Quảng Hải bao gồm 3 phần chính : Cầu Quảng hải 1(QH1), cầu Quảng hải 2 (QH2) và gần 1km đường bộ và cống đi qua xã đảo Quảng Hải Viện Khoa học và Công nghệ GTVT được giao nhiệm vụ TVTK Cầu QH1 và QH2 Trong quá trình lập dự án xây dựng, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT kết hợp với công ty TVGT Quảng bình đề xuất phương án xây dựng 2 cầu thay cho phương án một cầu đã mang lại ý nghĩa to lớn về mặt xã hội đối với các xã đảo và khu vực dân cư hai

QL12A và tuyến giao thụng đường sắt về phớa tõy, chấm dứt vĩnh viễn cảnh cụ lập do sụng nước của vựng đất này, thiết thực gúp phần mở rộng phỏt triển mạng lưới giao thụng của 2 huyện Quảng Trạch

và Tuyờn Húa cũng như trờn địa bàn toàn tỉnh Quảng Bỡnh

Để phự hợp với điều kiện cụ thể và thế mạnh của cỏc đơn vị tham gia tư vấn, quỏ trỡnh thực hiện

dự ỏn được phõn cụng đảm trỏch nhiệm vụ như sau:

- Cụng ty TVGT Quảng Bỡnh với chức trỏch là tổng B thiết kế, thực hiện toàn bộ khối lượng cụng việc khảo sỏt về đo đạc địa hỡnh, thủy văn, địa chất cụng trỡnh và cỏc hạng mục liờn quan

- Viện Khoa học và Cụng nghệ GTVT đảm nhận cụng tỏc lập bản vẽ thiết kế kỹ thuật và bản vẽ thi cụng cho 2 cầu trờn cơ sở số liệu khảo sỏt của cụng ty TVGT Quảng Bỡnh cung cấp

Từ những số liệu khảo sỏt và cỏc yếu tố phỏt triển giao thụng thủy khu vực cũng như yờu cầu cấp thụng thuyền trờn mỗi nhỏnh sụng, đồ ỏn thiết kế cầu QH1 được thiết kế thụng thuyền khẩu độ nhịp lớn (70m) và cầu QH2 với khổ thụng thuyền nhịp trung 42m Cầu xõy dựng vĩnh cửu bằng bờ tụng cốt thộp và bờ tụng dự ứng lực, tải trọng thiết kế đạt mức tối đa H30,XB80 Toàn bộ hệ thống múng trụ cầu được thiết kế xõy dựng bằng cọc khoan nhồi đường kớnh lớn với đường kớnh 1,2m

3 Những sự cố kỹ thuật xảy ra và cỏc giải phỏp xử lý

3.1 Về sự cố sập cọc C5 trụ T5 cầu QH2

Ngày 4/1/2006 trong quỏ trỡnh thi cụng múng trụ T5 cầu QH2 đó xảy ra sự cố sập cọc C5 do gặp phải hang động Casto Trờn thực tế sự cố sập múng do hang động Casto cũng đó sẩy ra trờn một số cụng trỡnh xõy dựng cầu và đú là hiện tượng khú cú thể trỏnh được, đặc biệt ở khu vực nhậy cảm như vựng lưu vực sụng Gianh nhiều lốn, nỳi đỏ vụi tồn tại dưới dạng lộ thiờn và ẩn ngầm Ngoài ra theo quy định của khảo sỏt thỡ ở mỗi trụ chỉ tiến hành 2 lỗ khoan khảo sỏt địa chất, trong khi ở trụ T5 yờu cầu thiết kế là 8 cọc.Vỡ vậy việc gặp phải hang động ở bất cứ một cọc nào của múng tại khu vực này là điều cú thể sẩy ra Trong những trường hợp gặp phải hang động cỏch giải quyết thường mang lại kết quả là phun vữa bờ tụng lấp đầy hang để sau đú tiếp tục thi cụng cọc múng Tuy nhiờn sau khi xem xột lại tỡnh hỡnh địa chất khu vực cú kết hợp với cỏc số liệu khảo sỏt õm địa chớnh của cụng ty EGS thỡ nếu

cứ tiếp tục thi cụng cỏc múng cũn lại theo sơ đồ thiết kế cũ thỡ khả năng gặp nhiều hang động Casto là điều khụng thể trỏnh khỏi Việc xử lý hang động Casto sẽ phỏt sinh khối lượng gõy tốn kộm và cũng là nguyờn nhõn kộo dài thời gian thi cụng, gúp phần làm chậm tiến độ thi cụng cụng trỡnh Vỡ vậy để phự hợp với tỡnh hỡnh địa chất tại vị trớ cầu QH2 và thiết thực nhằm rỳt ngắn thời gian thi cụng, Viện Khoa học và Cụng nghệ GTVT nhất trớ với cơ quan chủ đầu tư cho chuyển đổi phương ỏn từ cọc khoan nhồi sang đúng cọc (PA thượng bộ sử dụng dầm BTDUL giản đơn) Phương ỏn mới cho phộp

sử dụng nhiều cọc đúng ( kớch thước 40cm x 40cm ), cao độ đỏy cọc được đặt lờn cao so với cao độ của tầng đỏ (số liệu của EGS) vỡ vậy trỏnh được sư cố gặp hang động Casto nằm phớa dưới Việc thay đổi phương ỏn phần nào đú phự hợp với năng lực trang thiết bị và trỡnh độ thi cụng của nhà thầu địa phương vỡ vậy trờn thực tế đó đẩy nhanh tiến độ thi cụng (xong trước cầu QH1)

3.2 Về một số giải phỏp kỷ thuật ở cầu QH1

Đường cong đứng R=6000m L=360.00m

QH1 và khẳng định vẫn giử nguyên phương án như sơ đồ thiết kế cũ ( hình 1) vì theo EGS tầng đá vôi còn nằm sâu dưới đáy các cọc > 7m

Tuy nhiên để bảo đảm an toàn, tránh được hang động Casto, trong thi công cọc sau khi đạt cao độ đáy cọc theo yêu cầu thiết kế , TVTK yêu cầu trước khi đổ bê tông cho khoan kiểm tra địa chất dưới mũi cọc xuống sâu từ 3-5m nhằm khảo sát kiểm tra chính xác về sự tồn tại của hang động

- Điều chỉnh cao độ đáy bệ

6 cäc khoan nhåi D1.0m

1800

1800 40000

Chuçi liªn tôc nhiÖt

Bè trÝ chung cÇu

70000

12 cäc khoan nhåi D1.2m 50000 3000

Hình 2 Kết cấu công trình cầu QH1 sau khi được điều chỉnh cao độ đáy bệ

Do thay đổi nhà thầu thi công, nhà thầu mới chưa đủ điều kiện năng lực thi công hố móng sâu vì vậy chủ đầu tư đề nghị TVTK xem xét điều chỉnh nâng cao đáy các bệ trụ T3,T4,T5,T6 để phù hợp với khả năng của nhà thầu với các thông số thiết kế thay đổi như sau:

+ Cao độ đỉnh bệ thấp hơn mực nước thấp nhất là 0,38m

+ Số lượng các cọc trong trụ không thay đổi

Vấn đề nâng cao đáy bệ làm thay đổi sơ đồ làm việc của hệ kết cấu móng cọc, theo đó bài toán tính móng cọc đài thấp chuyển sang bài toán tính móng cọc đài cao Bằng hệ thống phần mềm FB-pier (của Mỹ) TVTK đã khai thác tính toán sức chịu tải của cọc và mô men tồn tại đầu cọc Kết quả là phải

bố trí tăng cường tại vị trí 1/3 chiều dài cọc(phần tiếp giáp với bệ) với lượng thép gấp 1,5 lần so với phương án cũ Bên cạnh đó TVTK yêu cầu nhà thầu để lại ống vách dùng làm ván khuôn đổ bê tông phần cọc khoan nhồi ngập trong nước Mặc dầu khối lương vật liệu thép tăng nhưng trên thực tế do không phải thi công ở độ sâu ~ 10m nên làm giảm tính phức tạp của kỹ thuật , tạo điều kiện cho nhà thầu sử dụng các thiết bị máy móc thi công truyền thống qua đó rút ngắn thời gian thi công và an toàn công trình Để nhằm nâng cao độ tin cậy của phương án điều chỉnh, TVTK đã yêu cầu chủ đầu tư cho thử 1 cọc bằng PDA (phương pháp thử động đánh giá khả năng chịu lực của cọc móng)

- Xử lý cọc C3 trụ T3

Trong quá trình thi công cũng do năng lực và thiết bị thi công của Nhà thầu, đã xảy ra sự cố cọc C3 của Trụ T3 bị hỏng Để đảm bảo tiến độ thi công, trụ cần phải thi công xong trước mùa mưa lũ, TVTK đã vào hiện trường trực tiếp giải quyết sự cố TVTK đã phân tích nhiều phương án (kể cả phương án sửa chữa từng phần hư hỏng như ở cầu Thanh Trì) và cuối cùng chọn phương án hủy bỏ cọc hỏng, đồng thời mở rộng bệ, bố trí thêm 1 cọc mới thay thế trên cơ sở bảo đảm khả năng chịu tải theo yêu cầu thiết kế (hình 4) và nhà thầu chịu chi phí cho cọc khoan thêm

Hình 4 Giải pháp mở rộng bệ trụ để bổ sung cọc mới thay thế

Hình 5 Một số kết quả tính toán theo FB-Pier

- Xử lý đà giáo thi công khối 9.0m

Theo bước thiết kế bản vẽ thi công, TVTK đưa ra phương án thi công khối 9.0m (sát trụ T5), theo đó đà giáo phục vụ đúc dầm bê tông đề được đặt trên hệ cọc chống đỡ BTCT (40cmx40cm) đóng xuống sông(hình 6a) Với phương án này cọc BTCT liên kết với đà giáo và bệ trụ tạo thành một hệ kết cấu siêu tỉnh nội vững chắc trên sông Trước khi đưa vào sử dụng hệ kết cấu được thử tải khử lún theo quy định Nhưng do năng lực thi công yếu, thiếu phương tiện đóng cọc trên sông nên nhà thầu đề xuất phương án tận dụng bệ trụ (đã được nâng cao) để đặt toàn bộ cọc chống (hình6b) thay vì đóng cọc trên sông Giải pháp nhà thầu đề xuất nhìn chung có tính hợp lý vì trên thực tế do không đóng cọc trên sông nên bảo đảm được thông thoáng lòng sông trong quá trình thi công và giảm chi phí đóng cọc a) b)

Hình 6 a) Phương án thiết kế cũ; b) Phương án đề xuất của nhà thầu Tuy nhiên sau khi thẩm định phương án của nhà thầu, TVTK thấy phương án không bảo đảm độ

an toàn cao vì độ cứng chống uốn của trụ chưa đạt mức tối đa khi chịu đủ tải trọng đoạn dầm bê tông,

cụ thể: Với tổ hợp bất lợi theo yêu cầu của quy trình thì đã có xuất hiện gây nứt giữa phần tiếp giáp giữa bệ trụ và thân trụ (do tải trọng lệch tâm lớn) Để giảm bớt một phần tải trọng lệch tâm, TVTK đã cho sử dụng xe đúc đặt phía bên cánh hẫng đối diện để nâng một phần lực phía đà giáo đúc dầm Phương án này tỏ ra rất thuận lợi vì xe đúc hẫng phía đối diện đã thi công xong trước đó (hình 7)

Mặc dầu vậy TVTK cần phối hợp với nhà thầu trong việc bố trí vận hành các giai đoạn công nghệ

đổ bê tông và căng thanh treo , sao cho trên thực tế một phần tải trọng dầm bê tông được truyền lên xe đúc hẫng để truyền tiếp tục lên cánh dầm phía đối diện Để thực hiện đạt mục tiêu đặt ra, TVTK cùng với nhà thầu thống nhất chia công việc đổ bê tông thành 2 giai đoạn, giai đoạn 1 đổ phần đáy và một phần thân dầm, giai đoạn 2 đổ phần còn lại (phần bản mặt hộp và thân dầm ) Sau khi đổ xong giai đoạn 1 cho căng 2 thanh treo ( mỗi thanh 20T) sau đó tiếp tục đổ giai đoạn 2 Với cách tổ chức như vậy nhà thầu đã bảo đảm an toàn công trình trong quá trình thi công và trên thực tế không để sẩy ra một sai sót và sự cố nào

4 Kết luận

Sau gần 6 năm triển khai Dự án cầu Quảng Hải, ngày 29/8/2009 toàn bộ các gói thầu sau khi được đánh giá nghiệm thu đã được đưa vào sử dụng, trong đó có cầu QH1 và cầu QH2 Qua quá trình xây dựng 2 cầu, đội ngũ cán bộ tham gia TVTK đã có bước trưởng thành Với tinh thần trách nhiệm cao trước các sự cố công trình sẩy ra chúng ta đã bình tĩnh xem xét, kết hợp với cơ quan chủ đầu tư nhằm đưa ra các phương án giải quyết sự cố có cơ sở khoa học chắc chắn và thật sự hiệu quả Cũng từ

2 công trình cầu Quảng Hải chúng ta đã rút ra nhiếu bài học về lý thuyết và thực tiễn, đặc biệt những kinh nghiệm quý giá khi triển khai những dự án xây dựng cầu nằm trong vùng địa chất có hang ngầm

đá vôi ẩn dấu và điều kiện thi công của nhà thầu yếu kém

Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

Hà Nội, 30/10/2009

Một số vấn đề về tác động của gió và giải pháp thiết kế kháng gió cho cầu hệ dây

KS Hoàng Thanh Nam

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

Tóm tắt: Bài viết này trình bày về một số đặc điểm về số liệu gió trong thiết kế cầu dây văng ở

Việt Nam, một số khái niệm cơ bản về các hiện tượng khí động cần thiết trong thiết kế và giải pháp thực tiễn trong sức kháng gió cho cầu nhịp lớn được áp tại một số cầu ở Nhật Bản

Abstract: This paper presents some features of wind data in design of cable stayed bridges in

VietNam, some basic concepts of dynamic phenomena required in design and practical solutions

in wind resistance in long span bridge applied in some bridges in Japan

1 Giới thiệu

Kết cấu cầu dây văng là loại hình kết cấu hiện đại được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới do có nhiều ưu điểm về khả năng vượt khẩu độ lớn và kiến trúc đẹp Ở Việt Nam, loại hình kết cấu này cũng rất được chú trọng nghiên cứu và áp dụng thể hiện qua việc nhiều công trình cầu dây văng quy mô lớn

đã đang và sẽ được xây dựng Triển vọng và nhu cầu xây dựng cầu khẩu độ lớn ở nước ta là rất lớn, vì vậy việc nhanh chóng nắm bắt các đặc điểm thiết kế cũng như công nghệ thi công các loại cầu trên là điều hết sức cần thiết trên con đường hiện đại hóa đất nước

Một trong số những yếu tố đặc biệt quan trọng trong thiết kế cầu dây treo nhịp lớn là khả năng thiết kế sức kháng gió bao gồm xác định được các đặc trưng của gió dùng trong thiết kế, đánh giá các hiện tượng khí động học cơ bản trong thiết kế cầu dây treo nhịp lớn cũng như đề xuát được các biện pháp kiểm soát tác động của gió Bài viết này sẽ trình bày một cách khái quát về các vấn đề trên và giới thiệu một số giải pháp thiết kế sức kháng gió đã được thực hiện tại Nhật Bản

2 Số liệu về gió trong thiết kế cầu dây văng ở Việt Nam

2.1 Số liệu gió được lưu giữ tại trạm quan trắc theo tiêu chuẩn 94-TCN6-90:

Hiện ở Việt Nam có 168 trạm khí tượng bề mặt, gồm có: 57 trạm hạng I, 68 trạm hạng II và 43 trạm hạng III Trong đó có 122 trạm synop; 46 trạm khí hậu; 13 trạm đo bức xạ mặt trời và 25 trạm phát báo quốc tế Ngoài ra còn có 393 điểm đo mưa nhân dân Theo tiêu chuẩn này, nội dung quan trắc phổ thông tại trạm khí tượng bao gồm hướng gió trung bình 2 phút hay 10 phút, tốc độ gió trung bình

2 phút hay 10 phút ứng với hướng gió trung bình, tốc độ gió lớn nhất và hướng tương ứng trong 2 phút hay 10 phút, giữa hai lần quan trắc liền kề, đặc điểm của tốc độ gió là đều hay giật và đặc điểm của hướng gió là định hướng hay thay đổi Ở Việt Nam tại các trạm quan trắc khí tượng máy đo gió phổ biến là máy Vild Loại máy này có đặc điểm là tốc độ gió được ước định theo bảng Tại răng 7 trên bảng nhẹ cho tốc độ gió >20m/s, đối với bảng nặng cho tốc độ gió >40m/s nhưng không xác định được cụ thể là bao nhiêu Đây chính là nhược điểm của lọai máy này

2.2 Số liệu gió theo TCVN4088-1985

Theo tiêu chuẩn này, số liệu về gió và một số số liệu khí hậu khác được xây dựng trên cơ sở các trạm quan trắc trong nhiều năm của các đài khí tượng thủy văn Các số liệu về gió được cho trong các bảng từ G1-G6 của tiêu chuẩn này

+) Bảng G1 cho số liệu vận tốc gió trung bình (m/s) trong từng tháng và cả năm của 59 trạm quan trắc trên cả nước

+) Bảng G2 cho số liệu tần suất (%) vận tốc gió trung bình các hướng gió ứng với các tháng trong năm

+) Bảng G3 cho vận tốc gió cực đại (m/s) dự kiến có thể xảy ra theo chu kỳ lặp 5, 10, 20,30,50 năm tại 83 trạm quan trắc trong cả nước

+) Bảng G4 cho tần suất các cấp tốc độ gió từ 1-36m/s tại 23 trạm quan trắc trong cả nước +) Bảng G5 cho số liệu về quan hệ giữa tần suất, nhiệt độ, vận tốc gió với hướng gió, lượng gió, tính trung bình ban ngày hoặc ban đêm trong thời gian 12 tháng tại 21 trạm phía Bắc

+) Bảng G6 cho số liệu số ngày có gió khô nóng tại 45 trạm quan trắc

Như vậy, muốn có số liệu chi tiết và chính xác hơn thì cần phải sử dụng các số liệu lưu trữ nhiều năm tại các tram quan trắc ở địa phương hoặc tại Tổng cục khí tượng thủy văn Tuy nhiên, do yếu tố lịch sử, chuỗi số liệu lưu trữ của ta thường không vượt quá 40 năm Ví dụ khi thiết kế cầu Bãi Cháy năm 1999, chuỗi số liệu gió liên tục thu được tại trạm Hòn Gai và trạm Bãi Cháy chỉ có trong khoảng

32 năm Người thiết kế phải dùng đồ thị đường cong phân bố Weibull để dự báo chu kỳ lặp đến 50 năm và 100 năm của các vận tốc gió lớn nhất có thể xảy ra

Bảng 1 Tốc độ gió cơ bản dùng trong thiết kế một số cầu ở Việt Nam

(m/s)

Ghi chú

1 Cầu Rạch Miễu Mỹ Tho – Tiền Giang 30 Chu kỳ lặp 100 năm

3 Cầu Mỹ Thuận Vĩnh Long 26 (33) Chu kỳ lặp 50 năm Trong

ngoặc là chu kỳ lặp 2000 năm

2.3 Số liệu gió theo TCVN 2737-1995 Tải trọng và tác động

Tiêu chuẩn này chỉ đề cập đến các tải trọng gió bên cạnh các loại tải trọng khác dùng trong thiết

kế mà không thể hiện đầy đủ các quy định liên quan đến hiện tượng dao động sinh ra do tác động của gió

2.4 Số liệu gió theo 22TCN 272-05

Đây là tiêu chuẩn ngành dành cho thiết kế cầu Chương 3 đề cập đến tải trọng và hệ số tải trọng Tuy nhiên, tiêu chuẩn chỉ quy định các tải trọng gió nằm ngang tác dụng vào các công trình cầu thông thường Đối với các kết cấu nhịp lớn hay kết cấu nhạy cảm đối với gió như cầu treo dây võng, cầu dây xiên cần có những khảo sát, nghiên cứu đặc biệt về môi trường khí hậu đối với gió và thí nghiệm trong các tunen gió để xác định các tác động của gió trong thiết kế Tiêu chuẩn không đề cập chi tiết đến các quy định về tải trọng gió động cũng như các hiệu ứng động học của kết cấu cầu dây

3 Các hiện tượng khí động cần tính trong thiết kế

Trong thiết kế sức kháng gió cho cầu dây treo, các thông số sau có liên quan và ảnh hưởng đến các hiệu ứng khí động trong cầu dây văng:

- Các đặc tính của gió tại điểm xây dựng (vận tốc gió thiết kế, cường độ rối của gió)

- Đặc tính xoắn của cầu

- Tổng độ rộng của cầu

- Trọng lượng của cầu

Theo tài liệu “Thiết kế sức kháng gió cho cầu đường bộ Nhật Bản”, đối với cầu thép, các điều kiện sau là một trong các điều kiện để xem xét Ứng với các tiết diện khác nhau, các hiện tượng khí

động khác nhau sẽ cần phải được tính đến trong thiết kế Ví dụ trong điều kiện dưới đây, thì hiện tượng dao động tròng trành uốn cần phải được xem xét trong thiết kế

Cầu dây văng và cầu dây võng thuộc dạng cầu có khẩu độ lớn, và do đó chu kì dao động cũng lớn Nhìn vào đặc trưng phổ năng lượng vận tốc có thể dễ dàng nhận thấy rằng các kết cấu có chu kì dao động lớn (tức tần số dao động nhỏ) sẽ phản ứng mạnh hơn dưới tác dụng của gió Do cầu dây văng

và cầu dây võng có đặc tính sức kháng gió yếu nên trong quá trình thiết kế cần kiểm soát chặt chẽ các hiệu ứng động học

Hình 1 Mối quan hệ giữa tần số dao động và phổ năng lượng vận tốc

Các hiện tượng khí động học cần xét đến trong tính toán

Dao động giới hạn

1 Dao động rung-lắc (Buffeting)

2 Dao động xoáy khí (Vortex-induced oscillation)

3 Hiệu ứng tương tác do mưa gió (Rain-wind induced vbration)

4 Dao động giật (Wake induced vibration)

Dao động không giới hạn

1 Dao động lên xuống (Galloping)

2 Dao động tròng trành (Flutter)

3 Dao động phát tán (Divergency)

Theo tài liệu “Thiết kế sức kháng gió cho cầu đường bộ Nhật Bản”, việc đánh giá tính cần thiết của công tác thiết kế chống gió động học cho cầu dây dựa trên các đặc điểm cơ bản sau:

Bảng 2: Đánh giá tình cần thiết của việc thiết kế chống gió động học

Loại cầu Điều kiện cần thiết cho thiết kế chống gió động học Các hiện tượng có khả năng xuất hiện

LxUd /B > 350 Dao động phát tán xoắn LxUd / B > 330 và B/d < 5 và Iu < 0,15 và cầu thép Dao động phát tán võng

Mặt cắt

hở

LxUd / B > 200 và Iu < 0,20 Dao động xoáy khí

LxUd / B > 330 và B/d < 5 và Iu < 0,15 và cầu thép Dao động phát tán võng

d: Chiều cao có hiệu

Ud: Tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế

Iu: Cường độ hỗn loạn của luồng khí

3.1 Dao động rung lắc

Dao động rung-lắc là hiện tượng dao động cưỡng bức của kết cấu do tác dụng rối của gió

Độ lớn của dao động tỉ lệ với bình phương vận tốc rối của gió Kết cấu cầu có thể bị sập khi tác dụng của gió vượt quá giới hạn chịu lực của cầu, hoặc do hiện tượng mỏi Trong hiện tượng này,lực tác dụng lớn nhất lên công trình là lực tác dụng theo phương ngang vuông góc với mặt cầu và nằm trong mặt phẳng ngang Lực tác dụng theo phương thẳng đứng và theo phương xoắn vuông góc với trục cầu khá nhỏ so với lực tác dụng theo phương ngang nên nhiều khi có thể bỏ qua trong tính toán Lực tác dụng lên kết cấu gây bởi hiện tượng dao động rung-lắc được tính như sau:

Hình 3 Cơ chế phát sinh dao động cuộn xoáy

Vận tốc Uv (là vận tốc tại đó xuất hiện dao động cuộn xoáy) được xác định theo công thức:

Năm 1940, cầu Tacoma ở Mỹ (chiều dài nhịp 853m, tại thời điểm đó dài thứ ba thế giới) đã bị phá hoại bởi sự mất ổn định do dao động tròng trành Vận tốc gió lúc đó đạt 19m/s

3.4 Hiệu ứng tương tác do mưa gió

Nguyên nhân của dao động này là do khi có mưa, những dòng chảy xuất hiện dọc theo thân dây cáp Nó được hình thành dựa trên sự cân bằng giữa trọng lực, các mao mạch và lực khí động học Thực

tế là các hạt nước làm thay đổi hình học mặt cắt ngang của cáp do đó làm thay đổi lực khí động tác dụng lên cáp Sự xuất hiện của các dòng chảy tạo ra sự chênh lệch về lực tác dụng lên bề mặt trên và

bề mặt dưới của cáp khiến cho dây cáp dao động theo phương thẳng đứng

Hình 4 Hiệu ứng tương tác do mưa gió

3.5 Hiệu ứng dao động giật

Dao động giật là hiện tượng dao động khi dòng khí rối xuất hiện do ảnh hưởng của vật thể đứng phía trước, tác động vào vật thể đứng phía sau gây ra

Hình 5 Hiệu ứng dao động giật

4 Các giải pháp thiết kế kháng gió

Các phương án trên được chia thành hai nhóm chính: phương án thiết kế sức kháng gió cơ học và phương án thiết kế sức kháng gió khí động học

4.1 Giải pháp thiết kế sức kháng gió cơ học

Phương án sức kháng gió cơ học bao gồm; a) Tăng khối lượng của kết cấu; b) Tăng độ cứng của kết cấu; và c) Tăng khả năng giảm chấn của kết cấu

a) Tăng khối lượng kết cấu:

Biện pháp tăng khối lượng kết cấu không phải là giải pháp mang tính thực tế cao Xét về mặt lí thuyết, trong công thức dưới đây, số Scruton Sc là đại lượng biểu diễn cho sự giảm chấn của kết cấu

Ta có thể thấy, nếu như trọng lượng tăng lên hai lần thì hệ số biểu thị cho sự giảm chấn của kết cấu cũng tăng lên 2 lần

Ở đây, m là khối lượng; δ là hệ số giảm chấn của công trình; ρ là mật độ không khí

b) Tăng độ cứng cho kết cấu

Ngoài việc tăng độ cứng của các bộ phận của kết cấu, việc sử dụng các trụ cầu trung gian sẽ làm tăng tần số dao động riêng của cầu, do đó, làm tăng vận tốc xuất hiện hiện tượng dao động do cuộn xoáy cũng là một phương pháp thường được sử dụng Theo đó, vận tốc xuất hiện dao động xoáy được tính theo công thức:

bị hỏng do hiện tượng mỏi Để khắc phục hiện tượng này, người ta không sử dụng các dây liên kết mà đưa vào đây các bộ giảm dao động

c) Tăng tính giảm chấn cho kết cấu

- Sử dụng bộ tắt dao động dạng chêm nhằm làm giảm tác động của hiện tượng dao động giật, dao động do mưa gió, dao động do xoáy Việc sử dụng phương án này có ưu điểm là tính năng chống gió rất cao (vì được bố trí tại các vị trí có biên độ dao động lớn nhất), tuy nhiên, vị trí bố trí này có nhược điểm là rất bất tiện trong việc sửa chữa, thay thế

Tốc độ gió tính đổi

2 4 6 8 10 12 14

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 0

0 20 40 60 80 100

Hỡnh 6 Bộ tắt dao động dạng chờm ỏp dụng trong cầu Hisuishijima

- Sử dụng bộ tắt dao động bố trớ tại đầu ra của dõy cỏp Việc sử dụng phương ỏn này cú nhược điểm

là tớnh năng chống dao động yếu nhiều so với phương ỏn trờn nhưng lại dễ dàng trong việc sửa chữa, thay thế trong trường hợp hỏng húc

Hỡnh 7 Bộ tắt dao động bố trớ tại đầu ra của bú cỏp

c) Sử dụng hệ cản khối lượng TMD vào thỏp cầu để hạn chế dao động xoỏy tại thỏp cầu

Hỡnh 8 Mụ hỡnh húa hệ cản khối lượng TMD Hỡnh 9 Hiệu quả của hệ cản khối lượng TMD

4.2 Giải phỏp thiết kế sức khỏng giú khớ động học

Giải phỏp thiết kế sức khỏng giú khớ động học được thực hiện nhằm đạt được một hoặc nhiều trong cỏc mục đớch sau:

- Làm cho cỏc cuộn xoỏy khú xuất hiện

- Điều chỉnh một cỏch chủ động sự xuất hiện của cỏc cuộn xoỏy

- Phỏ sự xuất hiện một cỏch chu kỡ của sự xuất hiện cỏc cuộn xoỏy nhằm hạn chế sự cộng hưởng

Để thực hiện các giải pháp trên, sự kết hợp giữa việc điều chỉnh hình dạng tiết diện công trình và việc điều chỉnh dòng khí gây bởi gió là việc cần thiết Do đó, việc kiểm tra bằng thí nghiệm khí động học là điều kiện tối cần thiết

a) Làm cho các cuộn xoáy khó xuất hiện

Các góc sắc nhọn của kết cấu sẽ dễ dàng trở thành nơi làm cho các cuộn xoáy dễ phát sinh Do vậy, để hạn chế sự xuất hiện của các cuộn xoáy, người ta thiết kế hình dạng kết cấu sao cho theo hình dạng khí động học (giống như cánh máy bay), khi đó, sức cản đối với dòng khí sẽ giảm đi đáng kể (Hình 10)

b) Giải pháp điều chỉnh chủ động sự xuất hiện của các cuộn xoáy

Đây là giải pháp hạn chế sự xuất hiện của các cuộn xoáy xuất hiện tại các góc của bề mặt tiết diện kết cấu bằng cách điều chỉnh sự lưu chuyển của dòng khí lưu Một trong những giải pháp điển hình là việc sử dụng các mái điều chỉnh khí lưu (flap) tại các mép của dầmcầu (Hình 11)

Hình10 Kết cấu dạng khí động học trong cầu Yokohama Hình11 Giải pháp điều chỉnh chủ động

c) Phá tính chu kì của sự xuất hiện các cuộn xoáy nhằm hạn chế sự cộng hưởng:

Nhằm hạn chế tác động cuộn xoáy tác động vào dây cáp, cáp treo,…, người ta tạo ra độ nhám trên bề mặt dây cáp, khiến cho các cuộn xoáy không thể xuất hiện một cách có chu kì, và do đó, khó tạo ra hiện tượng dao động cộng hưởng Ví dụ đối với trường hợp cầu Tatara, các dòng nước mưa ổn định chạy dọc theo dây cáp là nguyên nhân gây ra hiện tượng dao động do mưa-gió, do đo, để cản trở tính ổn định của dòng nước mưa, người ta sử dụng các nốt gồ được bố trí ngẫu nhiên trên bề mặt cáp Trong trường hợp cầu Akashi, trong quá trình thi công, người ta phát hiện ra hiện tượng dao động giật xuất hiện tại các cáp treo, và để khắc phục, các dây cáp leo hình xoắn ốc được bố trí xung quanh các cáp treo (khoảng cách của các dây cáp leo dựa trên các kết quả thí nghiệm khí động học)

Hình 12 Dây cáp bề mặt nhám tại cầu Tatara Hình 13 Thi công cuốn các dây cáp leo cầu Akashi

5 Kết luận và kiến nghị

Ngày nay, việc xây dựng các cầu khẩu độ lớn càng trở nên phổ biến, kèm theo đó là kết cấu càng thanh mảnh và rất nhạy cảm với các tác động của gió Trong điều kiện như vậy, để kiểm soát một cách bài bản vấn đề gió khi thiết kế, cần có những nghiên cứu chuyên sâu về các vấn đề động học trong thiết kế cầu dây cũng như cần có các chỉ dẫn thiết kế cụ thể

Tài liệu tham khảo

[1] Hướng dẫn thiết kế sức kháng gió cho cầu đường bộ Nhật Bản (1991)

[2] U.Peil & O.Dreyer : “Rain-wind inđuce vibrations of cables in laminar and tubulent flow “

[5] Đinh Quốc Kim (2004) Vấn đề gió trong thiết kế cầu có độ mảnh lớn

Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

Hà Nội, 30/10/2009

Hiện trạng của vấn đề xói cục bộ trụ cầu qua sông

PGS.TS Trần Đình Nghiên

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt Báo cáo trình bày tổng quan vấn đề xói cục bộ bao gồm cơ chế xói, yếu tố ảnh

hưởng đến xói, công thức dự đoán xói, phân tích số liệu đo trong phòng và hiện trường, chỉ

ra phạm vi giới hạn của một số công thức tiêu biểu và lời khuyên đối với kỹ sư quan tâm tới vấn đề xói khi thực hành

Abstract A “state of the art” report on the problems of local scour at bridge piers is given

here After description of the scouring process, mechanism of local scour, scouring parameters, practical formulae for design, analysis of experimental and field data, a set of limitations of selected equations and guidance to engineers concerned with scour at bridge piers in practice is presented

1 Giới thiệu chung

Xói lở là sự hạ thấp cao độ đáy sông ở gần hay xung quanh chân công trình trong dòng nước chảy, chẳng hạn như xói quanh trụ, mố cầu, đầu đê hướng dòng, kè bảo vệ bờ và chân các vật cản khác trong sông do sự gia tăng tốc độ cục bộ, ứng suất tiếp cục bộ tại chân công trình Trong ngành cầu đường việc đánh giá, xác định chính xác chiều sâu xói dưới đáy sông tại chân trụ, mố rất quan trọng vì nó quyết định đến cao độ đáy móng công trình, đảm bảo công trình làm việc an toàn trong mùa lũ Vấn đề xói cục bộ được sự quan tâm đông đảo của kỹ sư cầu đường và nhà quản lý của tất cả các nước Vấn đề được quan tâm bởi vì:

(i) Chưa có hiểu biết đầy đủ về hiện tượng xói khi xây cầu, kể cả sự diễn biến tự nhiên của dòng sông (ii) Còn thiếu nhiều số liệu liên quan đến lũ dùng trong thiết kế, đặc biệt là biến đổi bất thường khí hậu gần đây

(iii) Tải trọng và tần suất sử dụng cầu đường ngày càng tăng nhanh vượt quá tầm kiểm soát của người thiết kế

Xói lở tại vị trí cầu, tại trụ và mố trước hết có thể do 04 nguyên nhân ban đầu:

(i) Cầu qua sông dưới các đập lớn làm dòng chảy bị đói bùn cát, phải tự hạ thấp đáy sông

do bùn cát bị tích đọng ở hồ thượng lưu đập, lượng xói này không hề nhỏ

(ii) Để giảm chi phí xây dựng đã làm cầu thu hẹp dòng chảy gây xói chung dưới cầu

(iii) Xói ngay tại chân trụ và mố cầu phụ thuộc vào điều kiện dòng chảy, loại hình trụ đã gây

ra cơ chế xói tại chân trụ, mố cầu ở một hai, hay cả ba hệ thống xoáy: xoáy dạng hình móng ngựa, xoáy trục đứng sau trụ và xoáy ngược dòng chảy ở mặt nước Các xoáy này làm tăng đột biến tốc độ và ứng suất tiếp cục bộ gây xói cục bộ

(iv) Do dòng chảy tác dụng lệch với trục dọc trụ

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến xói trụ và mố

Kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trong phòng và thực tế đo đạc trong sông ở các cầu đang khai thác cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu xói bao gồm:

(i) Khẩu độ thoát lũ Lcm – chiều dài cầu giữa hai mép mố

Chẳng hạn công thức

67 , 0

olc

l 89 , 0 l x

B

Bh

Q

Q

=

β hệ số tăng cường lưu lượng chung toàn cầu

Qp%TK và Qctn là lưu lượng thiết kế và qua dưới cầu lúc tự nhiên hay

m

oc l 7 / 6

l

TK

% p l

BQ

Qh

trong đó B là khoảng cách giữa hai tim trụ kề nhau; b là bề rộng trụ cầu; α giảm thì xói

tăng vì xói ở trụ này có thể ảnh hưởng đến trụ bên cạnh

(iii) Chiều sâu dòng chảy trước xói cục bộ

Thí nghiệm của Trần Đình Nghiên (1985 – 1988) chỉ ra h/b >3 thì vai trò của chiều sâu

dòng chảy ít ảnh hưởng đến xói

(iv) Ảnh hưởng của chính chiều rộng trụ và hình dạng đầu trụ Hình dạng trụ ảnh hưởng đến

xoáy dạng móng ngựa và sự tách dòng chảy làm ảnh hưởng đến xói lớn nhất

Kết quả nhiều thí nghiệm cho trong bảng 1

1,0; 0,80 0,45 0,75 0,88 0,94 1,00 (v) Góc nghiêng của dòng chảy Kθ

α

&

b/(K

dßng khiXãi

trôdäctrôc víing nghiªgãc

ëXãi

b4,1h

(3) Hay đề nghị của T.Paul Teng(N.FHWA, 6/2003):

55 , 0 83 , 0 66 , 0

cx 0,99b hh

3,0

i

vv

vv

i 2,65d h

v = là tốc độ khởi động của hạt; vc là tốcđộ để cả khối bùn cát chuyển động

(vii) Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy :

u*c là tốc độ động lực tới hạn hạt ở đáy bắt đầu chuyển động

c 50

055,0d,11

3,0

ν-độ nhớt động học của nước; ở t = 200C thì ν= x10− 6m2/s; S- độ dốc mặt nước; V- tốc

độ dòng chảy trước khi tính xói cục bộ; Vc -tốc độ hạt bắt đầu chuyển động;

Nếu hạt đều thì có thể tính theo các công thức sau:

3 / 1 50 6 / 1

c 6,19h d

4 50

c 3,6 hd

6d

hlg75,5u

v

50 c

*

6 / 1

50 c

*

c

d

h66,7u

c 6,625d h

)dddd(6

1

(viii) Ảnh hưởng của cấp phối hạt đất đáy sông

31 , 0 cxc ~d

h − cho xói nước trong; 0 , 07

=

σ

16

50 50

84

dd

d2

1

sẽ đánh giá được đất đồng nhất hay cấp phối và ảnh hưởng của cấp phối đến xói thông qua Kσở bảng 4

Bảng 4.Kσ∈σg ( Raudikivi (1984) và Kothyari (1990)) g

h

b)Fr(1,2h

02 , 0 50 4 , 0

c

15 , 0 cx

h

dbv

vhFr

50

d

h14,1

5 , 0

3

4 , 0 cx

gh

vb

h77,0b

Trong dòng chảy trụ tròn và trụ tròn đầu giống như tâm thu, thu hút các sợi xoáy vốn có

trong dòng chảy tập hợp chúng lại và với trường áp suất đủ lớn sẽ tạo ra xoáy dạng móng ngựa

bao chân trụ, đây là cơ chế cơ bản của xói

Có thể thấy các xoáy trước trụ, sau trụ; xoáy bao chân trụ và trong hố xói hình 1

Hình 1 Cấu trúc dòng chảy tại trụ và trong hố xói (xói nước trong) Xoáy khuấy đục bùn cát tạo tốc độ ngừng xói

06 , 0

50

3

hgh

4 Các phương trình gần đây dự đoán xói cục bộ

4.1 Đối với đáy sông là đất không dính

Một số công thức thông dụng trong quy trình một số nước được đánh giá thông qua số liệu

hiện trường

(i) Công thức HEC-18 (1993)

43 , 0 65 , 0 3 2 1

h

bKKK0,2h

cx K K K K Kb

cx

gb

v1v

v242,2b

, 0

50 50

d

hgd2,1

không áp dụng cho

c

v0,5

v < (không xói) (iv) Laursen và Toch (1956) được Neill viết lại (1964)

7 , 0 cx

h

b35,1h

h

2 1

vcho0

,1f

1v

v5,0cho1v

2vf

0,5 v/vkhi f

c

c c

b

hFrFr2b

b

hFrc85,1b

Khi 0 < Fr – Frc < 0,2 thì lấy giá trị lớn hơn trong (24) và (25)

Bảng tổng hợp các thông số của 515 số liệu hiện trường dùng để đánh giá các công thức [11]

(mm)

Hệ số hình dạng K s

Chiều rộng trụ b(m)

Chiều sâu dòng chảy

h (m)

Tốc độ v(m/s)

Chiều sâu xói thực tế

đáy phẳng trước xói, địa chất là hạt đều, không có hiện tượng tích đọng vật cản trươc trụ Tỷ số

giữa chiều xói tính theo công thức (17) đến (25) và chiều sâu thực đo:

cxđ

cxt h

(a)

s của b theo b/h

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

b/h

CT17 CT18 CT19 CT23 CT22 CT21 CT24

(c)

Trung bình của b theo Fr

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

CT17 CT18 CT19 CT23 CT22 CT21 CT24

(e)

Cv của b theo Fr

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Fr

CT17 CT18 CT19 CT23 CT22 CT21 CT24

(g)

Cv của b theo V/Vc

0 0.5 1 1.5 2 2.5

V/Vc

CT17 CT18 CT19 CT23 CT22 CT21 CT24

(h) Hình 2

Kết quả so sánh được thể hiện ở đồ thị hình 2a, b, c, d, e, f, g, h, chỉ ra:

- h/b tăng thì β có xu thế chung giảm, song riêng Breuser tăng;

- σít sai khác giữa các công thức khi 1 , 5 ≤ h / b ≤ 2 , 0và h/b ≥3;

- β~h/b chứng tỏ phạm vi xoáy móng ngựa hoạt động mạnh trong phạm vi 1 , 5 ≤ h / b ≤ 3;

- βtheo Fr rất phân tán ; xói lớn nhất khi dòng chảy gần khu vực phân giới;

- Sai lệch giữa các công thức giảm và ít phân biệt khi Fr = 1,25;

- Khi tốc độ gần tới hạn thì xói nhiều nhất, đồng thời có sự sai khác lớn giữa các công thức

- Giá trị HEC-18 cho β ≈ 1 , 5đối với h/b từ 1,5 – 3,0 và >3,0; β = 2 , 34 trong phạm vi Fr = 0,1 – 0,5, song hệ số Cv khá phân tán ( Cv = 0,04 – 0,96)

- Khi h/b≥3 thì công thưc HEC-18 và Breusers cho kết quả tương đương, song theo Fr thì công thức Breursers cho kết quả phù hợp hơn, đặc biệt với Fr = 0,1 – 0,5

Sử dụng 105 số liệu hiện trường và 150 số liệu thí nghiệm dùng đánh giá các công thức [12]

vb

hAb

3

5 , 0

(26)

(viii) V.Sh.Jsypin (1985)

γ β α

hAb

50 c

50 c

cx

gdd

h14,1v

h

dbv

vhAFrb

=

γ β

1gh

vh

btg1Ab

h

3

3 cx

gh

vb

~

h với α> 0; 0 < γ < 1 và 0 < β < 1; trong đó ϕlà góc nội

ma sát của đất trong nước

Sai số tương đối của chiều sâu xói cục bộ:

đo cx

đo cx tính cx

h

h

=Δ

và xác định độ lệch chuẩn của sai số tương đối

=

n1cũng như các thông số số A , α , , β γ ở mỗi công thức thông qua 255 số liệu [12] được cho trong bảng Kết quả so sánh mức độ phù hợp của các công thức:

Frb

h9,0b

Sẽ cho Δ max == 60 %; Δ min = − 50 % và σ = 21 % Giữa tính và đo gấp ± 1,5lần

Bằng số liệu thực tế GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục và KS.Nguyễn Hữu Khái đề nghị:

n

c

m d cx

v

vb

hCKb

;12,0m

;17,0m

0,1 0,0 -0,1

-0,2 -0,3 -0,4

Hình 3a Sơ đồ đường đẳng hệ số áp suất Cp trên đáy không xói với D = 6cm; h = 22cm; Fr = 0,33; Umax = 51cm/s

Hình 3b Thay đổi của hệ số áp Cp ở mặt đối

xứng qua tim trụ tại mặt trụ mô hình khi:

Fr=0,52; 0,22; 0,33 và h = 10,46cm;D = 5cm

Z/D~Cp

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

18cm Fr=0.65; h = 14cm

Hình 3c Thay đổi của Cp dọc theo mặt trụ z/D

z- tọa độ dọc theo trụ; D- đường kính trụ

Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và thực tế Trần Đình Nghiên [3] thông qua nghiên cứu thay đổi hệ số áp suất Cp trên đáy cứng (hình 3a là thí dụ) và trên mặt trụ (hình 3b,c) kiến nghị:

3 2 1 n

cb

5 , 0

v

vb

hKb

50

3

hghv

Hình 4e Quan hệ hct và hcđ theo công thức kiến nghị của tác giả và 12 công thức của 12 tác giả khác

4.2 Đối với đáy sông là đất dính (sét chiếm 32 %)

Kết quả nghiên cứu của 44 thí nghiệm trong phòng với thời gian là 20 giờ chỉ ra [15]

a Đối với đất không bão hòa

CFr)IWG(715,24bh

2

62 , 1 92 , 1 36 , 0 cx

=

trong đó: IWC là hàm lượng nước ban đầu; C là độ chặt %

Điều kiện có công thức là IWC = 15 – 50%; C = 50 – 100 %; Fr = 0,18 – 0,37; cường độ

chịu cắt của đất 0,1 – 0,45 kg/cm2

b Đối với điều kiện bão hòa

Thông số cường độ chịu cắt của đất không có ý nghĩa là và c liên quan đến hàm lượng nước

ban đầu, do đó:

FriFrcho)FriFr()IWC(0288,0b

Khi Fr < Fri thì không có xói; Fr=v/ gh

Fri là thông số Phơ rut mà trụ bắt đầu bị xói:

2

)IWC(

Re thay đổi từ 5.100 đến 84.840; Fr = 0,1 – 0,42, hàm lượng sét từ 25 – 65 %, cường độ

chịu cắt của đất 12,51 – 39,56 Kpa; trọng lượng đơn vị 17,45 – 18,00 KN/m3, hàm lượng nước

26,18 – 39,28 %, chỉ số dẻo 14,15 – 39,78% Kết quả của 42 thí nghiệm sau 641,5 giờ (27 ngày)

và một số thí nghiệm đến 70 ngày cho quan hệ có R2 =0,78

0,682

Nghiên cứu gần đây [16] đối với đất dính có sét (<0,002mm) là 54 %, đất bột (0,002 –

0,075mm) là 37% và cát (0,075 – 4,75 mm) là 9 % Loại đất này có chỉ số dẻo (PI) = 22%, độ ẩm

tự nhiên là 33%, giới hạn dẻo (PL) là 18 %; giới hạn chảy (LL) là 40% Kết quả thí nghiệm đối

với dòng chảy không có sóng cho Fr = 0,08 – 0,18 và Rep = 10.000 – 36.000 cho:

=α

=

u

c c

236 , 0 c cx

C

vDghv

)(124,0D

h

0,94Rvíi

(39)

c

τ là ứng suất tiếp tới hạn, Cu cường độ chịu cắt của đất không làm mất nước

Kết hợp sóng và dòng chảy cho phương trình

cw cx

172,0D

Công thức giới hạn đối với dốc sóng 0,012 <H/L < 0,10 và 200 <RcpFr< 14.000

Ngoài ra nghiên cứu lý thuyết bán thực nghiệm đối vơi dòng chảy không ổn định [7] dưới tác dụng của sóng vào trụ, đã đưa ra được biểu thức:

2 p

2 p s

max cx

Fr1

Fr6,1kb

(4) Mỗi công thức hay nhóm công thức có phạm vi sử dụng nhất định

(5) Chưa có nhiều nghiên cứu xói đất dính, còn quá ít số liệu thực tế xói trong đất dính (6) Thực tế nên tùy theo điều kiện cụ thể mà lựa chọn công thức sao cho phù hợp nhất, kết hợp với thực tế các cầu đang sử dụng để lựa chọn chiều sâu xói …, đồng thời phải kết hợp chặt chẽ với các phương pháp phòng xói

Tài liệu tham khảo

[1] Trần Đình Nghiên (1985-1988) Laboratory investigation of scour reduction near bridge pier by delta – wing like passive device , I.I.T Kapur.

[2] Trần Đình Nghiên (1992 – 1993) Lý thuyết tính xói cục bộ trụ cầu qua sông Việt nam, Đề tài cấp bộ

[5] Trần Đình Nghiên (2008) Xói lở ở công trình cầu, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội

[6] H.N.C.Breursers & CCs (1977) “Local scour around cyclindrical pies” No3/1977

[7] R.J.Garde; U.C.Kothyari (1998)“ Scour around bridge piers” PINSA 64,A,No.4, July

1998,pp-569-580

[8] A.J Raudkivi ; HN.C Breusers Scouring-1991 Rotterdam, Netherland

[9] U.C.Kothyari (2007) “Indian pratice on estimation of scour around bridge piers – A comment”,

June 2007 in India

[11] P.A Johnson (1995) “Comparison of pier – scour equations using field data” J.Hudr.Engry Vol 121,

No 8 /1995

[12] V.V Belikov & V.Sh.Tsypin “Vấn đề tính xói cục bộ trụ câu” Tuyển tập nghiên cứu thủy lực, No

424, 1998 (bản tiếng Nga

[13] K.S.Black & CCS (UK) “Working with natural cohesive sediments” J.Hyr.Engrg 1/2002

[14] Francis C.K.Ting &CCS “Flume tests for scour in clay at circular piers” J.hydr,Engrg Vol 127,

No11/2001

[15] FWHA “Pier scou in montmorillonite clay soils” Website of FHWA 2006

[16] M.Ram Babum V.Sundar & S.Narasimha Rao “Measurement of scour in cohesive soils around a vertical pile – simplified Instrumentation & Regression analysis” 0364 – 9059/03, 2003/IEEE [17] Bogomolov A.I; Altumin V.S & CCS “ Xói cục bộ ở trụ” tạp chí công trình thủy công, 7/1975 (bản

tiếng Nga)

Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học công nghệ và môi trường năm 2009

Viện Khoa học và Công nghệ GTVT

Hà Nội, 30/10/2009

Ổn định của đá gia cố tại trụ cầu

PGS.TS Trần Đình Nghiên

KS Mai Quang Huy

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt Báo cáo trình bày cơ chế làm mất ổn định của đá gia cố tại chân trụ cầu đối với xói

nước trong và xói nước đục, ảnh hưởng của các thông số đến sự ổn định của hạt Kiến nghị đường

kính đá bảo vệ và phương pháp bảo vệ trụ cầu

Abstract Mechanism of riprap failure at bridge piers in clear water and lived bed condition;

influence of parameters such as fluid, flow, bridge pier, bed material on riprap stability are given

here Riprap size and countermeasures against scouring around bridge piers are proposed

1 Giới thiệu chung

Trụ cầu trong sông vào mùa lũ là vật cản, làm hình thành xung quanh trụ trường áp suất và tốc độ

thay đổi khác với khi không có trụ, làm hình thành xoáy nước rất mạnh ở chân trụ tách bùn cát khỏi

chân trụ tạo ra hố xói gây nguy hiểm cho trụ và có thể làm sập cầu Biện pháp thường sử dụng nhất là

bỏ đá quanh chân trụ cầu phòng xói để để đá có thể chịu được năng lượng xói của dòng chảy Trường

hợp xói nước trong, lớp đá bảo vệ chân trụ cầu vẫn có thể bị dòng lũ làm mất tác dụng bảo vệ, mất sự

ổn định theo các cách sau:

(i) Đá bị lũ cuốn đi do ứng suất tiếp hay tốc độ của dòng chảy;

(ii) Đá bị chìm xuống do hạt nhỏ phía dưới bị xói cuốn đi và do tác dụng của dòng thấm đẩy hạt

nhỏ lên

(iii) Xói ngầm phía rìa đá gia cố làm hỏng các lớp gia cố

Đối với xói nước đục ngoài 03 nguyên nhân trên còn do tính không đồng đều của đáy dòng chảy

được tạo ra khi đáy sóng cát di chuyển đến trụ, làm hạ thấp toàn bộ lớp đá bảo vệ chân trụ thúc đẩy

thêm 03 nguyên nhân trên

2 Xác định đường kính đá gia cố và cao độ đặt lớp đá gia cố

2.1 Đường kính đá gia cố

(1) Ibash (1935) đề nghị:

2 50

0, 693(Kv)D

2 g

=

trong đó: K = 1,5 (cho trụ tròn) và K = 1,7 (cho trụ vuông); v =Q

ω song phải nhân với 0,9 đối

với trụ gần bờ thẳng, và nhân với 1,7 cho trụ ở lòng sông và cong

(2) Phương trình của Neill (1967) cho sỏi sạn ở khu sức cản bình phương:

50 0,2

0, 4vD

(4) Quazi và Peterson (1973) đề nghị đối với trụ tròn:

1,25 2

0,877vD

(6) Began và Semenov (1984) thấy đường kính đá gia cố phụ thuộc vào tốc độ v, chiều sâu h và

chiều rộng trụ, và có thể có Dmax và Dmin:

2 max

2 min

3 50

p v 2 50

0, 58K K h

trong đó: Kp là hệ số hình dạng trụ (Kp = 2,25 cho trụ tròn; Kp = 2,28 cho trụ vuông)

Kv: là hệ số tốc độ (Kv = 0,81 cho trụ gần bờ thẳng đến Kv = 2,89 cho trụ ở lòng sông,

ngoài đoạn cong )

0, 692(f f v)D

Y

h

Yr: là khoảng cách từ cao độ đáy trung bỉnh đến mặt lớp đá gia cố ( mặt đá gia cố dưới cao độ

trung bình đáy; thí nghiệm với Yr/h = 0,1 – 0,3 tới 0,6)

2.2 So sánh các công thức

Đường kính đá không chỉ là hàm của tốc độ, do vậy sử dụng quan hệ tương đối D50/h để đánh giá

so sánh các công thức, một số công thức được viết lại

Neill (1967):

2,5 50