Giới thiệu một số vật liệu mới và công nghệ trong ngành giao thông vận tải

Hội thảo ứng dụng khoa học công nghệ trong ngành giao thông vận tải giới thiệu một số vật liệu mới và công nghệ tiên tiến trong xây dựng đường ô tô và sân bay

giới thiệu một số vật liệu mới và công nghệ tiên tiến trong xây dựng đường ô tô và sân bay

GS.,TS., Vũ Đình Phụng Tr-ờng Đại Học Xây Dựng

Bài báo này nhằm cung cấp cho độc giả tìm hiểu và áp dụng một số vật liệu mới và công nghệ tiên tiến đang đ-ợc sử dụng rộng rãi ở ngoài n-ớc và bắt đầu đ-ợc sử dụng ở trong n-ớc trong các công trình xây dựng đ-ờng và sân bay

Phần 1: giới thiệu một số vật liệu mới dùng trong xây dựng công trình

I Vải địa kĩ thuật (Geotextiles) và các chức năng chính của nó

Theo công nghệ chế tạo VĐKT có 2 loại: VĐKT dệt (Woven Geotextiles) và VĐKT không dệt (Non Woven Geotextiles) Hình 1 trình bày 2 loại VĐKT này

Hình 1 Hai loại VĐKT

Chức năng của VĐKT rất đa dạng và phong phú, song ta có thể xếp thành 7 chức năng chính nh- sau:

1 Làm lớp ngăn cách: ngăn cách giữa hai loại vật liệu khác nhau: giữa lớp bùn sét (đất yếu) nằm d-ới lớp đệm cát, giữa tầng th-ợng của nền đắp bằng cát với lớp móng Câp phối đá dăm của kết cấu áo đ-ờng

Hình 2: VĐKT làm chức năng ngăn cách

2 Gia c-ờng nền đ-ờng đắp trên đất yếu với chiều cao đắp từ 2-3m vẫn đảm bảo ổn định không bị tr-ợt trồi Chức năng này đã đ-ợc tác giả sử dụng rất thành công ở các công trình: Đ-ờng ở khu công nghiệp Chới-Vũ Oai- Quảng Ninh; Nút giao thông hình xuyến trên Quốc lộ 51A-51B ở thành phố Vũng Tàu; Quốc lộ 1A tránh thành phố Vinh; khu du lịch sinh thái Thành Phố Việt Trì.vv v.Thi công đơn giản, nhanh, hiệu quả kinh tế cao so với ph-ơng pháp khác.(Hình 3).

Đất yếu

Hình 3: VĐKTgia cố nền đắp trên đất yếu

3 Bảo vệ, chống xói mòn các mái taluy nền đ-ờng đắp, đê, đập, đặc biệt là nền đ-ờng đắp ven theo sông, hồ và đê lấn biển có mực n-ớc thay đổi hàng ngày của thủy triều.(Hình 4)

Hình 4 V Đ KT bảo vệ chống xói mòn mái taluy nền đ-ờng, đê, đập, đê lấn biển VĐKT gia cố chống xói mái dốc của các hồ, gia cố chống xói mòn th-ợng hạ l-u sông tại các vị trí cầu Ví dụ: VĐKT đã đ-ợc dùng để gia cố th-ợng hạ l-u của cầu Phù Đổng trên sông Đuống, Cầu Nh- Nguyệt qua sông Cầu, Cầu S-ơng Giang qua sông Th-ơng và gia cố mái của 3 hồ điều hòa ở Trung tâm hội nghị quốc gia- Hà Nội v v

4 VĐKT làm cốt cho t-ờng chắn đất có cốt mềm ở đ-ờng đắp cao dẫn lên cầu hoặc các t-ờng chắn trên các đ-ờng cao tốc, nh- Đài Loan, chiều cao của t-ờng chắn loại cốt VĐKT cao tới gần 50m Hình 5 thể hiện hình ảnh t-ờng chắn VĐKT

5 Hạ mực n-ớc ngầm ở các công trình xây dựng nhà cao tầng có các tầng hầm, hạ mực n-ớc ngầm tại nền đ-ờng đào ở các nơi có mực n-ớc ngầm cao, dùng trong hệ thống làm khô ở các đ-ờng băng sân bay, sân vận động, sân gol có mực n-ớc ngầm cao Thi công đơn giản, hiệu quả tốt, đảm bảo công trình ổn định, giá thành thấp

Hình 6.a

Hình 6.b

Hình 6.c

Hình 6 VĐKT kết hợp với ống nhựa (có đục lỗ) để cắt ảnh h-ởng của n-ớc ngầm đến các công trình xây dựng nhà cao tầng, xây dựng đ-ờng và sân bay (a) VĐKT trong các tầng hầm có MNN cao; (b) (c) Cắt ảnh h-ởng của MNN trong nền đ-ờng đào ở vùng đồng bằng, vùng núi

6 VĐKT thay tầng lọc ng-ợc để thoát n-ớc của các công trình t-ờng chắn đất - Tr-ớc khi đắp đất ng-ời ta dùng VĐKT trải lên l-ng t-ờng chắn, rải 1 lớp cát hạt thô dày 15-20cm rồi VĐKT bọc lại làm lớp thoát n-ớc sau l-ng t-ờng chắn rất tốt Công nghệ này đã đ-ợc dùng ở t-ờng chắn cầu Kép trên QL1 đoạn Hà Nội - Lạng Sơn từ năm 1998

Hình 7 VĐKT làm lớp thoát n-ớc sau l-ng t-ờng chắn

7 VĐKT làm ống VĐKT để đắp đê biển có giá thành thấp, có khả năng tốt chống lại sự phá huỷ của sóng, đặc biệt khi có bão lớn Công nghệ này còn dùng để xử lý n-ớc thải có lẫn các chất thải rắn ở các khu công nghiệp VĐKT đ-ợc khâu thành các ống có đ-ờng kính từ 50 – 200cm, hoặc các tấm nh- các tấm đệm rồi bơm đầy cát vào trong đó để đắp thành các đê chống sóng biển Tại làng Tonsupa của sông Rio Tonsupa ở Ecuador đã dùng ống VĐKT do hãng “Geofrom International” thiết kế với 7 ống đ-ờng kính 2m dài 50m, 6 ống đ-ờng kính 2m dài 100m và 10 ống đ-ờng kính 2m dài 300 m để chống lại sự phá huỷ do dòng EnNino gây ra năm 1997-1998 đạt kết quả tốt Công nghệ ống VĐKT cũng đ-ợc xử lý thành công cho việc thoát n-ớc thải của x-ởng thuộc da vùng Mid Atlanfic đạt kết quả tốt X-ởng không phải di dời mà vẫn hoạt động trong điều kiện tối -u, thoả mãn các yêu cầu nghiêm ngặt về điều kiện môi tr-ờng

II Các loại màng mỏng PVC (Geomembrence) sử dụng trong các công trình xây dựng

Hiện nay có 3 loại màng mỏng đang đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng

+ Màng mỏng bằng chất dẻo (Thermoplastic Polyester): PVC ( Polyvinyl cholorid), polyethylen (LDPE, LLĐPE, HDPE), CPE (Cholorinated polyethylene), PA (Polyamide)

+ Màng mỏng loại cao su (Thermoset Polymer)

+ Chất tổng hợp: PCV (Caosu nifric), PE-EPDM, CPE (Crosslinked) CSPE (Cholorosulfenate polyethylene)

Chức năng của các màng mỏng:

+ Gia c-ờng mái ta luy nền đắp

Hình 8 + Neo giữ đất đắp và

+ Làm lớp chống thấm ở th-ợng l-u các đập n-ớc.Hình 9

III L-ới địa kỹ thuật (Geogrid )- L-ới sợi thuỷ tinh (Glasgrid)

L-ới địa kỹ thuật ( LĐKT) là loại vật liệu đ-ợc chế tạo từ các chất dẻo polymer có dạng l-ới đơn hoặc kép Còn l-ới sợi thuỷ tinh là loại vật liệu đ-ợc chế tạo từ thuỷ tinh Thuỷ tinh đ-ợc nấu lỏng, tạo thành sợi rời đan thành l-ới: có l-ới đơn và l-ới kép

H×nh 10 tr×nh bµy mét sè d¹ng L§KT vµ l-íi thuû tinh:

H×nh 11

H×nh 12

đ-ợc tuổi thọ của đ-ờng ( Hình 12)

IV Rọ đã công nghệ mới – so với rọ đá kiểu cũ thì rọ đá này mới cả về vật liệu và công nghệ chế tạo Vật liệu là l-ới thép c-ờng độ cao mạ kẽm bằng ph-ơng pháp nhúng nóng với trọng l-ợng lớp thép phủ từ 200- 280 g/m2 và ngoài thép mạ đ-ợc bọc một lớp nhựa PVC có chiều dày tối thiểu 0.5mm cho một mặt Điểm mới nữa là kích th-ớc hình học cũng rất đa dạng: khối lập ph-ơng, khối chữ nhật, khối trụ, thảm có đuôi và cả những dạng đặc biệt theo yêu cầu của ng-ời đặt hàng

Rọ đá công nghệ mới đã và đang sử dụng rộng rãi và có hiệu quả trong các công trình xây dựng cầu đ-ờng, thuỷ lợi, xây dựng dân dụng, công nghiệp ở mọi địa hình ngay tại nơi điều kiện môi tr-ờng khắc nghiệt nh- các công trình biển đảo, vùng núi cao đất đá phong hoá và cả nơi có động đất nh- làm t-ờng chắn đất ở nền đ-ờng đào, chống xói mòn nền đ-ờng đắp dọc theo sông, hồ, ven biển Rọ đá này còn đ-ợc dùng để lát kênh đào khi tốc độ n-ớc chảy trong kênh lớn

Từ năm 2003-2005 rọ đá này đã đ-ợc dùng để làm t-ờng chắn trên đ-ờng Hồ Chí Minh

V Vật liệu gia cố đất

Một h-ớng khác của công nghệ chế tạo vật liệu mới là sử dụng các chất vô cơ hoặc hữu cơ để gia c-ờng đất hoặc các vật liệu truyền thống làm vật liệu xây dựng mặt đ-ờng ôtô và sân bay nh-:

Sử dụng chất vô cơ có tên Th-ơng mại “Rock-Xi măng-N-ớc” để gia c-ờng đất cát tại chỗ nâng cao đ-ợc khả năng chịu tải và ổn định tốt với n-ớc có thể thay thế đ-ợc cấp phối đá dăm làm lớp móng trên, lớp mỏng d-ới của mặt đ-ờng cấp cao chủ yếu trong xây dựng đ-ờng ôtô, làm lớp mặt của mặt đ-ờng giao thông nông thôn đạt hiệu quả kinh tế cao Trong khoảng 10 năm qua Trung Quốc đã sử dụng rất rộng rãi vật liệu này làm móng trong kết cấu áo đ-ờng cao tốc Công ty TNHH Rock Nhật Bản đã tiến hành nhiều thí nghiệm ở trong phòng thí nhiệm và thực nghiệm ở hiện tr-ờng vật liệu “ Rock-Xi măng- Đất“ cho kết quả tốt nh-: "Rock + 6% Xi măng + Đất đồi làm đ-ờng" làm lớp mặt đ-ờng đê sông Tả Phố

đáy huyện Tam D-ơng -Vĩnh Yên cho đ-ờng giao thông nông thôn, “ Rock- Xi măng-Đất sét“ để làm lớp chống thấm cho các hồ nuôi tôm của công ty Việt Mỹ ở Quảng Ninh Theo chúng tôi, đây là loại vật liệu tốt để xây dựng các lớp móng của mặt đ-ờng ôtô và lớp mặt của mặt đ-ờng giao thông nông thôn, đặc biệt ở các vùng thiếu các vật liệu truyền thống nh- đồng bằng ông Cửu Long, ở các vùng sâu , vùng xa

I Các công nghệ sử lý nền đắp (nền đường, đê, đập ) trên đất yếu

1 Công nghệ thi công bấc thắm (PVD-Phabricated Vertical Drainage), giếng cát (SWD-Sandy Well Drainage), Cọc cát (SP-Sandy pipe) có gia tải tr-ớc ( Pre-load) để xử lý nền đất trên đất yếu

Trong khoảng 10 năm trở lại đây, các công nghệ PVD, SWD và SP đã và đang đ-ợc dùng để xử lý nền đ-ờng đắp trên đất yếu ở n-ớc ta đạt hiệu quả tốt nh-: QL5(1995), QL1(1998), đ-ờng Chới Vũ Oai _ Quảng Ninh (2001), đ-ờng tránh thành phố Vinh _Ql1A (2002), đ-ờng cao tốc Trung L-ơng-Thành phố Hồ Chí Minh (2004), đ-ờng cao tốc Giẽ-Ninh Bình 2006•vv•.Độc giả có thể tham khảo lý thuyết tính toán ở các tài liệu [1,2]

2 Công nghệ cọc đất gia cố xi măng

Tuỳ theo công nghệ thi công khác nhau, cọc đất gia cố xi măng có 2 loại: Công nghệ trộn khô (D.M_ Drymixing) hay còn gọi là trộn cơ học (MM_Mechanical.mixing )

+ Trộn khô (DM)-Sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất hoặc cần khoan xoắn dạng ruột gà Tr-ớc hết khoan đến chiều sâu thiết kế, tiếp sau vừa rút cần khoan lên vừa bơm xi măng khô theo trục khoan vừa cắt đất và trộn đất với xi măng Đ-ờng kính cọc th-ờng từ 30-80cm, chiều dài cọc xử lý thích hợp từ 10-20 m

(tối đa 25 m) Ưu điểm của công nghệ này là thiết bị thi công gọn, tốc độ nhanh (15m cọc /h), qui trình kiểm soát chất l-ợng đơn giản hơn công nghệ trộn -ớt Tuy nhiên có một số nh-ợc điểm: không thực hiện đ-ợc (hoặc khó thực hiện) khi trong đất có lẫn rác, cành cây, đất sét, đất lẫn cuội đá hoặc có các lớp đất cứng nằm trong nền đất yếu

+ Trộn -ớt (Wet mixing ) Trộn bằng tia vữa cao áp (Jet_grouting) Khi thi công tr-ớc hết phải dùng máy khoan đ-a cần khoan (ở đầu có vòi phun) tới độ sâu cần gia cố rồi bơm “N-ớc_ Xi măng “ với áp lực 20-40 MPa phun xả phá vỡ đất Lực xung kích của dòng phun sẽ trộn đất với vữa tao ra cột đất _Xi măng khi vữa cứng sẽ tao ra cọc xi măng đất (CXMĐ) Hiện nay có 3 loại thiết bị trong họ Jetgrouting

Loại S : Mũi khoan chỉ có 1 lỗ phun vữa “ n-ớc + xi măng “ Loại này có khả năng tao CXMĐ có đ-ơng kính D = 40-80cm

Loại D: Có một dòng không khí phun ra bao bọc lấy tia vữa có tác dụng tăng khả năng cắt-trộn đất Loại này có thể làm CXMĐ có đ-ờng kính lớn D = 80-120

Loại T: Vòi phun vữa nằm d-ới , phía trên có một vòi phun hỗn hơp “ khí + n-ớc” (dòng khí bao lấy dòng n-ớc) có tác dụng tăng c-ờng phá đất tạo ra CXMĐ có đ-ờng kính rất lớn D max = 300 cm

Công nghệ trộn -ớt đ-ợc áp dụng rộng rãi, có thể xử lý khi bệ mặt nền cần gia c-ờng nằm sâu trong n-ớc Chiều sâu CXMĐ tới 50m, D=300cm, hàm l-ợng xi măng có thể đạt 500kg/m3 chỉ 1 lần khoan Nếu cần có thể dễ dàng thêm phụ gia vào Chất l-ợng đồng đều Có thể thi công với diện tích mặt bằng chật hẹp trong vùng đô thị đông đúc Nh-ợc điểm chính của loại trộn -ớt là l-ợng xi măng nhiều hơn trộn khô vì có xi măng theo dòng trào ng-ợc, thiết bị thi công phức tạp, đòi hỏi ng-ời điều khiển phải thành thạo

Công nghệ CĐXM đã đ-ợc sử dụng rộng rãi ở nhiều n-ớc trên thế giới :

Trung Quốc bắt đầu dùng CĐXM từ 1978, riêng công nghệ DM đến nay đã tới 1triệu m3 để xử lý nền đ-ờng đắp trên đất yếu của các đ-ờng cao tốc đạt chất l-ợng tốt trong thi công và khai thác

ở Nhật, cho đến năm 2005 l-ợng đất gia cố theo công nghệ DM vào khoảng 23,6 triêu m3 cho các dự án ngoài biển, trong đất liền có khoảng 300 dự án Hàng năm ở Nhật đã dùng khoảng 2 triệu m3

Tại Mỹ Công nghệ CĐXM để xử lý và nâng cấp các đập đất nhằm đáp ứng mục tiêu an toàn vận hành và ngăn ngừa hiện t-ợng thấm qua thân đập Để kiểm soát dòng thấm các t-ờng bằng đất-xi măng đ-ợc cắm vào đá gốc xuyên qua thân đập đất và lớp trầm tích với chiều dày đất- xi măng 60 cm, dài 50-60 m, sâu tới 43 m C-ờng độ nén của đất xi măng đạt 2254kPa, hệ số thấm 1x10-6 cm/s, hàm l-ợng xi măng 350-550 kg/m3 Ví dụ ở hồ Jacksơn (Jacksơn Lake) t-ờng chống thấm Bê tông đất xây dựng để chống thấm và ngăn ngừa nền có khả năng hoá lỏng khi có động đất Đập Lockingtôn_ t-ờng bê tông đất đảm bảo an toàn chống thấm cho lõi đập

Hiện nay xu thế ở các n-ớc trên thế giới sử dụng nhiều công nghệ cọc đất xi măng trộn khô (DM)

ở Việt Nam công nghệ CĐXM bắt đầu đ-ợc nghiên cứu và sử dụng vào những năm đầu của thế kỷ 21 này

Năm 2002 bắt đầu ứng dụng CĐXM vào dự án cảng Ba ngòi _Khánh Hoà với 4000 m CXMĐ, D = 60 cm theo công nghệ DM CXMĐ trộn khô để xử lý nền

Hình 13,14 chỉ sơ đồ kết cấu thanh/cáp neo trong đất

Thanh/cáp neo ở đây chỉ toàn bộ chiều dài thanh/ cáp neo đ-ợc dính kết bằng vữa xi măng cát Thanh neo th-ờng bằng cốt thanh gai , còn cáp neo là các sợi hoặc bó cáp c-ờng độ cao Toàn bộ cốt thép- vữa xi măng cát đ-ợc neo vào khối đất xung quanh nó Đất đá mái ta luy phát sinh biến dạng sẽ bị hạn chế nhờ mô đun đàn hồi lớn của khối vữa có cốt nên hạn chế biến dạng của khối đất đá ta luy, làm ổn định khối đất đá này Bản đệm đầu ngoài thanh neo sẽ có tác dụng lớn đối với biến dạng của khối đất

Có nhiều loại thanh neo dùng để gia cố: thanh neo thông th-ờng, thanh neo tự khoan, cáp neo ứng suất tr-ớc

Công nghệ cáp neo có trong đất đ-ợc sử dụng rất rộng rãi trong các công trình xây dựng nhà cao tầng, xây dựng đ-ờng hầm và xây dựng nền đ-ờng đào có mái ta luy đào cao

Lần đầu tiên khoảng 8-2004 công nghệ cáp neo ứng suất tr-ớc của OVN đã đ-ợc thực hiện thí điểm ở đ-ờng Hồ Chí Minh đoạn Đá Đèo _Quảng Bình từ lý trình Km 511+630 đến Km 511+810(180 m)

Đây là công trình thử nghiệm đầu tiên cáp neo ứng suất tr-ớc của OVM để gia cố mái ta luy nền đào cao Qua hơn 2 năm theo dõi sự làm việc của cáp neo cho thấy nền đ-ờng ổn định tốt, không thấy sự biến dạng hay sụt tr-ợt Chi tiết về tính toán thiết kế, công nghệ thi công, yêu cầu về vật liệu cốt và vữa xi măng cho công nghệ cáp neo của OVM đ-ợc trình bày chi tiết ở các công trình [1]

H×nh 13

H×nh 14

Tài liệu tham khảo

1 GS.TS Vũ Đình Phụng, Ths Vũ Quốc C-ờng- Công nghệ và vật liệu mới trong xây dựng đ-ờng-NXB Xây dựng 12.2005

2 Tuyển tập báo cáo “Hội thảo khoa học về các giải pháp xử lý nền đất yếu trong xây dựng công trình giao thông khu vực đồng bằng Sông Cửu Long” – Vụ khoa học công nghệ, Ban QL Mỹ Thuận, Hà Nội 2005

3 Tiêu chuẩn Anh-BS 8006-1995- Đất và các vật liệu khác có gia c-ờng (có cốt) Ng-ời dịch –GS Vũ Công Ngữ, GS D-ơng Học Hải NXB Xây dựng – Hà Nội 2002

4 Robert M.Koermer Desining with Geosynthetic PricticeHall – Englewood Cliffs NJ 7632-1986