Nghiên cứu sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam giảm lún nền đường đầu cầu đắp cao trên đất yếu và tính toán ứng dụng cho cầu Đăk Xa đường Hồ Chí Minh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA     NGUYỄN ĐỨC TÀI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU NHẸ GEO FOAM GIẢM LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU ĐẮP CAO TRÊN ĐẤT YẾU VÀ TÍNH TỐN ỨNG DỤNG CHO CẦU ĐĂK XA ĐƯỜNG HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số: 8580.205 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ HỮU ĐẠO Phản biện 1: TS TRẦN TRUNG VIỆT Phản biện 2: TS NGUYỄN VĂN CHÂU Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học ĐàNẵng trường Đại Học Bách Khoa - Thư viện Khoa ., Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, đường HCM từ lý trình Km1354+686m đến Km1407+209m có 25 điểm lún đường đầu Cầu Tuyến đường đưa vào sử dụng 10 năm, tác dụng tải trọng đắp cao tải trọng xe chạy làm cho tuyến bị lún nứt Đặc biệt đoạn Cầu Đăk Xa thuộc xã Phước Đức, đoạn đầu Cầu Kà Tôi 1, Kà Tôi xã Phước Năng, đường lý trình Km1351+452m thuộc huyện Phước Sơn, Tỉnh Quảng Nam Sự cố kết xảy nhanh với đất có thành phần hạt cát sỏi sạn Mục tiêu nghiên cứu - Khảo sát, hệ thống đầy đủ thực trạng, phân tích nguyên nhân, chế gây lún, nứt mặt đường đầu Cầu sạt lở tuyến đường HCM đoạn qua huyện Phước Sơn - Đề xuất tính tốn kết cấu giải pháp đường vật liệu nhẹ Geo Foam để giảm độ lún tăng ổn định đường đầu Cầu đắp cao đất yếu, điểm vị trí lún nứt đường đầu Cầu Đăk Xa mà tác giả nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nhẹ Geo Foam cho đường đắp cao đất yếu tuyến đường Hồ Chí Minh từ Km1354+686m đến Km1407+209m (L=53,9Km) thuộc địa phận Huyện Phước Sơn-Tỉnh Quảng Nam - Phạm vi nghiên cứu: Nền đường hai đầu Cầu Đăk Xa lý trình: Km308+597,08m xã Phước Đức-Huyện Phước Sơn-Tỉnh Quảng Nam tuyến đường HCM đoạn qua Khâm Đức-Đăk Zôn Phương pháp nghiên cứu Khảo sát trạng phân tích đánh giá nguyên nhân lún đường đầu Cầu cơng trình Cầu mà tuyến qua Thu thập tài liệu liên quan đến vật liệu nhẹ Geo Foam cũng, thu thập số liệu địa chất khu vực xây dựng công trình, tài liệu Cầu Đăk Xa, tính tốn áp dụng vật liệu nhẹ Geo Foam để đưa giải pháp xử lý phù hợp cho đường Đầu Cầu Luận văn kết hợp phân tích lý thuyết với phương pháp tính tốn mơ phần mềm Plaxis để đưa biện pháp xử lý hiệu đắp cao đường đầu Cầu Đăk Xa Nội dung nghiên cứu cấu trúc đề tài Nội dung luận văn bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan lún đường đầu Cầu Chương 2: Đánh giá trạng lún đường đầu Cầu đoạn Khâm Đức-Đăk Zôn, đường HCM đề xuất giải pháp Chương 3: Thí nghiệm số tính chất lý vật liệu Geo Foam Chương 4: Tính toán ứng dụng giải pháp vật liệu nhẹ Geo Foam cho đường đầu Cầu Đăk Xa Kết luận kiến nghị Chương - TỔNG QUAN VỀ LÚN CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU 1.1 Các dạng lún đường đầu Cầu + Lún vệt bánh xe: + Lún lõm cục bộ: - Đối với mặt đường Bê Tông Xi Măng (BTXM) lún thường cập kênh, chênh lệch cao độ tấm, uốn vồng 1.2 Các giải pháp xử lý đường đầu Cầu đắp cao đất yếu Có nhiều giải pháp xử lý đường đầu Cầu đắp cao đất yếu áp dụng vào thực tế như: - Đắp theo giai đoạn; - Làm bệ phản áp; - Phương pháp gia tải trước; - Phương pháp giảm tải trọng đắp; - Dùng vải lưới địa kỹ thuật; 1.3 Đặc điểm đường đắp cao và lún khu vực miền núi + Đặc điểm đường đắp cao dễ ổn định tính tồn khối, tức dễ bị phá hoại hay biến dạng + Nền đường đắp cao thường không đảm bảo có đủ cường độ, tức khơng đủ độ bền chịu cắt trượt bị biến dạng dạng tích lũy chịu tác dụng tải trọng xe chạy kết cấu áo đường dễ bị phá hoại + Nền đường đắp cao thường không đảm bảo ổn định cường độ, cường độ dễ thay đổi theo thời gian, khí hậu, thời tiết bất lợi + Không đủ độ bền chịu cắt trượt dễ bị biến dạng tác dụng tải trọng xe chạy trọng lượng thân đắp 1.4 Giải pháp công nghệ vật liệu nhẹ Geo Foam 1.4.1 Định nghĩa Vật liệu Geo Foam thuật ngữ chung sử dụng để mô tả sản phẩm địa kỹ thuật làm vật liệu nhẹ, bọt xốp, sử dụng từ năm 1960, thuật ngữ tương đối mới, loại vật liệu nhẹ có tỷ trọng nhỏ, trọng lượng thể tích không lớn, bao gồm tổng hợp nhiều cốt liệu, chất tạo bọt thành phần cốt liệu 1.4.2 Sơ lược hình thành phát triển + Việc nghiên cứu Geo Foam – Bê Tông Nhẹ Việt Nam nhiều nhà khoa học quan tâm Viện vật liệu xây dựng có nghiên cứu Nguyễn Văn Chánh, Nguyễn Hoàng Đạt, Nguyễn Tuấn Nam Các nghiên cứu Bê Tông Nhẹ giới thực từ lâu, số kết nghiên cứu đưa tài liệu + Vật liệu Geo Foam áp dụng mái đập, đê kè, ổn định mái dốc nghiên cứu Tymothy D.Stark Cũng đưa phân tích tính tốn Arellano Stark (2009) Vì để giảm lún cho đường đắp cao giảm tải trọng đắp tác giả nghiên cứu thực nghiệm cho Bê Tơng Nhẹ Hình 1.2 Hình ảnh khối Bê Tông Nhẹ Geo Foam + Năm 1996 Miki tóm tắt cơng trình ban đầu liên quan đến bọt xốp EPSblock sản xuất Hashimoto năm 1994 Để sử dụng xây dựng công viên Kiba Tokyo, Nhật Bản Geo Foam sử dụng thành cơng tồn giới phải kể đến nước Na Uy, Hà Lan, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đức Malaysia Ở Na Uy sử dụng vào năm 1965 vào dự án đường kè năm 1972 (Frydenlund and Aaboe 2001) Ở Hà Lan bắt đầu vào năm 1970 (Van Dorp 1988) Ở Malaysia dùng năm 1992 (Mohamad 1996) 1.5 Các phương pháp tính tốn ổn định cường độ đắp đất yếu 1.5.1 Phương pháp cân giới hạn + Các giả thuyết tính tốn: Để lập phương trình cân giới hạn khối đất trượt tác giả như: K.E Peteecxơn, W.Fellenius, Bishop, Sokolovski, K.Terzaghi dựa vào công thức A.C.Coulomb (Định luật Mohr-Coulomb) để xác định ứng suất cắt S=C+𝜎𝑛 tgφ (1.1) S=C+(𝜎𝑛 -u).tgφ (1.2) Phương trình CBGH xác định dựa giả thuyết: + Đất xem vật liệu tuân theo định luật Mohr-Coulomb + Hệ số ổn định (hệ số an toàn) cho tất điểm mặt trượt + Trạng thái CBGH xảy mặt trượt a Phương pháp phân mảnh cổ điển: Phương pháp phân mảnh cổ điển tính theo sơ đồ bên hệ số ổn định 𝐾𝑖 (Bỏ qua động đất) ứng với mặt trượt có tâm 𝑂𝑖 xác định theo công thức: O r f q Hình 1.3 Sơ đồ phân mảnh với mặt trượt tròn Chú dẫn: Nền đắp Lớp Lớp (đất yếu) Cung trượt Mảnh i 𝐾𝑖 = ∑𝑛 𝑖=1(𝑐𝑖 𝑙𝑖 +𝑄𝑖.cos 𝛼𝑖 tan 𝜑𝑖 +𝐹(𝑌/𝑅𝑖 ) ) (1.3) ∑𝑛 𝑖=1(𝑄𝑖 sin 𝛼𝑖 ) b Phương pháp Bishop: h g a b j e m d c Hình 1.4 Sơ đồ xác định tâm trượt nguy hiểm Tính tốn theo phương pháp Bishop hệ số ổn định 𝐾𝑖 ứng với mặt trượt tròn trung tâm 𝑂𝑖 xác định theo công thức: Chú dẫn: 1: Nền đắp 2: Nền đất yếu 3: Vùng tâm trượt nguy hiểm 𝐾𝑖 = 𝑄𝑖 tan 𝜑 ∑𝑛 ].𝑚𝑖 +𝐹(𝑌/𝑅𝑖 ) 𝑖=1[𝐶𝑖 𝑙𝑖 + cos 𝛼𝑖 𝐾𝑖 ∑𝑛 𝑖=1 𝑄𝑖 sin 𝛼𝑖 (1.4) Với 𝑚𝑖 =(1+ tan 𝜑𝑖 tan 𝛼𝑖 )-1 1.5.2 Phương pháp phần tử hữu hạn + Phương pháp PTHH cơng cụ hữu ích cho việc mơ toán địa kỹ thuật + Plaxis phần mềm sở PTHH, dùng để phân tích toán địa kỹ thuật chuyển vị, ổn định, dịng thấm Plaxis sử dụng rộng rãi tính tốn cơng trình thực tế sử dụng đơn giản, thân thiện với người dùng kết đáng tin cậy Kết luận: Tác giả lựa chọn dùng phần mềm Plaxis để tính tốn nghiên cứu luận văn 1.6 Kết luận chương 01 - Trong nội dung chương 01, tác giả giới thiệu tổng quan lún đường đầu Cầu, đưa giải pháp xử lý lún đường đầu Cầu đắp cao đất yếu Và phương pháp tính toán ổn định đường đắp đất yếu, sở để tính tốn ổn định xử lý lún đường đầu Cầu đắp cao đất yếu tuyến đường HCM đoạn qua huyện Phước Sơn, tỉnh Quảng Nam Chương - ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG LÚN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU ĐOẠN KHÂM ĐỨC-ĐĂK ZÔN, ĐƯỜNG HCM VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP 2.1 Giới thiệu tuyến đặc điểm kinh tế, xã hội, giao thơng 2.1.1 Điều kiện tự nhiên địa hình 2.1.2 Điều kiện địa chất thủy văn 2.1.3 Các đặc điểm kinh tế, xã hội Giao Thông 2.2 Đánh giá thực trạng lún đường đầu Cầu Đăk Xa - Những nơi hay xảy lún, nứt tác giả nhận thấy thường nơi có đường cong, nơi có đường đắp cao, hai bên đường đầu Cầu, nơi nằm vùng hoạt động chế độ thủy nhiệt, sông, suối, ao hồ, ruộng vườn - Trên tuyến đường có 30 điểm lún nứt đoạn đường, mà đặc biệt nơi đường cong nằm, nơi đầu cầu, nơi có đắp cao ≥6m ….Trong đó, có nhiều nơi bị lún, nứt nghiêm trọng đường đầu Cầu cầu Kà Tôi 1, Kà Tôi (xã Phước năng, huyện Phước Sơn), đường đầu Cầu Đăk Xa (Xã Phước Đức, huyện Phước Sơn), đường lý trình Km1351+452m (Tại xã Phước Xuân, huyện Phước Sơn), Cầu Đăk Mun đường lý trình Km1394+545m (Xã Phước Mỹ, huyện Phước Sơn), đường lý trình Km1387+00… sau dây số hình ảnh mà tác giả khảo sát ghi lại được: Hình 2.2 Vị trí lún đường đầu Cầu Đăk Xa lý trình: Km1351+452m - Hơn đường nơi đắp cao đất yếu, nên tác dụng tải trọng đắp nguyên nhân gây lún nứt tuyến đường 2.3 Đề xuất nhóm giải pháp xử lý 2.4 Cấu tạo giải pháp sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam - Giải pháp hiệu xây dựng đường cơng trình đắp cao đất yếu sử dụng vật liệu đắp siêu nhẹ Geo Foam chủ yếu xốp nhựa tổng hợp, vật liệu siêu nhẹ ứng dụng phổ biến giới đánh giá giải pháp đem lại hiệu tốt Kinh Tế Xã Hội 2.4.1 Hình dạng kích thước Kích thước bản: Kích thước phải đảm bảo theo 9029-2017 2.4.2 Nguyên lý sử dụng vật liệu nhẹ làm đường - Khi đường đắp cao thiên nhiên với chiều cao 𝐻đ , áp lực gây lún đất đắp đường gây là: 𝜎𝑧 =p=𝛾đ 𝐻đ (2.1) Áp lực ngang đất tác dụng lên tường mố tính gần đúng: (TCN272-05) E= 𝛾đ 𝐻 K.B (2.2) Trong đó: B bề rộng tường mố K: Hệ số áp lực ngang 𝐻đ : Chiều cao đất đắp H: Chiều cao tường mố 𝛾đ : Dung trọng đất đắp - Điểm đặt lực E nằm cách chân mố đoạn 𝐻 song để tương đương với phân bố phi tuyến thực tế tính Mơ Men có số nhà nghiên cứu Terzaghi (1934), Clausen Johansen (1972) Sherif (1982) đưa điểm đặt lực nên đặt 0,4H 2.4.3 Yêu cầu kỹ thuật Geo Foam sử dụng phải đáp ứng quy định đây: - Sai lệch kích thước: - Khuyết tật ngoại quan: 2.4.4 Phạm vi sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam 10 B= n.b+(n-1).d+e (m) b Tính tốn độ lún đắp đường đầu Cầu có sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam Độ lún tổng cộng S gồm hai phần: S=𝑆𝑖 +𝑆𝑐 (2.4) Trong đó: 𝑆𝑖 =(m-1).𝑆𝑐 Là độ lún tức thời đất yếu tác dụng tải trọng đắp Geo Foam bị nở hông, gây biến dạng ngang không thoát nước + m=1,1-1,4 𝑆𝑐 độ lún cố kết Là độ lún nước lỗ rỗng thoát đất yếu bị nén chặt lại tác dụng tải trọng đắp Geo Foam 𝑆 = 0,2𝑆 Thông thường: (2.5) { 𝑖 𝑆𝑐 = 0,8𝑆 Theo phương pháp phân tầng lấy tổng (có xét đến hai giai đoạn lún khỏc nhau) đắp h đắp geo foam h - + bề dày lớp đất yếu chịu nén cấu tạo ®Þa chÊt vzi zi hi vz z z Hình 2.6 Sơ đồ tính lún theo phương pháp phân tầng lấy tổng Đường phân bố ứng suất trọng lượng thân lớp đất yếu Đường phân bố ứng suất tải trọng đắp Geo Foam Tính tốn độ lún cố kết: Độ lún cố kết 𝑆𝑐 tính theo phương pháp phân tầng lấy tổng với công thức sau: ℎ 𝑆𝑐 =∑𝑛1 1+𝑒𝑖 [𝐶𝑟𝑖 𝑙𝑔 ( 0𝑖 𝑖 𝜎𝑝𝑧 𝑖 𝜎𝑣𝑧 𝑖 𝜎𝑧𝑖 +𝜎𝑣𝑧 ) + 𝐶𝑐𝑖 𝑙𝑔 ( 𝑖 𝜎𝑝𝑧 )] (2.6) c Tính độ lún theo thời gian St đắp Geo Foam đất yếu 11 Độ lún cố kết đắp Geo Foam sau thời gian t: 𝑆𝑡 =𝑠𝑐 𝑈𝑣 Độ cố kết đứng tính theo cơng thức: 𝑈𝑣 =f(𝑇𝑣 ) 𝑇𝑣 : Yếu tố thời gian tính theo cơng thức 𝐶 𝑇𝑣 =𝐻𝑣2 t (2.7) 𝐶𝑣 : Là hệ số cố kết trung bình theo phương thẳng đứng phạm vi lớp đất chịu nén tính theo cơng thức 𝐶𝑣 = 𝐻2 𝐻𝑖 (∑𝑛 ) 𝑖=1 (2.8) 𝐶𝑣𝑖 d Kiểm tra ổn định đường đầu Cầu đắp cao đất yếu vật liệu nhẹ Geo Foam Ta tính hệ số ổn định nhỏ Kmin Kmin>[K] đường đắp ổn định ngược lại Kmin Đảm bảo độ lún + Kiểm toán độ ổn định: Khi áp dụng theo phương pháp Bishhop để kiểm toán ổn định hệ số ổn định nhỏ [ 𝐾𝑚𝑖𝑛 ]=1,4 Ta nhận thấy sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam để xử lý đường đắp cao cho Cầu Đăk Xa 𝐾𝑚𝑖𝑛 =1,46 > [𝐾𝑚𝑖𝑛 ]=1,4 -> Đảm bảo độ ổn định 4.5 Xây dựng quy trình cơng nghệ thi cơng - Chuẩn bị cấu kiện Geo Foam vận chuyển Geo Foam đến công trường - Thi cơng vệ sinh hố móng đường đầu Cầu, chuẩn bị vị trí lắp Geo Foam - Lắp đặt Geo Foam, cố định điều chỉnh vào vị trí - Cố định vĩnh viễn xử lý mối nối Hoàn thiện đắp đất hai bên ta luy mái, xây gia cố chân khay mái ta luy sau tiến hành thi cơng kết cấu áo đường 23 Hình 4.5 Thi công lắp ghép Geo Foam đường đầu Cầu Đak Xa 4.6 Kết luận chương 04 - Trong q trình tính tốn mơ phần mềm Plaxis cho giải pháp đề xuất so sánh sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam không sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam, nhận thấy giải pháp đề xuất phù hợp Đảm bảo ổn định đường xử lý lún cho đắp cao đất yếu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trên sở đánh giá, phân tích nguyên nhân lún đường đầu Cầu đắp cao đất yếu Và đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam để xử lý đường đầu Cầu Đăk Xa đoạn đường HCM rút số kết luận kiến nghị chủ yếu sau : - Đề tài giới thiệu tổng quan lún đường đầu Cầu đắp cao đất yếu, khảo sát đánh giá trạng phân tích nguyên nhân đường đầu Cầu Đăk Xa đường HCM - Tác giả thực đưa tranh thí nghiệm vật liệu nhẹ Geo Foam từ tìm thơng số, tiêu lý chúng : + Thí nghiệm nén tìm cường độ nén Geo Foam D800 D1100 𝑹𝑫𝟖𝟎𝟎 =3,99 (Mpa) 𝑹𝑫𝟏𝟏𝟎𝟎 =7,83 (Mpa) 𝒏 𝒏 24 + Thí nghiệm uốn tìm cường độ uốn Geo Foam D800 D1100 𝑹𝑫𝟖𝟎𝟎 =2,73 (Mpa) 𝑹𝑫𝟏𝟏𝟎𝟎 =3,43 (Mpa) 𝒖 𝒖 + Thí nghiệm tìm độ co khơ Geo Foam D800 D1100 ɛ𝑫𝟖𝟎𝟎 =0,23 (mm) ɛ𝑫𝟏𝟏𝟎𝟎=0,14 (mm) Từ kết tìm tác giả đưa vào phần mềm Plaxis8.5 để tính tốn kiểm tra ổn định cho đường đầu Cầu Đăk Xa đắp cao đất yếu - Với vật liệu nhẹ Geo Foam này, chế tạo block làm vật liệu xây sử dụng kết cấu bao che cách nhiệt cho cơng trình xây dựng - Đã nghiên cứu Geo Foam- bê tơng bọt Đưa quy trình thí nghiệm Geo Foam - Về ổn định đường, so với giải pháp dùng hệ cọc, sàn giảm tải giải pháp dùng Geo Foam gia cố thân đường không triệt để Tuy nhiên, giải pháp có kinh phí thấp hơn, thi cơng đơn giản nhanh Và thích hợp miền núi Kiến nghị - Cần tiếp tục nghiên cứu, theo dõi đánh giá vấn đề khác Geo Foam tuổi thọ, cường độ suy giảm môi trường ngập nước thường xuyên, nâng cao cường độ dùng thép sợi chế tạo chúng - Hiện chưa có các văn pháp quy hoàn thiện đầy đủ Do vậy, để đưa vào thực tế sống, quan quản lý cần thực theo Quyết Định, thơng tư Chính Phủ, Bộ Xây Dựng việc sử dụng vật liệu xây không nung cơng trình xây dựng, bên cạnh cần rà sốt lại tiêu chuẩn, qui chuẩn, định mức, quy trình để đảm bảo việc sử dụng sản phẩm cơng trình xây dựng thuận lợi ... giải pháp đường vật liệu nhẹ Geo Foam để giảm độ lún tăng ổn định đường đầu Cầu đắp cao đất yếu, điểm vị trí lún nứt đường đầu Cầu Đăk Xa mà tác giả nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối... nhằm giảm tải trọng gây lún cho đắp cao khu vực miền núi Chương - TÍNH TỐN ÁP DỤNG GIẢI PHÁP VẬT LIỆU NHẸ GEO FOAM CHO NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU ĐĂK XA 4.1 Đặt vấn đề 4.2 Số liệu tính tốn 4.3 Tính tốn sử. .. tích nguyên nhân lún đường đầu Cầu đắp cao đất yếu Và đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu nhẹ Geo Foam để xử lý đường đầu Cầu Đăk Xa đoạn đường HCM rút số kết luận kiến nghị chủ yếu sau : - Đề tài