Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng lún nền đường đầu cầu là một vấn đề phổ biến và nghiêm trọng trong xây dựng công trình giao thông, đặc biệt tại các khu vực có nền đất yếu như tỉnh Bình Định. Với chiều dài hơn 465 km đường tỉnh lộ và nhiều công trình cầu lớn như cầu Thị Nại – cây cầu vượt biển dài nhất Việt Nam, hiện tượng lún nền đường đầu cầu đã gây ra nhiều khó khăn trong vận hành, làm giảm năng lực thông hành và tăng chi phí bảo trì. Theo ước tính, độ lún cho phép tại tim nền đường sau khi hoàn thành công trình đối với đường cao tốc là dưới 10 cm, còn với đường cấp thấp hơn là dưới 20 cm. Tuy nhiên, nhiều công trình tại Bình Định và các tỉnh lân cận đã xuất hiện lún vượt mức này, gây ra hiện tượng lún lệch, nứt mặt đường và hư hỏng kết cấu mố cầu.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích nguyên nhân gây lún nền đường đầu cầu tại tỉnh Bình Định, đánh giá các giải pháp xử lý hiện có và đề xuất phương án phù hợp với đặc điểm địa chất khu vực. Phạm vi nghiên cứu bao gồm nền đường đầu cầu của cầu Thị Nại và một số cầu khác trong tỉnh, với thời gian khảo sát và phân tích từ năm 2002 đến 2016. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc giảm thiểu hiện tượng lún, nâng cao độ bền công trình, đảm bảo an toàn giao thông và tiết kiệm chi phí bảo trì, góp phần phát triển hạ tầng giao thông bền vững tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về cơ học đất và kỹ thuật nền móng, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết cố kết đất một chiều của Terzaghi (1943): Giải thích quá trình lún chậm của đất yếu dưới tải trọng nền đắp, phân biệt các thành phần lún tức thời, lún cố kết sơ cấp và lún cố kết thứ cấp.
  • Phương pháp cân bằng giới hạn (Limit Equilibrium Method): Sử dụng các phương pháp Bishop và Fellenius để tính toán hệ số ổn định chống trượt sâu và trượt cục bộ của nền đất yếu dưới nền đường đầu cầu.
  • Mô hình nền móng phức hợp (Composite Foundation): Áp dụng trong giải pháp gia cố bằng cọc đất xi măng, mô tả sự làm việc đồng thời giữa cọc và đất yếu để tăng sức chịu tải và giảm lún.
  • Khái niệm lún lệch và biến dạng nền: Bao gồm các chuyển vị thẳng đứng và ngang của đất nền, ảnh hưởng đến sự ổn định và độ bền của nền đường đầu cầu.
  • Các giải pháp gia cố nền đất yếu: Như sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép, cọc đất xi măng, cọc cát đầm chặt, vải địa kỹ thuật và phương tiện thoát nước thẳng đứng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực tế tại tỉnh Bình Định, tài liệu kỹ thuật, báo cáo công trình cầu, hình ảnh hiện trạng và các nghiên cứu trong nước, quốc tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các công trình cầu lớn như cầu Thị Nại, cầu Nhơn Hội và một số cầu trên quốc lộ 1A, 1D, 19 với tổng chiều dài nền đường khảo sát khoảng 200 km.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích nguyên nhân lún: Dựa trên số liệu địa chất, quan trắc biến dạng và đánh giá hiện trạng công trình.
  • Tính toán lún nền đường đầu cầu: Áp dụng phương pháp cân bằng giới hạn và lý thuyết cố kết một chiều để dự đoán độ lún tổng cộng và lún lệch.
  • Đánh giá các giải pháp xử lý: So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp gia cố nền đất yếu qua phân tích kỹ thuật và kinh tế.
  • Thử nghiệm áp dụng giải pháp: Thực hiện xử lý lún bằng sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép tại cầu Thị Nại, theo dõi hiệu quả qua các chỉ số biến dạng và ổn định nền.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2014 đến 2016, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích lý thuyết, thiết kế giải pháp và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân chủ yếu gây lún nền đường đầu cầu tại Bình Định bao gồm: nền đất yếu có sức chống cắt thấp, độ dày lớp đất yếu lớn (trên 3 lần chiều cao đất đắp), áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng cao do đắp nền nhanh, và sự không đồng đều trong đầm nén đất sát mố cầu. Ví dụ, tại cầu Thị Nại, độ lún đo được sau thi công vượt mức cho phép khoảng 15-20 cm, gây ra hiện tượng lún lệch và nứt mặt đường.

  2. Hiện tượng lún lệch và trượt sâu được quan sát phổ biến tại các vị trí tiếp giáp giữa đường dẫn và mố cầu, với độ lún cục bộ lên đến 10 cm và các vết nứt ngang rộng 2-3 cm tại cầu Rạch Chiếc và cầu Cái Tắc. Tỷ lệ lún không đều chiếm khoảng 30-40% tổng độ lún nền.

  3. Hiệu quả của giải pháp cọc đất xi măng trong việc gia cố nền đất yếu được khẳng định qua các dự án tại Thái Lan và Nhật Bản, với khả năng giảm độ lún tổng cộng từ 30 cm xuống dưới 10 cm, rút ngắn thời gian cố kết từ vài tháng xuống còn vài tuần.

  4. Giải pháp sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép tại cầu Thị Nại cho thấy khả năng giảm biến dạng lún không đồng đều, tăng độ ổn định trượt ngang và giảm áp lực lên mố cầu. Sau thi công, độ lún nền giảm khoảng 40% so với trước xử lý, đồng thời cải thiện độ bền mặt đường và giảm chi phí bảo trì.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân lún nền đường đầu cầu tại Bình Định chủ yếu do đặc điểm địa chất phức tạp với lớp đất yếu dày, kết hợp với phương pháp thi công đắp nền nhanh và không đồng đều. So với các nghiên cứu quốc tế, hiện tượng lún tại Bình Định có mức độ tương đương hoặc cao hơn do điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm, lượng mưa lớn và áp lực giao thông tăng nhanh.

Việc áp dụng công nghệ cọc đất xi măng và sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép đã chứng minh hiệu quả trong việc kiểm soát lún và tăng độ ổn định nền đường đầu cầu. Các dữ liệu biến dạng có thể được trình bày qua biểu đồ lún theo thời gian và bảng so sánh độ lún trước và sau xử lý, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho các giải pháp này tương đối cao, đòi hỏi cân nhắc kỹ lưỡng giữa hiệu quả kỹ thuật và kinh tế. Ngoài ra, việc kiểm soát chất lượng thi công và giám sát biến dạng trong quá trình vận hành là yếu tố quyết định thành công lâu dài của công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi giải pháp cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu tại các khu vực có lớp đất yếu dày trên 3 m, nhằm giảm độ lún tổng cộng và rút ngắn thời gian cố kết. Thời gian thực hiện dự kiến từ 3-6 tháng, do các nhà thầu xây dựng và đơn vị tư vấn giám sát.

  2. Sử dụng sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép cho các công trình cầu có chiều cao nền đắp lớn, đặc biệt tại các vị trí tiếp giáp mố cầu và đường dẫn. Giải pháp này cần được triển khai trong giai đoạn thi công hoặc cải tạo, với thời gian thi công khoảng 6-9 tháng.

  3. Tăng cường công tác khảo sát địa chất và giám sát thi công để đảm bảo chất lượng nền đất và kiểm soát biến dạng trong quá trình xây dựng. Cần thiết lập hệ thống quan trắc biến dạng nền đường đầu cầu liên tục trong suốt vòng đời công trình.

  4. Phát triển và áp dụng các công nghệ thoát nước thẳng đứng như bấc thấm, giếng cát để giảm áp lực nước lỗ rỗng, kết hợp với các biện pháp gia cố cơ học nhằm tăng hiệu quả xử lý lún. Thời gian thực hiện từ 2-4 tháng, phù hợp với các dự án nâng cấp.

  5. Xây dựng quy trình thiết kế và thi công tiêu chuẩn cho nền đường đầu cầu trên nền đất yếu, bao gồm các yêu cầu về chiều dài bản quá độ, chiều cao đất đắp và hệ số ổn định theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình giao thông: Nắm bắt các giải pháp xử lý lún nền đường đầu cầu phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam, áp dụng trong thiết kế cầu và đường dẫn.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Áp dụng các công nghệ gia cố nền đất yếu như cọc đất xi măng, sàn giảm tải, đảm bảo thi công đúng kỹ thuật và kiểm soát chất lượng.

  3. Cơ quan quản lý và bảo trì hạ tầng giao thông: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch bảo trì, sửa chữa và nâng cấp các công trình cầu bị ảnh hưởng bởi lún nền.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng dân dụng và giao thông: Tham khảo các phương pháp phân tích, tính toán và giải pháp kỹ thuật xử lý nền đất yếu, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng lún nền đường đầu cầu ảnh hưởng như thế nào đến an toàn giao thông?
    Lún nền đường đầu cầu gây ra biến dạng mặt đường, tạo ổ gà, nứt nẻ và lún lệch, làm giảm khả năng chịu tải và an toàn khi lưu thông, tăng nguy cơ tai nạn giao thông.

  2. Giải pháp cọc đất xi măng có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu nhanh chóng, hiệu quả cao, giảm độ lún và thời gian cố kết, thi công ít ảnh hưởng đến môi trường và công trình lân cận.

  3. Tại sao cần sử dụng sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép?
    Sàn giảm tải giúp phân phối tải trọng đều lên hệ cọc, giảm lún không đều và tăng độ ổn định trượt ngang, đặc biệt hiệu quả với nền đắp cao và đất yếu dày.

  4. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng thi công các giải pháp xử lý lún?
    Cần giám sát chặt chẽ quá trình thi công, kiểm tra cường độ cọc, độ đồng đều vật liệu, đồng thời theo dõi biến dạng nền qua hệ thống quan trắc định kỳ.

  5. Có thể áp dụng các giải pháp này cho các khu vực khác ngoài Bình Định không?
    Các giải pháp được đề xuất có tính ứng dụng rộng rãi cho các khu vực có đặc điểm địa chất tương tự, đặc biệt vùng đất yếu dày và có tải trọng giao thông lớn.

Kết luận

  • Hiện tượng lún nền đường đầu cầu tại tỉnh Bình Định là vấn đề cấp bách, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng và an toàn công trình giao thông.
  • Nguyên nhân chủ yếu do đặc điểm địa chất đất yếu, phương pháp thi công và thiết kế chưa phù hợp.
  • Giải pháp cọc đất xi măng và sàn giảm tải kết hợp cọc bê tông cốt thép được đánh giá cao về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.
  • Cần tăng cường khảo sát, giám sát thi công và áp dụng đồng bộ các biện pháp gia cố, thoát nước để kiểm soát lún nền đường đầu cầu.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục mở rộng ứng dụng giải pháp tại các công trình cầu khác và phát triển quy trình thiết kế tiêu chuẩn phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Luận văn khuyến nghị các đơn vị quản lý, thiết kế và thi công sớm áp dụng các giải pháp đã nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng công trình giao thông, đảm bảo an toàn và phát triển bền vững hạ tầng giao thông tại khu vực duyên hải Nam Trung Bộ.