Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu Cẩm Lĩnh – Nghi Sơn – Thanh Hóa" do sinh viên Nguyễn Văn Quân (Lớp XD1301C, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng) thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Bùi Ngọc Dung vào tháng 01 năm 2014. Công trình được nghiên cứu trong bối cảnh hạ tầng giao thông kết nối Khu kinh tế Nghi Sơn và mạng lưới giao thông ven biển tỉnh Thanh Hóa đang đứng trước yêu cầu cấp thiết về mở rộng năng lực thông hành để phục vụ phát triển công nghiệp nặng, công nghiệp lọc hóa dầu và dịch vụ cảng biển.

Cầu vượt sông Cẩm Lĩnh nằm trên tuyến đường trục kết nối Quốc lộ 1A với trung tâm thị xã Cẩm Lĩnh (khoảng cách 3 km), giữ vai trò là một trong những cửa ngõ giao thông kết nối hai trung tâm kinh tế – chính trị của khu vực. Cầu cũ qua sông Cẩm Lĩnh đã xây dựng từ lâu, xuống cấp dưới tác động xâm thực của môi trường ven biển, mặt cắt hẹp và tải trọng khai thác thấp, tạo thành điểm nghẽn nghiêm trọng khi các đoạn tuyến đường bộ hai đầu cầu đã được cải tạo, nâng cấp. Do đó, việc đầu tư xây dựng mới công trình cầu vĩnh cửu qua sông Cẩm Lĩnh là yêu cầu kỹ thuật tất yếu.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Thu thập, phân tích điều kiện tự nhiên tại vị trí vượt sông (địa hình đồng bằng, khí hậu nhiệt đới gió mùa có lượng mưa lớn tập trung từ tháng 9 đến tháng 1 năm sau, chịu tác động của gió mùa đông bắc; mực nước cao nhất MNCN = 7,84 m, mực nước thông thuyền MNTT = 7,17 m; địa tầng gồm 6 lớp đất đá).
  2. Thiết kế sơ bộ 3 phương án vượt sông khả thi nhằm đảm bảo khẩu độ thoát nước tính toán $L_0 = 166\text{ m}$ và khổ thông thuyền cấp IV:
    • Phương án 1: Cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép (BTCT) gồm 4 nhịp $4 \times 44\text{ m}$.
    • Phương án 2: Cầu dầm BTCT ứng suất trước (DƯL/ƯST) dầm I bán lắp ghép gồm 5 nhịp $5 \times 35\text{ m}$.
    • Phương án 3: Cầu dầm liên tục BTCT DƯL thi công đúc hẫng cân bằng 3 nhịp $(50 + 75 + 50)\text{ m}$.
  3. Tính toán khối lượng sơ bộ, xác định phản lực tác dụng lên mố trụ, tính toán sức chịu tải cọc móng theo đất nền và vật liệu để xác định số lượng cọc khoan nhồi cho các phương án.
  4. Lập bảng so sánh chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật, điều kiện thi công, mỹ quan và điều kiện khai thác để lựa chọn phương án tối ưu đi vào thiết kế kỹ thuật.
  5. Thiết kế kỹ thuật chi tiết các hạng mục kết cấu thượng bộ và hạ bộ của phương án được chọn (tính toán bản mặt cầu, nội lực và kiểm toán dầm chủ theo các trạng thái giới hạn, tính toán mố trụ).
  6. Thiết kế biện pháp tổ chức thi công cho hạng mục mố trụ điển hình (thi công cọc khoan nhồi, vòng vây cọc ván thép, bê tông bịt đáy) và công nghệ lao lắp dầm nhịp.

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu công trình cầu đường bộ vượt sông Cẩm Lĩnh. Phạm vi không gian đặt tại địa bàn thị xã Cẩm Lĩnh – Khu kinh tế Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa. Phạm vi thời gian và số liệu tính toán được thiết lập ở giai đoạn thiết kế hoàn thành vào tháng 01/2014.

Tiêu chuẩn kỹ thuật và phương pháp tính toán

Hồ sơ đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế cầu đường bộ hiện hành tại Việt Nam ở thời điểm lập dự án, bao gồm:

  • Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 (hệ tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD).
  • Cấp công trình: Công trình vĩnh cửu.
  • Tải trọng thiết kế: Hoạt tải xe ô tô HL-93 kết hợp tải trọng làn $9,3\text{ kN/m}$ và hoạt tải người đi bộ $300\text{ daN/m}^2$ ($3,0\text{ kN/m}^2$).
  • Khổ thông thuyền quy hoạch: Cấp IV đường thủy nội địa.
  • Bề rộng cầu: Mặt cắt ngang rộng $12,0\text{ m}$ (gồm phần xe chạy, dải phân cách và lề bộ hành có lan can tay vịn).

Phương pháp tính toán và lý thuyết áp dụng trong đồ án:

  • Phương pháp tính toán cơ học kết cấu: Sử dụng đường ảnh hưởng để xếp tải bất lợi nhất cho phản lực gối mố, trụ và nội lực mặt cắt dầm. Hoạt tải được nhân hệ số làn ($m = 1,0$ cho 2 làn xe), hệ số xung kích xe tải ($1 + IM = 1,25$), và hệ số vượt tải theo tiêu chuẩn ($\gamma_{LL} = 1,75$, $\gamma_{PL} = 1,75$, $\gamma_{DC} = 1,25$, $\gamma_{DW} = 1,5$).
  • Phân tích kết cấu nhịp dầm: Xác định hệ số phân phối ngang mômen và lực cắt cho các dầm biên và dầm giữa theo công thức thực nghiệm của 22TCN 272-05; tính toán mất mát ứng suất trong cốt thép DƯL kéo sau (mất mát do ma sát, trượt neo, nén đàn hồi của bê tông, co ngót, từ biến và chùng cốt thép).
  • Kiểm toán tiết diện: Tiến hành kiểm tra theo Trạng thái giới hạn (TTGH) cường độ I (sức kháng uốn, sức kháng cắt, hàm lượng cốt thép tối đa và tối thiểu) và TTGH sử dụng (kiểm tra ứng suất thớ trên/dưới tại mặt cắt giữa nhịp và mặt cắt gối, kiểm tra độ võng đàn hồi).
  • Phương pháp xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi: Sử dụng đường kính cọc $D = 1000\text{ mm}$. Cọc làm việc theo cơ chế ma sát thân kết hợp chống mũi vào nền đá. Sức kháng mũi đơn vị $q_p$ được xác định theo phương pháp của Reese và O'Neill (1988) dựa trên chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT ($N$): với tầng đá granite $N = 55 \le 75$, $q_p = 0,057N\text{ (MPa)}$. Sức kháng bên đơn vị $q_s$ của các lớp đất đá xung quanh thân cọc được tính toán theo phương pháp của Reese và Wright (1977): $q_s = 0,0028N\text{ (MPa)}$ đối với đất có $N \le 53$ và $q_s = 0,00021(N - 53) + 0,15\text{ (MPa)}$ khi $53 < N \le 100$.

Nguồn dữ liệu khảo sát địa chất công trình tại hiện trường xác định 6 lớp địa tầng từ trên xuống dưới:

  • Lớp 1: Cát hạt nhỏ màu xám vàng ($N = 6$; $q_s = 1,68\text{ T/m}^2$).
  • Lớp 2: Cát sét màu xám vàng dẻo ($N = 5$; $q_s = 1,40\text{ T/m}^2$).
  • Lớp 3: Sét màu xám xanh, xám vàng, dẻo mềm ($q_s = 6,72\text{ T/m}^2$).
  • Lớp 4: Sét màu xám vàng, dẻo cứng ($q_s = 10,92\text{ T/m}^2$).
  • Lớp 5: Cát sét màu xám vàng dẻo ($q_s = 7,84\text{ T/m}^2$).
  • Lớp 6: Đá Granite ít nứt nẻ, rắn chắc ($N = 55$; $q_p = 3,135\text{ MPa} = 313,5\text{ T/m}^2$; $q_s = 15,04\text{ T/m}^2$). Toàn bộ mũi cọc khoan nhồi của các phương án được ngàm vào tầng đá này.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Thiết kế sơ bộ

Chương 1: Tổng quan về công trình cầu Cẩm Lĩnh – Nghi Sơn – Thanh Hóa

Chương này trình bày các căn cứ quy hoạch phát triển kinh tế – xã hội tỉnh Thanh Hóa, phân tích mạng lưới giao thông hiện hữu qua sông Cẩm Lĩnh và luận chứng sự cần thiết đầu tư. Văn bản tổng hợp các điều kiện tự nhiên (địa hình, thủy văn, khí hậu) và đánh giá khả năng cung ứng vật liệu xây dựng địa phương (mỏ đá, mỏ cát phụ cận công trường, thép trong nước của Thái Nguyên, Việt – Nhật, xi măng từ các nhà máy trong tỉnh). Tác giả đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật chung và nguyên tắc lựa chọn kết cấu nhịp, kết cấu mố chữ U tường mỏng bê tông $f'_c = 30\text{ MPa}$, trụ đặc thân hẹp và móng cọc khoan nhồi đường kính $1,0\text{ m}$.

Chương 2: Thiết kế sơ bộ phương án 1 cầu dầm liên hợp bản BTCT 4 nhịp (44x4)m

Chương 2 mô tả chi tiết phương án cầu dầm liên hợp thép – bê tông:

  • Sơ đồ nhịp: $4 \times 44\text{ m}$, chiều dài toàn cầu $176,25\text{ m}$. Khẩu độ thoát nước sơ bộ đạt $L_{SB0} = 170,55\text{ m}$, sai lệch so với khẩu độ yêu cầu $L_0 = 166\text{ m}$ là $2,7%$ (thỏa mãn điều kiện sai số $\le 5%$).
  • Mặt cắt ngang: Gồm 5 dầm thép chữ I liên hợp với bản BTCT dày $200\text{ mm}$, khoảng cách giữa các tim dầm là $2,4\text{ m}$. Chiều cao dầm thép $h = 1,95\text{ m}$, bản cánh rộng $400\text{ mm}$, bản vách dày $14\text{ mm}$, có sườn tăng cường và dầm ngang liên kết. Lớp phủ mặt cầu gồm lớp mui luyện $35\text{ mm}$, lớp phòng nước $4\text{ mm}$ và bê tông asphalt $75\text{ mm}$.
  • Khối lượng và tải trọng: Trọng lượng tĩnh tải mố A là $8.217,5\text{ kN}$ ($328,7\text{ m}^3$ bê tông), mố B là $8.131,5\text{ kN}$ ($325,3\text{ m}^3$ bê tông). Trọng lượng trụ T1 là $4.417,0\text{ kN}$, trụ T2 và T3 là $4.937,0\text{ kN}$.
  • Phản lực tính toán và bố trí móng: Tổng tải trọng tác dụng thẳng đứng tính toán lên mố A đạt $A_{P\text{ mố}} = 15.376,59\text{ kN}$; lên trụ T1 đạt $A_{PT1} = 14.894,78\text{ kN}$. Sức chịu tải của cọc đơn theo đất nền tại mố A đạt $713,56\text{ T}$, tại mố B là $637,16\text{ T}$, trụ T1 là $751,80\text{ T}$, trụ T2 là $768,32\text{ T}$, trụ T3 là $555,89\text{ T}$. Số lượng cọc tính toán dao động từ $2,4$ đến $3,4$ cọc; thiết kế bố trí $6$ cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$ cho mỗi bệ mố và bệ trụ.
  • Tổng mức đầu tư Phương án 1: Tính toán chi tiết đạt $41.332.593.619\text{ đồng}$, chỉ tiêu kinh tế đạt $19.682.187\text{ đồng/m}^2$ cầu.

Chương 3: Thiết kế sơ bộ phương án 2 cầu BTCT ƯST dầm I bán lắp ghép 5 nhịp 35m

Chương 3 thiết lập các thông số kỹ thuật của phương án dầm bê tông dự ứng lực nhịp giản đơn:

  • Sơ đồ nhịp: $5 \times 35\text{ m}$, tổng chiều dài toàn cầu $175,3\text{ m}$. Khẩu độ thoát nước sơ bộ $L_{SB0} = 168,2\text{ m}$, chênh lệch $1,3%$ so với yêu cầu ($166\text{ m}$).
  • Mặt cắt ngang: Gồm 5 dầm I BTCT DƯL cao $1,75\text{ m}$, bố trí cách nhau $2,30\text{ m}$. Diện tích mặt cắt giữa dầm là $0,637\text{ m}^2$, diện tích đầu dầm $1,085\text{ m}^2$, thể tích một dầm chủ $23,99\text{ m}^3$, trọng lượng $599,75\text{ kN}$. Tĩnh tải giai đoạn 1 tác dụng lên một dầm chủ là $32,73\text{ kN/m}$.
  • Khối lượng và áp lực thẳng đứng: Khối lượng mố tương tự phương án 1; khối lượng trụ T1 là $4.339,0\text{ kN}$ ($173,56\text{ m}^3$ bê tông), trụ T2, T3, T4 là $4.937,0\text{ kN}$ ($197,48\text{ m}^3$ bê tông). Tổng lực dọc tính toán tác dụng lên mố A là $16.225,13\text{ kN}$, mố B là $16.117,63\text{ kN}$, trụ T1 đạt $21.686,76\text{ kN}$, các trụ T2, T3, T4 đạt $22.434,26\text{ kN}$.
  • Móng cọc: Sức chịu tải của cọc theo đất nền tại mố A là $713,56\text{ T}$, mố B là $637,16\text{ T}$, trụ T1 là $711,80\text{ T}$, trụ T2 là $734,66\text{ T}$, trụ T3 là $656,84\text{ T}$, trụ T4 là $554,34\text{ T}$. Thiết kế bố trí $6$ cọc khoan nhồi $D = 1000\text{ mm}$ cho mỗi bệ mố và bệ trụ.

Chương 4: Thiết kế sơ bộ phương án 3 cầu dầm liên tục 3 nhịp (50+80+50)m

(Trong nội dung phân tích khẩu độ và so sánh phương án, tác giả thể hiện sơ đồ nhịp liên tục $50 + 75 + 50\text{ m}$ hoặc $50 + 70 + 50\text{ m}$):

  • Khẩu độ tính toán sơ bộ đạt $L_{SB0} = 170,4\text{ m}$, sai lệch $2,65%$ so với $L_0 = 166\text{ m}$.
  • Kết cấu nhịp gồm 3 nhịp dầm hộp hoặc dầm bản rỗng BTCT DƯL có $f'_c = 50\text{ MPa}$, thi công theo công nghệ đúc hẫng cân bằng.
  • Kết cấu hạ bộ gồm 2 mố chữ U và 2 trụ thân hẹp bằng BTCT $f'_c = 30\text{ MPa}$, đặt trên móng cọc khoan nhồi đường kính lớn ngàm vào đá.

Chương 5: So sánh chọn phương án

Chương này tổng hợp so sánh 3 phương án sơ bộ trên các phương diện:

  • Giá thành xây dựng công trình và chỉ tiêu trên $1\text{ m}^2$ cầu.
  • Điều kiện và tiến độ thi công (công nghệ chế tạo và lao lắp dầm thép, đúc sẵn dầm I DƯL kết hợp xe lao, công nghệ đúc hẫng cân bằng đòi hỏi thiết bị đúc chuyên dụng).
  • Điều kiện quản lý, khai thác, bảo dưỡng (cầu dầm thép cần sơn chống gỉ định kỳ trong môi trường gió biển; cầu BTCT có độ bền vượt trội hơn).
  • Yếu tố mỹ quan, cảnh quan cửa biển và tác động phát triển kinh tế – xã hội của thị xã Cẩm Lĩnh.
  • Kết luận: Luận chứng lựa chọn phương án tối ưu để triển khai thiết kế kỹ thuật ở các phần tiếp theo.

Phần II: Thiết kế kỹ thuật

Chương 1: Tính toán bản mặt cầu

  • Xác định tĩnh tải bản mặt cầu (bản BTCT dày $200\text{ mm}$, lớp phòng nước, bê tông mui luyện, lớp phủ bê tông asphalt và hệ thống gờ lan can).
  • Tính toán mômen uốn và lực cắt của bản mặt cầu chịu hoạt tải bánh xe tải thiết kế theo sơ đồ bản kê hai cạnh hoặc ngàm dẻo.
  • Tổ hợp nội lực theo các tổ hợp trạng thái giới hạn; tính toán diện tích cốt thép chịu lực chính, cốt thép phân bố và kiểm tra điều kiện hàm lượng cốt thép tối đa, tối thiểu.

Chương 2: Tính toán nội lực dầm chủ

  • Vẽ đường ảnh hưởng mômen ($M$) và lực cắt ($V$) tại các tiết diện đặc trưng: Tiết diện gối 100, tiết diện 101 ($L/10 = 3,44\text{ m}$), 102 ($L/5 = 6,88\text{ m}$), 103 ($3L/10 = 10,32\text{ m}$), 104 ($2L/5 = 13,76\text{ m}$) và mặt cắt giữa nhịp 105 ($L/2 = 17,2\text{ m}$).
  • Tính toán đặc trưng hình học của tiết diện liên hợp/bán lắp ghép theo giai đoạn thi công đúc sẵn và giai đoạn làm việc toàn khối.
  • Tính toán hệ số phân phối mômen và lực cắt ngang cầu.
  • Bố trí các bó cáp thép dự ứng lực; tính toán các thành phần mất mát ứng suất (ma sát, tụt nêm, biến dạng đàn hồi bê tông, co ngót, từ biến, chùng ứng suất cốt thép).
  • Kiểm toán dầm theo TTGH cường độ I (sức kháng uốn, sức kháng cắt) và TTGH sử dụng (kiểm tra ứng suất kéo/nén thớ mặt trên và mặt dưới tại giữa nhịp và trên gối; kiểm tra độ võng đàn hồi dưới hoạt tải).

Chương 3: Thiết kế kỹ thuật trụ P1

  • Thu thập số liệu địa chất, thủy văn và cấu tạo phần trên truyền xuống trụ P1.
  • Xác định tải trọng thẳng đứng, tải trọng gió, lực hãm xe, dòng chảy tác dụng lên trụ theo phương dọc cầu và phương ngang cầu tại mặt cắt thân trụ II-II và III-III.
  • Kiểm toán tiết diện thân trụ chịu uốn nén lệch tâm theo hai phương ở TTGH cường độ I.
  • Tính toán kết cấu xà mũ trụ và móng cọc khoan nhồi chịu tải trọng tổ hợp bất lợi.

Phần III: Thiết kế kỹ thuật thi công

Chương 1: Thiết kế thi công trụ T2

  • Phân tích điều kiện địa chất, thủy văn và lựa chọn thời điểm thi công thích hợp vào mùa khô.
  • Lập biện pháp thi công cọc khoan nhồi trên sông bằng hệ phao nổi hoặc sàn đạo.
  • Thiết kế hệ vòng vây cọc ván thép: Tính toán chiều sâu chôn cọc $t$, thiết kế hệ khung văng chống nẹp ngang chịu áp lực đất và nước.
  • Tính toán chiều dày lớp bê tông bịt đáy theo phương pháp vữa dâng (ống rút thẳng đứng 'ÔRTĐ'), đảm bảo điều kiện chống đẩy nổi đáy móng khi hút cạn nước.
  • Trình tự đổ bê tông bệ móng, thân trụ, thi công xà mũ trụ và công tác bảo dưỡng, tháo dỡ vòng vây.

Chương 2: Thiết kế thi công nhịp

  • Công tác chế tạo dầm tại bãi đúc dầm công trường.
  • Thiết kế biện pháp lao lắp dầm bằng giá ba chân hoặc giàn lao chuyên dụng.
  • Tính toán khối lượng đối trọng, kiểm tra ứng suất thanh giàn, kiểm tra dầm ngang mút thừa và kiểm toán ổn định chống lật ngang khi đưa dầm biên vào vị trí gối.
  • Lập quy trình công nghệ vận chuyển, lao kéo dầm bằng hệ tời cáp và hoàn thiện mặt cầu.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp thi công công trình

Hồ sơ đồ án thể hiện chi tiết giải pháp kỹ thuật kết cấu và biện pháp tổ chức thi công cho các hạng mục công trình chính:

1. Bố trí kết cấu phần dưới và nền móng

Toàn bộ mố và trụ sử dụng móng cọc khoan nhồi bê tông cốt thép đường kính $D = 1000\text{ mm}$, cấp bê tông $f'c = 30\text{ MPa}$ ($300\text{ kg/cm}^2$), cốt thép chủ loại AII ($R_a = 2400\text{ kg/cm}^2$, $f_y = 420\text{ MPa}$). Bố trí cốt dọc gồm $25$ thanh $\phi 25$ ($A{st} = 12.272\text{ mm}^2$, đạt tỷ lệ hàm lượng hợp lý xấp xỉ $1,5%$). Chiều dài cọc khoan nhồi dự kiến tại mố là $40\text{ m}$ và tại các trụ là $35\text{ m}$, bảo đảm mũi cọc ngàm chắc chắn vào lớp đá granite cứng chắc.

Mố cầu được thiết kế dạng mố chữ U tường mỏng bằng BTCT $f'_c = 30\text{ MPa}$. Phía sau mố có bố trí bản quá độ bằng BTCT kích thước $4 \times 7\text{ m}$, dày $0,2\text{ m}$ và bản giảm tải trên tường ngực kích thước $300 \times 300 \times 20\text{ cm}$. Tứ nón mố được gia cố bằng đá hộc xây vữa M100 dày $25\text{ cm}$, đệm đá dăm $4 \times 6$ dày $10\text{ cm}$ và chân khay sâu $0,5\text{ m}$.

2. Giải pháp thi công mố và trụ

Biện pháp thi công mố trên cạn bao gồm các bước: san ủi mặt bằng, định vị tim cọc, khoan tạo lỗ cọc nhồi, vệ sinh đáy hố khoan bằng phương pháp luân chuyển dung dịch sét bentonite, hạ lồng thép và đổ bê tông dưới nước theo phương pháp ống đổ rút thẳng đứng (ÔRTĐ). Sau khi hoàn thành cọc, tiến hành đào đất hố móng, đập đầu cọc, đổ lớp bê tông lót $10\text{ cm}$ trên lớp đệm đá dăm $30\text{ cm}$, lắp dựng cốt thép, ván khuôn và đổ bê tông bệ mố, thân mố và tường đỉnh.

Biện pháp thi công trụ dưới nước (trụ T2):

  • Sử dụng hệ phao chở nổi chuyên dụng có đối trọng định vị tại vị trí tim trụ.
  • Thi công khoan cọc khoan nhồi trong ống vách dẫn hướng.
  • Định vị và hạ hệ khung dẫn, đóng vòng vây cọc ván thép chịu lực.
  • Đổ bê tông bịt đáy theo phương pháp vữa dâng, tính toán kiểm tra chiều dày lớp bê tông để chống bục đáy và cân bằng áp lực nước ngầm khi hút cạn.
  • Bơm hút nước cạn hố móng, làm sạch bề mặt bê tông bịt đáy, lắp dựng ván khuôn cốt thép thi công bệ trụ, thân trụ và xà mũ. Hoàn thiện kết cấu và dùng búa rung nhổ thu hồi cọc ván thép.

3. Công nghệ chế tạo và lao lắp kết cấu nhịp

Đối với kết cấu nhịp dầm dập sẵn (dầm I BTCT DƯL), các phiến dầm dài $35\text{ m}$ được đúc tại bãi đúc công trường ven bờ, tiến hành căng kéo cốt thép DƯL sau khi bê tông đạt cường độ thiết kế và bơm vữa bảo vệ ống gen. Công tác lắp đặt dầm được thực hiện tuần tự bằng thiết bị lao kéo chuyên dùng (giá lao/giàn ba chân kết hợp tời cáp kéo dọc), đưa từng phiến dầm từ bãi đúc qua các nhịp đã thi công ra vị trí mố trụ. Đồ án kiểm toán chi tiết khả năng chịu lực của các thanh giàn mút thừa và hệ số ổn định chống lật ngang khi lao dầm biên.

Kết quả tính toán và đóng góp kỹ thuật

1. Bảng tổng hợp so sánh các thông số kỹ thuật Phương án 1 và Phương án 2

Dưới đây là bảng trích xuất số liệu tính toán chi tiết từ thuyết minh đồ án cho hai phương án cầu dầm giản đơn:

Thông số thiết kế Phương án 1 (Dầm thép liên hợp) Phương án 2 (Dầm I BTCT DƯL)
Sơ đồ nhịp $4 \times 44\text{ m}$ $5 \times 35\text{ m}$
Chiều dài toàn cầu ($L$) $176,25\text{ m}$ $175,30\text{ m}$
Khẩu độ thoát nước sơ bộ ($L_{SB0}$) $170,55\text{ m}$ (sai lệch $+2,7%$) $168,20\text{ m}$ (sai lệch $+1,3%$)
Chiều cao mặt cắt dầm chủ ($h$) $1,95\text{ m}$ $1,75\text{ m}$
Số lượng dầm chủ trên mặt cắt ngang 5 dầm (cự ly $2,4\text{ m}$) 5 dầm (cự ly $2,3\text{ m}$)
Trọng lượng bản thân dầm $3,42\text{ kN/m}$ (dầm thép đơn) $599,75\text{ kN/dầm}$ ($23,99\text{ m}^3$)
Tĩnh tải giai đoạn 1 ($DC_1$) $85,34\text{ kN/m}$ $32,73\text{ kN/m}$ (trên 1 dầm)
Tổng tải trọng thẳng đứng lên Mố A $15.376,59\text{ kN}$ $16.225,13\text{ kN}$
Tổng tải trọng thẳng đứng lên Trụ 1 $14.894,78\text{ kN}$ $21.686,76\text{ kN}$
Sức chịu tải cọc theo đất nền (Mố A) $713,56\text{ T}$ $713,56\text{ T}$
Sức chịu tải cọc theo đất nền (Trụ 1) $751,80\text{ T}$ $711,80\text{ T}$
Số lượng cọc bố trí (Mố A / Trụ 1) 6 cọc / 6 cọc ($D = 1000\text{ mm}$) 6 cọc / 6 cọc ($D = 1000\text{ mm}$)
Số cột đèn chiếu sáng / Khe co giãn 10 cột / $60\text{ m}$ khe 5 cột / $72\text{ m}$ khe
Dự toán xây lắp chính (Phương án 1) $36.133.817.000\text{ đồng}$ Chưa tổng hợp chi tiết
Tổng mức đầu tư (Phương án 1) $41.332.593.619\text{ đồng}$ Chưa tổng hợp chi tiết
Chỉ tiêu kinh tế $1\text{ m}^2$ cầu (PA1) $19.682.187\text{ đồng/m}^2$ Chưa tổng hợp chi tiết

2. Các giải pháp kỹ thuật đề xuất và đóng góp của đồ án

  • Thiết lập một chu trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh cho công trình cầu đường bộ cấp trung, từ khâu khảo sát số liệu địa chất thực tế, lập phương án sơ bộ, tính toán thủy văn thoát nước đến thiết kế chi tiết kết cấu và quy trình thi công.
  • Ứng dụng quy trình tính toán sức chịu tải cọc khoan nhồi ma sát mũi tựa trên đá theo các công thức bán thực nghiệm hiện đại của AASHTO/LRFD (phương pháp Reese – Wright cho thân cọc và Reese – O'Neill cho mũi cọc ngàm đá), đem lại độ tin cậy cơ học cao cho công trình ven biển.
  • Đề xuất phương án tổ chức thi công khả thi cho điều kiện sông nước đồng bằng có chênh lệch mực nước lớn giữa hai mùa ($MNCN = 7,84\text{ m}$ và $MNTT = 7,17\text{ m}$), sử dụng hệ phao định vị và vòng vây cọc ván thép kết hợp lớp bê tông bịt đáy đổ vữa dâng.

Hạn chế và hướng phát triển đề tài

Căn cứ vào nội dung và phạm vi của đồ án tốt nghiệp được tác giả trình bày trong tài liệu:

  • Hồ sơ dự toán chi tiết các hạng mục xây lắp mới được lập đầy đủ số liệu thành tiền cho Phương án 1 (tổng mức $41,33\text{ tỷ đồng}$), trong khi bảng dự toán chi tiết của Phương án 2 và Phương án 3 chưa được thể hiện trọn vẹn trong phần văn bản trích xuất, làm hạn chế tính trực quan khi so sánh định lượng giá thành giữa các phương án kết cấu.
  • Số liệu tính toán địa chất dừng lại ở 6 lớp đất đá chính và sử dụng chỉ số SPT trung bình; chưa xét đến các phân tích chuyên sâu về ăn mòn hóa học của nước mặn ven biển Nghi Sơn đối với vỏ thép dầm liên hợp hoặc cốt thép bê tông trong quá trình khai thác dài hạn.
  • Hướng hoàn thiện tiếp theo của hồ sơ bao gồm: mô hình hóa kết cấu cầu trên các phần mềm chuyên dụng (như MIDAS/Civil hoặc RM Bridge) để phân tích động đất, phân tích tác động va xô tàu thuyền vào trụ cầu theo quy định của sông thông thuyền cấp IV, và chi tiết hóa biện pháp an toàn hàng hải trong quá trình thi công cọc khoan nhồi trên sông.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực nghiệm bổ ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Cầu đường, Công trình Giao thông khi thực hiện đồ án môn học Thiết kế cầu bê tông cốt thép, Thiết kế cầu thép, Đồ án thi công cầu và Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư cầu.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu cầu đường cần tài liệu mẫu về quy trình tính toán cọc khoan nhồi theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 kết hợp công thức Reese – O'Neill và Reese – Wright.
  • Các cán bộ kỹ thuật hiện trường tham khảo quy trình công nghệ thi công hố móng trụ cầu bằng vòng vây cọc ván thép, tính toán chiều dày tầng bê tông bịt đáy chống đẩy nổi và quy trình kiểm toán lắp đặt dầm bằng giá lao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiêu chuẩn thiết kế và quy mô tải trọng được áp dụng trong đồ án là gì?
Đồ án thiết kế công trình theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, quy mô xây dựng vĩnh cửu, tải trọng thiết kế gồm đoàn xe tải trọng lượng HL-93 kết hợp tải trọng làn $9,3\text{ kN/m}$ và đoàn người đi bộ $300\text{ daN/m}^2$ ($3\text{ kN/m}^2$). Cấp thông thuyền qua sông là cấp IV.

2. Điều kiện địa chất tại vị trí xây dựng cầu gồm những lớp nào và mũi cọc được đặt vào đâu?
Địa tầng gồm 6 lớp: Lớp 1 (cát hạt nhỏ màu xám vàng), Lớp 2 (cát sét màu xám vàng dẻo), Lớp 3 (sét màu xám xanh, dẻo mềm), Lớp 4 (sét màu xám vàng, dẻo cứng), Lớp 5 (cát sét màu xám vàng dẻo), Lớp 6 (đá granite ít nứt nẻ, rắn chắc có $N = 55$). Toàn bộ mũi cọc khoan nhồi đường kính $1000\text{ mm}$ được cắm tựa vào lớp đá granite số 6.

3. Số lượng cọc khoan nhồi được bố trí cho mỗi mố và trụ trong Phương án 1 và Phương án 2 là bao nhiêu?
Theo kết quả tính toán sức chịu tải cọc đơn (dao động từ $554\text{ T}$ đến $768\text{ T}$) và lực dọc tác dụng bất lợi nhất từ kết cấu nhịp và mố trụ, tác giả chọn bố trí $6$ cọc khoan nhồi đường kính $1000\text{ mm}$ cho mỗi bệ mố (mố A, mố B) và mỗi bệ trụ (T1, T2, T3, T4) ở cả hai phương án.

4. Tổng mức đầu tư dự toán cho Phương án 1 (cầu dầm liên hợp bản BTCT 4 nhịp 44m) là bao nhiêu?
Tổng mức đầu tư xác định cho Phương án 1 là $41.332.593.619\text{ đồng}$ (trong đó giá trị xây lắp chính là $36.133.817.000\text{ đồng}$, xây lắp khác $3.613.381.700\text{ đồng}$, chi phí khác $3.974.719.870\text{ đồng}$, trượt giá $1.987.359.935\text{ đồng}$ và dự phòng $2.623.315.114\text{ đồng}$), đạt chỉ tiêu kinh tế $19.682.187\text{ đồng/m}^2$ cầu.

5. Chiều cao và quy cách cấu tạo dầm chủ của Phương án 1 và Phương án 2 khác nhau như thế nào?
Phương án 1 sử dụng dầm thép chữ I liên hợp bản BTCT với chiều cao dầm thép $h = 1,95\text{ m}$, bản vách dày $14\text{ mm}$, bản cánh rộng $400\text{ mm}$ dày $20\text{ mm}$, khoảng cách giữa các dầm là $2,4\text{ m}$. Phương án 2 sử dụng dầm BTCT dự ứng lực tiết diện chữ I với chiều cao dầm $h = 1,75\text{ m}$, khoảng cách dầm $2,3\text{ m}$, bản mặt cầu BTCT dày $200\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cầu Cẩm Lĩnh – Nghi Sơn – Thanh Hóa" của sinh viên Nguyễn Văn Quân là công trình nghiên cứu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho dự án cầu đường bộ khẩu độ $166\text{ m}$ vượt sông Cẩm Lĩnh. Hồ sơ đã giải quyết đầy đủ các bước từ lập phương án so sánh sơ bộ, tính toán thủy văn địa chất, xác định quy mô tải trọng HL-93 theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 cho đến kiểm toán chi tiết dầm, mố trụ móng cọc khoan nhồi và lập biện pháp thi công. Các số liệu tính toán về cơ học kết cấu, khối lượng vật liệu và giải pháp vòng vây cọc ván thép thi công trụ dưới nước có tính logic kỹ thuật cao, đáp ứng đúng yêu cầu của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Xây dựng Cầu đường.