Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Cầu đường của sinh viên Vũ Xuân Chiến (Lớp XD1301C) tập trung vào đề tài "Thiết kế sơ bộ công trình cầu Phố Lu vượt sông Hồng, tỉnh Lào Cai" (Phần I: Thiết kế sơ bộ).

Bối cảnh thực tiễn được tác giả xác lập xuất phát từ vị trí địa lý - kinh tế trọng yếu của khu vực nghiên cứu:

  • Cầu Phố Lu là công trình vượt sông Hồng kết nối trực tiếp hai huyện C và D trên tuyến tỉnh lộ X thuộc tỉnh Lào Cai. Đây là tuyến giao thông huyết mạch phục vụ thông thương nội tỉnh và kết nối liên vùng.
  • Hiện trạng giao thông tại vị trí vượt sông phụ thuộc vào phà A trên tỉnh lộ X, tạo ra điểm nghẽn nghiêm trọng về năng lực vận tải và gây ách tắc giao thông thủy. Mặt khác, cầu qua sông Phố Lu cũ đã xuống cấp sau thời gian dài khai thác dưới tác động của môi trường, không đáp ứng được tải trọng và lưu lượng phương tiện ngày càng gia tăng, đặc biệt khi các đoạn tuyến đường bộ hai đầu cầu đã được đầu tư nâng cấp.
  • Về phương diện phát triển không gian và kinh tế: Vị trí xây dựng cầu nằm cách trung tâm thị xã 3 km, có mật độ dân cư gia tăng nhanh chóng, tập trung các hoạt động công nghiệp nặng, công nghiệp hóa dầu và tiềm năng phát triển du lịch, dịch vụ logistics khi hệ thống cảng và khu công nghiệp mới hình thành.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong văn bản bao gồm:

  1. Phân tích, tổng hợp điều kiện tự nhiên tại khu vực xây dựng công trình (địa hình, khí hậu, thủy văn, địa chất công trình).
  2. Thiết lập hệ thống chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế cầu theo tiêu chuẩn hiện hành 22 TCN 272-05.
  3. Đề xuất, mô hình hóa và tính toán khối lượng kỹ thuật sơ bộ cho 3 phương án kết cấu nhịp và mố trụ vượt sông.
  4. Kiểm toán tải trọng thẳng đứng, xác định sức chịu tải của móng cọc khoan nhồi theo điều kiện vật liệu và nền đất, từ đó bố trí số lượng cọc cho mố và trụ của từng phương án phục vụ công tác so sánh kinh tế - kỹ thuật.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Vị trí vượt sông Hồng nối hai bờ huyện C và D trên tỉnh lộ X, tỉnh Lào Cai (cách trung tâm thị xã 3 km).
  • Giới hạn kỹ thuật: Nghiên cứu dừng ở giai đoạn lập Thiết kế sơ bộ (Phần I của đồ án), tập trung vào phân tích kết cấu nhịp, kết cấu mố trụ, tính toán nền móng cọc và tổng hợp dự toán khối lượng vật tư chính.

Cơ sở tiêu chuẩn và phương pháp tính toán thiết kế

Hệ thống tiêu chuẩn và chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế

Thiết kế được xây dựng dựa trên hệ thống quy chuẩn kỹ thuật xây dựng công trình giao thông của Việt Nam:

  • Tiêu chuẩn thiết kế áp dụng: Tiêu chuẩn Thiết kế Cầu 22 TCN 272-05.
  • Quy mô công trình: Công trình vĩnh cửu.
  • Cấp tải trọng thiết kế: Hoạt tải đoàn xe HL-93 kết hợp tải trọng rải đều trên làn và hoạt tải người đi bộ $300 \text{ daN/m}^2$ (tương đương $3,0 \text{ kN/m}^2$, tính toán thiết kế quy đổi hệ số phân bố $4,4 \text{ kN/m}^2$).
  • Cấp kỹ thuật đường thủy nội địa: Sông thông thuyền cấp IV.
  • Điều kiện thủy văn: Mực nước cao nhất thiết kế $\text{MNCN} = 5,17 \text{ m}$; Mực nước thông thuyền $\text{MNTT} = 4,50 \text{ m}$ (khẩu độ thông nước yêu cầu $L_0 = 166 \text{ m}$).
  • Điều kiện khí hậu: Khu vực nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ bình quân hàng năm $29^\circ\text{C}$, nhiệt độ thấp nhất $12^\circ\text{C}$, nhiệt độ cao nhất $38^\circ\text{C}$; mùa mưa tập trung từ tháng 10 đến tháng 12.

Địa tầng địa chất công trình

Dữ liệu khảo sát địa chất qua các lỗ khoan thăm dò xác định 6 lớp địa tầng từ trên xuống dưới:

  • Lớp 1: Cát hạt nhỏ màu xám vàng (chiều dày tính toán $2,76 \text{ m}$).
  • Lớp 2: Cát sét màu xám vàng, trạng thái dẻo (chiều dày tính toán $3,00 \text{ m}$).
  • Lớp 3: Sét màu xám xanh, xám vàng, trạng thái dẻo mềm (chiều dày tính toán $8,30 \text{ m}$).
  • Lớp 4: Sét màu xám vàng, trạng thái dẻo cứng (chiều dày tính toán $10,10 \text{ m}$).
  • Lớp 5: Cát sét màu xám vàng, trạng thái dẻo (chiều dày tính toán $10,30 \text{ m}$).
  • Lớp 6: Tầng đá Granite ít nứt nẻ, rắn chắc, chỉ số SPT $N \ge 55$ (dày trên $0,63 \text{ m}$ đến hết chiều sâu khoan), được lựa chọn làm tầng chịu lực chính cho mũi cọc khoan nhồi.

Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

  1. Phương pháp phân tích tĩnh học và đường ảnh hưởng: Sử dụng phương pháp giải tích đường ảnh hưởng phản lực để xác định tổ hợp nội lực bất lợi nhất truyền xuống đỉnh mố và đỉnh trụ dưới tác dụng của tĩnh tải giai đoạn I ($DC$), tĩnh tải giai đoạn II ($DW$), và hoạt tải xe cộ/người đi bộ ($LL + PL$). Các hệ số vượt tải tuân thủ trạng thái giới hạn cường độ: $\gamma_{DC} = 1,25$; $\gamma_{DW} = 1,50$; $\gamma_{LL} = 1,75$; $\gamma_{PL} = 1,75$; hệ số xung kích hoạt tải $(1 + IM) = 1,25$; hệ số làn $m = 1,0$ với 2 làn xe thiết kế.
  2. Phương pháp xác định sức chịu tải của cọc khoan nhồi ($D = 1000 \text{ mm}$):
    • Theo cường độ vật liệu: Tính toán theo Điều A5.4 tiêu chuẩn thiết kế với bê tông cấp 30 ($f'c = 30 \text{ MPa}$) và cốt thép AII ($R_a = 2400 \text{ kg/cm}^2$, $f_y = 420 \text{ MPa}$, diện tích thép dọc chọn $25\Phi 25$ có $A{st} = 12271,8 \text{ mm}^2$). Sức kháng danh định đạt $P_V = 1585 \text{ tấn}$.
    • Theo sức kháng của đất nền: Tính toán tổng sức kháng mũi cọc ($Q_p$) và sức kháng ma sát bên thân cọc ($Q_s$) theo phương pháp Reese & O'Neill (1988) dựa trên chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT: $$Q_r = \phi_{qp} Q_p + \phi_{qs} Q_s = \phi_{qp} q_p A_p + \phi_{qs} \sum (q_{si} A_{si})$$ Trong đó hệ số sức kháng mũi $\phi_{qp} = 0,55$, hệ số sức kháng ma sát thân cọc $\phi_{qs} = 0,65$; sức kháng mũi đơn vị trong tầng đá granite tính theo $q_p = 0,057 N \text{ (MPa)}$.
  3. Phương pháp xác định số lượng cọc trong mố, trụ: Áp dụng công thức giải tích có xét đến ảnh hưởng của tải trọng ngang và mô men uốn: $$n = \beta \cdot \frac{A_p}{P_{tt}}$$ Với $A_p$ là tổng áp lực thẳng đứng tính toán tại đáy bệ, $P_{tt}$ là sức chịu tải tính toán của cọc đơn theo nền đất, $\beta$ là hệ số tăng cường ($\beta = 1,2$ đối với trụ đặc và $\beta = 1,4$ đối với mố chữ U nhằm xét đến áp lực đất chủ động và hoạt tải lăng thể trượt sau mố).

Thiết kế và triển khai các phương án kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế chi tiết quy mô mặt cắt ngang chung cho toàn bộ cây cầu cùng cấu tạo giải pháp của 3 phương án sơ bộ:

Hạng mục quy hoạch mặt cắt ngang Kích thước & Thông số kỹ thuật
Bề rộng toàn bộ mặt cầu $B = 12000 \text{ mm}$ ($12,0 \text{ m}$)
Chiều rộng phần xe chạy $2 \times 3500 \text{ mm} = 7000 \text{ mm}$ ($7,0 \text{ m}$)
Chiều rộng lề bộ hành $2 \times 2000 \text{ mm} = 4000 \text{ mm}$ ($4,0 \text{ m}$)
Lan can và dải phân cách $2 \times 500 \text{ mm} = 1000 \text{ mm}$ ($1,0 \text{ m}$)
Lớp phủ mặt cầu Bê tông nhựa hạt mịn dày $7 \text{ cm}$ tạo mui luyện dốc $2%$
Lớp phòng nước Màng chống thấm chuyên dụng dày $0,4 \text{ cm}$ ($4 \text{ mm}$)
Bản mặt cầu bê tông cốt thép Bê tông cốt thép dày $200 \text{ mm}$
Lan can, tay vịn Gờ chắn bánh BTCT kết hợp tay vịn ống thép tráng kẽm/inox ($DC_2 = 4,84 \text{ kN/m}$)
Thoát nước mặt cầu Ống nhựa PVC đường kính $D = 100 \text{ mm}$

Phương án 1: Cầu dầm thép liên hợp bản BTCT 4 nhịp ($4 \times 44 \text{ m}$)

  • Sơ đồ nhịp: Gồm 4 nhịp giản đơn $4 \times 44 \text{ m}$, tổng chiều dài cầu tính toán $L_{SB0} = 171,75 \text{ m}$ (vượt yêu cầu khẩu độ thoát nước $L_0 = 166 \text{ m}$, sai số $3,46% \le 5%$).
  • Kết cấu phần trên: Gồm 5 dầm chủ thép tiết diện chữ I liên hợp bản BTCT, chiều cao dầm $H = 2,0 \text{ m}$, khoảng cách tim dầm $2,30 \text{ m}$ (hoặc $2,40 \text{ m}$ trên mặt cắt ngang). Bản vách dầm thép dày $t_w = 14 \text{ mm}$, bản biên dày $t_f = 20 \text{ mm}$, bản táp tăng cường $300 \times 20 \text{ mm}$. Trọng lượng bản thân dầm thép $D_1 = 3,42 \text{ kN/m}$, hệ liên kết ngang và sườn tăng cường $D_2 = 0,40 \text{ kN/m}$. Gối cầu sử dụng gối cao su cốt bản thép.
  • Kết cấu phần dưới:
    • 02 mố chữ U cải tiến bằng BTCT ($f'_c = 30 \text{ MPa}$), có bản giảm tải BTCT kích thước $300 \times 300 \times 20 \text{ cm}$, gia cố $1/4$ nón đất bằng đá hộc xây vữa M100 dày $25 \text{ cm}$ trên lớp đệm đá $4 \times 6$ dày $10 \text{ cm}$. Móng mố đặt trên 8 cọc khoan nhồi $D = 1000 \text{ mm}$ dài $40 \text{ m}$.
    • 03 trụ đặc thân hẹp bằng BTCT ($f'_c = 30 \text{ MPa}$). Móng trụ T1, T2 bố trí 8 cọc khoan nhồi; móng trụ T3 bố trí 6 cọc khoan nhồi $D = 1000 \text{ mm}$ dài $40 \text{ m}$.

Phương án 2: Cầu dầm giản đơn BTCT DƯL chữ I 5 nhịp ($5 \times 35 \text{ m}$)

  • Sơ đồ nhịp: Gồm 5 nhịp giản đơn $5 \times 35 \text{ m}$, tổng chiều dài cầu sơ bộ $L_{SB0} = 169,80 \text{ m}$ (sai số so với khẩu độ yêu cầu là $2,29% \le 5%$). Công nghệ thi công lao lắp dầm bán lắp ghép.
  • Kết cấu phần trên: Mặt cắt ngang gồm 5 dầm chữ I bằng BTCT dự ứng lực căng sau, chiều cao dầm $H = 1,75 \text{ m}$, khoảng cách dầm $2,30 \text{ m}$. Diện tích mặt cắt dầm tại giữa nhịp $A = 0,637 \text{ m}^2$, tại đầu dầm $A = 1,085 \text{ m}^2$, diện tích trung bình phần vút dầm $A = 0,861 \text{ m}^2$. Dầm ngang bố trí tại 3 vị trí (2 đầu dầm và 1 giữa nhịp). Tấm BTCT kê trên dầm dày $80 \text{ mm}$, rộng $1800 \text{ mm}$, dài $35000 \text{ mm}$ đóng vai trò ván khuôn vĩnh cửu. Tổng tĩnh tải dầm chủ giai đoạn 1 đạt $DC_1 = 32,73 \text{ kN/m}$.
  • Kết cấu phần dưới: 02 mố chữ U BTCT ($f'_c = 30 \text{ MPa}$) móng 8 cọc khoan nhồi $D = 1000 \text{ mm}$; 04 trụ đặc thân hẹp (T1, T2, T3, T4) bằng BTCT móng mố trụ đều sử dụng 6 cọc khoan nhồi $D = 1000 \text{ mm}$ dài $40 \text{ m}$.

Phương án 3: Cầu dầm hộp liên tục BTCT DƯL 3 nhịp ($50 + 80 + 50 \text{ m}$)

  • Sơ đồ nhịp: Cầu dầm liên tục 3 nhịp $50 + 80 + 50 \text{ m} = 180 \text{ m}$ (trong các bảng tính sơ bộ và bố trí nhịp có sơ đồ $50 + 75 + 50 \text{ m} = 175 \text{ m}$, khẩu độ tính toán $L_{SB0} = 170,4 \text{ m}$, sai số $2,65%$). Thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng.
  • Kết cấu phần trên: Kết cấu dầm hộp đơn vách xiên bằng BTCT DƯL ($f'c = 50 \text{ MPa}$). Chiều cao dầm thay đổi liên tục theo quy luật đường cong parabol: chiều cao dầm tại giữa nhịp $H{\text{nhịp}} = 2,0 \text{ m}$, chiều cao dầm tại đỉnh trụ $H_{\text{trụ}} = 4,0 \text{ m}$. Phương trình biên trên và biên dưới bản đáy: $$y_t = \frac{0,8}{1406,25}x^2 + 1,7 \quad \text{và} \quad y_d = \frac{1,0}{1406,25}x^2 + 2,2$$ Trọng lượng đốt hợp long $DC_{hl} = 397,92 \text{ kN}$, đoạn dầm đúc trên đà giáo cố định $DC_1 = 2785,44 \text{ kN}$, tổng trọng lượng toàn bộ kết cấu nhịp $DC_{tb} = 38972,16 \text{ kN}$ (tương đương tĩnh tải rải đều $216,512 \text{ kN/m}$).
  • Kết cấu phần dưới: 02 mố chữ U bằng BTCT ($f'_c = 30 \text{ MPa}$) và 02 trụ thân đặc kích thước lớn đặt trên hệ móng cọc khoan nhồi $D = 1000 \text{ mm}$ cắm sâu vào tầng đá granite.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về công trình cầu Phố Lu – Sông Hồng – Lào Cai

Chương này thiết lập cơ sở dữ liệu đầu vào cho dự án:

  • Trình bày vị trí địa lý trên tuyến tỉnh lộ X vượt sông Hồng nối hai huyện C và D, khẳng định tính cấp thiết đầu tư thay thế phà A và cầu cũ nhằm giải tỏa ách tắc luồng vận tải thủy bộ.
  • Phân tích các đặc trưng điều kiện tự nhiên: Địa hình vùng đồng bằng ven sông bằng phẳng; chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa có nhiệt độ trung bình $29^\circ\text{C}$; chế độ thủy văn ổn định với $\text{MNCN} = 5,17 \text{ m}$, $\text{MNTT} = 4,50 \text{ m}$.
  • Xác lập mặt cắt địa chất 6 lớp và chỉ tiêu thiết kế kỹ thuật: Cầu vĩnh cửu, tải trọng HL-93 kết hợp tải trọng người $300 \text{ daN/m}^2$, thông thuyền sông cấp IV, tiêu chuẩn 22 TCN 272-05.
  • Đưa ra nguyên tắc chung về giải pháp kết cấu: Đảm bảo khả năng chịu lực, ứng dụng công nghệ thi công tiên tiến, tạo mỹ quan kiến trúc và đề xuất sơ bộ 3 phương án kết cấu nhịp để so sánh.

Chương 2: Thiết kế sơ bộ phương án 1 - Cầu dầm liên hợp bản BTCT 4 nhịp (4x44m)

Chương 2 trình bày chi tiết các bước thiết kế hình học và kiểm toán tải trọng cho phương án dầm thép liên hợp:

  • Bố trí mặt đứng và mặt cắt ngang: 4 nhịp giản đơn $44 \text{ m}$, 5 dầm thép chữ I liên hợp bản BTCT dày $200 \text{ mm}$.
  • Xác định kích thước tiết diện dầm thép: Chiều cao dầm $h = 2000 \text{ mm}$, bề rộng bản biên $b_f = 400 \text{ mm}$, chiều dày bản biên $t_f = 20 \text{ mm}$, bản vách $t_w = 14 \text{ mm}$, bản táp $300 \times 20 \text{ mm}$.
  • Tính toán khối lượng tĩnh tải bản thân mố, trụ và kết cấu phần trên: Mố A đạt thể tích $253,23 \text{ m}^3$ (trọng lượng $6276,22 \text{ kN}$); Mố B đạt $233,55 \text{ m}^3$ (trọng lượng $5803,90 \text{ kN}$); Trụ T1, T2 đạt $179,98 \text{ m}^3$ ($4499,86 \text{ kN}$); Trụ T3 đạt $160,48 \text{ m}^3$ ($4012,36 \text{ kN}$).
  • Xếp tải đường ảnh hưởng phản lực để tính tổng tải trọng thẳng đứng tác dụng xuống đáy bệ:
    • Mố A: $AP_{\text{mố A}} = 12950,01 \text{ kN}$ $\rightarrow$ Tính toán ra $n = 2,5$ cọc $\rightarrow$ Chọn 8 cọc $D = 1000 \text{ mm}$.
    • Mố B: $AP_{\text{mố B}} = 12359,58 \text{ kN}$ $\rightarrow$ Tính toán ra $n = 2,7$ cọc $\rightarrow$ Chọn 8 cọc $D = 1000 \text{ mm}$.
    • Trụ T1: $AP_{T1} = 14586,63 \text{ kN}$ $\rightarrow$ Chọn 8 cọc $D = 1000 \text{ mm}$.
    • Trụ T2: $AP_{T2} = 14388,98 \text{ kN}$ $\rightarrow$ Chọn 8 cọc $D = 1000 \text{ mm}$.
    • Trụ T3: $AP_{T3} = 14388,98 \text{ kN}$ $\rightarrow$ Chọn 6 cọc $D = 1000 \text{ mm}$.
  • Bảng tổng hợp vật tư Phương án 1 ghi nhận: Bê tông kết cấu nhịp $1065,60 \text{ m}^3$, Cốt thép thường nhịp $356,40 \text{ tấn}$, Bê tông mố $898,26 \text{ m}^3$, Bê tông trụ $1279,52 \text{ m}^3$, Bê tông cọc khoan nhồi $1255 \text{ m}^3$ (tương đương khối lượng trong bảng), Cốt thép cọc $37,85 \text{ tấn}$.

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

Chương 3 triển khai phương án kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực phân đoạn ngắn:

  • Bố trí chung: 5 nhịp dầm giản đơn $5 \times 35 \text{ m}$, mặt cắt ngang 5 dầm chữ I cao $1,75 \text{ m}$.
  • Tính toán khối lượng chi tiết kết cấu nhịp: Thể tích 1 dầm chủ đạt $23,99 \text{ m}^3$ (trọng lượng $599,75 \text{ kN}$); bản bê tông kê trên dầm thể tích $4,48 \text{ m}^3$; dầm ngang thể tích $1,82 \text{ m}^3$; tổng tĩnh tải giai đoạn 1 tác dụng lên 1 dầm chủ là $32,73 \text{ kN/m}$.
  • Khối lượng phần dưới: Mố A ($6276,22 \text{ kN}$), Mố B ($5803,90 \text{ kN}$), Trụ T1 và T2 ($4402,36 \text{ kN}$), Trụ T3 và T4 ($3953,86 \text{ kN}$).
  • Tính toán áp lực thẳng đứng và số lượng cọc:
    • Mố A: $AP_{\text{mố}} = 13787,28 \text{ kN}$ $\rightarrow$ Chọn 8 cọc.
    • Mố B: $AP_{\text{mố}} = 13363,81 \text{ kN}$ (bảng tính số lượng cọc ghi nhận $12193,36 \text{ kN}$) $\rightarrow$ Chọn 8 cọc.
    • Trụ T1, T2, T3, T4: Tổng tải trọng tác dụng đạt từ $19755,95 \text{ kN}$ đến $21205,34 \text{ kN}$ $\rightarrow$ Số lượng cọc tính toán từ $3,4$ đến $4,6$ cọc $\rightarrow$ Bố trí đồng bộ 6 cọc $D = 1000 \text{ mm}$ cho mỗi trụ.
  • Bảng tổng hợp vật tư Phương án 2 ghi nhận: Bê tông kết cấu nhịp $1449,24 \text{ m}^3$, Cốt thép thường nhịp $60,47 \text{ tấn}$, Bê tông mố $898,26 \text{ m}^3$, Bê tông trụ $1687,92 \text{ m}^3$, Cốt thép cọc khoan nhồi $192,00 \text{ tấn}$.

Chương 4: Thiết kế sơ bộ phương án 3 - Cầu dầm hộp liên tục BTCT DƯL 3 nhịp (50+80+50m)

Chương 4 thực hiện thiết kế kết cấu dầm hộp bê tông đúc hẫng:

  • Cấu tạo hình học dầm hộp: Chiều cao dầm thay đổi từ $2,0 \text{ m}$ (giữa nhịp) đến $4,0 \text{ m}$ (trên đỉnh trụ), chiều dày bản đáy biến thiên từ $0,20 \text{ m}$ đến $0,50 \text{ m}$ theo quy luật parabol.
  • Phân chia khối lượng từng phân đoạn đúc: Xác định diện tích mặt cắt $A_i$, thể tích $V_i$ và trọng lượng $DC_i$ cho từng khối đúc $S_1$ đến $S_{13}$, đốt hợp long giữa nhịp ($DChl = 397,92 \text{ kN}$), khối đúc trên đà giáo ($DC_1 = 2785,44 \text{ kN}$). Tổng khối lượng kết cấu nhịp là $38972,16 \text{ kN}$ ($216,512 \text{ kN/m}$).
  • Khối lượng phần dưới: Mố A ($6276,22 \text{ kN}$), Mố B ($5803,90 \text{ kN}$), Trụ đặc liên tục T1, T2 thể tích mỗi trụ $250,58 \text{ m}^3$ (trọng lượng $6264,60 \text{ kN}$).
  • Sức chịu tải của cọc khoan nhồi trong phương án 3: Kiểm toán cọc $D = 1000 \text{ mm}$ tựa vào tầng đá granite có chỉ số SPT $N = 91$, sức chịu tải cọc theo vật liệu đạt $P_V = 1585 \text{ tấn}$, sức kháng ma sát đất nền tổng hợp đạt $\sum Q_s = 832,514 \text{ tấn}$.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật chính giữa 3 phương án

Chỉ tiêu so sánh Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3
Loại hình kết cấu nhịp Dầm thép liên hợp bản BTCT Dầm I BTCT DƯL bán lắp ghép Dầm hộp liên tục BTCT DƯL
Sơ đồ phân bố nhịp $4 \times 44 \text{ m}$ ($176 \text{ m}$) $5 \times 35 \text{ m}$ ($175 \text{ m}$) $50 + 80 + 50 \text{ m}$ ($180 \text{ m}$)
Chiều cao dầm chủ $H = 2,00 \text{ m}$ (không đổi) $H = 1,75 \text{ m}$ (không đổi) $H = 2,00 \text{ m} \div 4,00 \text{ m}$ (thay đổi)
Số lượng mố / trụ 02 mố U + 03 trụ đặc 02 mố U + 04 trụ đặc 02 mố U + 02 trụ đặc
Công nghệ thi công nhịp Lắp ghép dầm thép, đổ BT bản Lao kéo dầm I lắp ghép Đúc hẫng cân bằng kết hợp đà giáo
Bê tông kết cấu nhịp $1065,60 \text{ m}^3$ $1449,24 \text{ m}^3$ $1623,84 \text{ m}^3$ (tính từ tổng trọng lượng)
Cốt thép thường nhịp $356,40 \text{ tấn}$ $60,47 \text{ tấn}$ Cốt thép thường + Cáp DƯL
Bê tông mố và trụ $2177,78 \text{ m}^3$ $2586,18 \text{ m}^3$ $3003,34 \text{ m}^3$
Số lượng cọc khoan nhồi 38 cọc ($D = 1000 \text{ mm}$) 40 cọc ($D = 1000 \text{ mm}$) 32 - 36 cọc ($D = 1000 \text{ mm}$)

Đóng góp và đề xuất kỹ thuật của tác giả

  • Đề xuất giải pháp móng: Tác giả đã xác định và tính toán giải pháp móng cọc khoan nhồi đường kính lớn $D = 1000 \text{ mm}$, chiều dài dự kiến $40 \text{ m}$, xuyên qua 5 tầng đất mềm/dẻo để ngàm trực tiếp vào tầng đá Granite ít nứt nẻ, rắn chắc. Đây là giải pháp xử lý nền móng tối ưu về mặt địa chất công trình tại khu vực sông Hồng.
  • Tối ưu hóa kết cấu phần dưới: Đưa ra giải pháp mố chữ U tường mỏng cải tiến có bản giảm tải $300 \times 300 \times 20 \text{ cm}$ kết hợp gia cố tứ nón đá hộc xây vữa M100 dày $25 \text{ cm}$, giúp giảm đáng kể áp lực ngang của đất đắp tác dụng lên thân mố.
  • Xây dựng hệ thống bảng tính chi tiết: Đồ án đã chuẩn hóa toàn bộ quy trình tính toán phân phối tải trọng bánh xe, tĩnh tải các giai đoạn, lập bảng tính sức chịu tải cọc theo phương pháp SPT và bảng tổng hợp khối lượng bóc tách chi tiết cho từng hạng mục công trình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi của văn bản, đề tài có các điểm giới hạn sau:

  • Phạm vi dừng ở thiết kế sơ bộ: Báo cáo mới chỉ hoàn thành giai đoạn Phần I (Thiết kế sơ bộ so sánh phương án), chưa đi sâu vào bước Thiết kế kỹ thuật thi công chi tiết cho một phương án được chọn (chưa có bản vẽ bố trí cốt thép chi tiết, chưa bố trí bó cáp dự ứng lực cụ thể trong từng khối đúc, chưa kiểm toán cục bộ bản cánh, sườn dầm và nứt vỡ).
  • Thiếu phân tích chi phí toàn diện: Văn bản dẫn chiếu bảng dự toán chi tiết ở phần Phụ lục 1 nhưng chưa tích hợp trực tiếp bảng so sánh tổng mức đầu tư hoàn chỉnh và chỉ số kinh tế tổng hợp ngay trong phần nội dung chính của các chương.
  • Hướng mở tiếp theo: Cần tiến hành lựa chọn chính thức 01 phương án tối ưu (dựa trên điểm tổng hợp kỹ thuật, mỹ quan và giá thành), sau đó triển khai thiết kế chi tiết: mô hình hóa không gian 3D trên phần mềm chuyên dụng (như Midas Civil/SAP2000), kiểm toán các trạng thái giới hạn sử dụng (độ võng, ứng suất kéo/nén trong từng giai đoạn đúc hẫng), thiết kế hệ đà giáo, xe đúc và quy trình căng kéo cáp dự ứng lực chi tiết ngoài hiện trường.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật thực tế cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Cầu đường và Công trình Giao thông: Là tài liệu tham khảo mẫu mực về cấu trúc và phương pháp lập đồ án tốt nghiệp phần thiết kế sơ bộ cầu vượt sông lớn, bao gồm đầy đủ các bước từ khảo sát số liệu, thiết lập chỉ tiêu kỹ thuật, tính toán tải trọng đường ảnh hưởng đến bóc tách khối lượng.
  • Kỹ sư thiết kế cầu đường: Cung cấp bộ số liệu thực tế về thông số cấu tạo dầm thép liên hợp nhịp $44 \text{ m}$, dầm I BTCT DƯL nhịp $35 \text{ m}$ và dầm hộp đúc hẫng nhịp lớn ($50+80+50 \text{ m}$), cùng công thức giải tích xác định sức kháng mũi và ma sát cọc khoan nhồi trong tầng đá Granite theo chỉ số SPT.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình lập phương trình giải tích biến thiên parabol bản đáy dầm hộp (Chương 4) và phương pháp tính toán tải trọng phân bố đường ảnh hưởng mố/trụ kết hợp hệ số vượt tải theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 (Chương 2 và 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Tải trọng thiết kế và các tiêu chuẩn chính được tác giả áp dụng trong đồ án là gì?
Tác giả áp dụng Tiêu chuẩn Thiết kế Cầu 22 TCN 272-05, quy mô vĩnh cửu, tải trọng thiết kế gồm đoàn xe tải trọng trục HL-93 kết hợp tải trọng làn và hoạt tải người đi bộ $300 \text{ daN/m}^2$ ($3,0 \text{ kN/m}^2$), cấp thông thuyền sông cấp IV với mực nước cao nhất $\text{MNCN} = 5,17 \text{ m}$ và mực nước thông thuyền $\text{MNTT} = 4,50 \text{ m}$.

2. Địa tầng khu vực xây dựng cầu gồm những lớp nào và móng cọc khoan nhồi cắm vào lớp đất nào?
Địa tầng gồm 6 lớp: Lớp 1 (cát hạt nhỏ màu xám vàng), Lớp 2 (cát sét màu xám vàng dẻo), Lớp 3 (sét xám xanh dẻo mềm), Lớp 4 (sét xám vàng dẻo cứng), Lớp 5 (cát sét xám vàng dẻo), và Lớp 6 (đá Granite ít nứt nẻ, rắn chắc). Toàn bộ hệ móng mố và trụ của các phương án đều sử dụng cọc khoan nhồi $D = 1000 \text{ mm}$ dài dự kiến $40 \text{ m}$, cắm sâu và chịu lực trên tầng đá Granite (Lớp 6).

3. Mặt cắt ngang cầu được quy hoạch với các kích thước cụ thể như thế nào?
Bề rộng toàn cầu là $12,0 \text{ m}$, trong đó bề rộng phần xe chạy là $7,0 \text{ m}$ ($2 \times 3,5 \text{ m}$), hai lề bộ hành mỗi bên rộng $2,0 \text{ m}$ ($2 \times 2,0 \text{ m}$), hai dải phân cách và lan can mỗi bên rộng $0,5 \text{ m}$ ($2 \times 0,5 \text{ m}$). Kết cấu mặt cầu gồm lớp bê tông nhựa hạt mịn dày $7 \text{ cm}$ tạo dốc mui luyện $2%$, lớp phòng nước dày $0,4 \text{ cm}$ và bản mặt cầu BTCT dày $200 \text{ mm}$.

4. Quy luật biến thiên chiều cao của dầm hộp liên tục trong Phương án 3 được xác định ra sao?
Dầm hộp liên tục BTCT DƯL có chiều cao thay đổi từ $H_{\text{nhịp}} = 2,0 \text{ m}$ tại giữa nhịp đến $H_{\text{trụ}} = 4,0 \text{ m}$ tại đỉnh trụ. Đường cong biên trên và biên dưới bản đáy biến thiên theo quy luật parabol bậc hai:

  • Biên trên: $y_t = \frac{0,8}{1406,25}x^2 + 1,7$
  • Biên dưới: $y_d = \frac{1,0}{1406,25}x^2 + 2,2$
    Chiều dày bản đáy biến thiên từ $0,20 \text{ m}$ tại giữa nhịp lên $0,50 \text{ m}$ tại tiết diện đỉnh trụ.

5. Kết quả tính toán số lượng cọc khoan nhồi cho mố và trụ ở Phương án 1 và Phương án 2 như thế nào?

  • Ở Phương án 1 ($4 \times 44 \text{ m}$): Mố A bố trí 8 cọc ($AP = 12950,01 \text{ kN}$), Mố B bố trí 8 cọc ($AP = 12359,58 \text{ kN}$), Trụ T1 và T2 bố trí 8 cọc mỗi trụ ($AP \approx 14388 \div 14586 \text{ kN}$), Trụ T3 bố trí 6 cọc ($AP = 14388,98 \text{ kN}$).
  • Ở Phương án 2 ($5 \times 35 \text{ m}$): Mố A và Mố B bố trí 8 cọc mỗi mố ($AP \approx 13363 \div 13787 \text{ kN}$), các Trụ T1, T2, T3, T4 chịu tải trọng từ $19755,95 \text{ kN}$ đến $21205,34 \text{ kN}$ và đều được bố trí đồng bộ 6 cọc khoan nhồi cho mỗi trụ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Vũ Xuân Chiến đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế sơ bộ công trình cầu Phố Lu vượt sông Hồng trên tuyến tỉnh lộ X, tỉnh Lào Cai. Thông qua việc thu thập đầy đủ số liệu điều kiện tự nhiên và áp dụng chặt chẽ Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05, tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh phương án kỹ thuật cho 3 loại hình kết cấu nhịp (dầm thép liên hợp $4 \times 44 \text{ m}$, dầm I BTCT DƯL $5 \times 35 \text{ m}$, và dầm hộp liên tục đúc hẫng $50+80+50 \text{ m}$). Hệ thống tính toán tải trọng mố trụ, sức chịu tải cọc khoan nhồi và tổng hợp khối lượng vật tư được thực hiện chi tiết, logic, tạo cơ sở khoa học vững chắc phục vụ bước so sánh lựa chọn phương án và triển khai thiết kế thi công chi tiết tiếp theo.