Tổng quan nghiên cứu

Hạ tầng giao thông khu vực Đồng bằng sông Cửu Long đóng vai trò quyết định trong việc thúc đẩy giao thương và phát triển kinh tế vùng. Tại huyện Hòn Đất, tỉnh Kiên Giang, tuyến đường nối thị trấn Hòn Đất với xã Nam Thái Sơn là trục giao thông trọng điểm, phục vụ vận chuyển nông sản và nhu cầu đi lại của hàng nghìn lượt phương tiện mỗi ngày. Tuy nhiên, công trình cầu Hòn Đất cũ được xây dựng từ năm 2008 bằng kết cấu thép thuộc sở hữu tư nhân đã xuống cấp nghiêm trọng, tải trọng khai thác hạn chế và không còn đáp ứng được lưu lượng phương tiện ngày càng gia tăng.

Nghiên cứu này thực hiện nhiệm vụ thiết kế công trình cầu Hòn Đất mới kiên cố bằng bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực, đạt cấp tải trọng thiết kế tiêu chuẩn HL-93 theo quy chuẩn đường cấp IV đồng bằng với vận tốc thiết kế 60 km/h. Phạm vi xây dựng được xác định tại vị trí cách cầu cũ 50m về phía thượng lưu, bắc qua tuyến thủy nội địa kết nối Rạch Giá và Hà Tiên, triển khai nghiên cứu toàn diện từ tháng 01/2022 đến tháng 05/2022.

Giải pháp thiết kế mang lại ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật quan trọng khi mở rộng mặt cầu lên quy mô 2 làn xe cơ giới với bề rộng phần xe chạy 9.9m (tổng bề rộng mặt cầu 10.9m) và tổng chiều dài toàn cầu 117.6m. Công trình đảm bảo đáp ứng 100% năng lực chịu tải nặng theo tiêu chuẩn hiện hành, tăng 45% tốc độ lưu thông liên vùng, giảm trên 60% chi phí duy tu định kỳ so với kết cấu thép cũ và bảo đảm an toàn thoát lũ trước lưu tốc dòng chảy đạt 2.0 m/s.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hai tiêu chuẩn cốt lõi: Tiêu chuẩn thiết kế cầu quốc gia TCVN 11823:2017 dựa trên triết lý thiết kế hệ số tải trọng và sức kháng LRFD, kết hợp Tiêu chuẩn thông thuyền đường thủy nội địa TCVN 5664:2009 cho tuyến sông cấp V với khổ thông thuyền quy định chiều rộng 25m và chiều cao 4m.

Mô hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu nhịp dầm Super T bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước làm việc liên hợp với bản mặt cầu đổ tại chỗ, kết hợp mô hình móng cọc khoan nhồi đường kính lớn tương tác phi tuyến với nền đất mềm yếu. Các khái niệm và trạng thái giới hạn chính bao gồm:

  • Trạng thái giới hạn cường độ (TTGH CĐ I): Đảm bảo khả năng chịu lực tối đa, kiểm toán sức kháng uốn và kháng cắt danh định của dầm chủ, mố trụ dưới tổ hợp tải trọng bất lợi nhất.
  • Trạng thái giới hạn sử dụng (TTGH SD): Khống chế độ võng đàn hồi, độ vồng sau khi căng cáp và giới hạn ứng suất thớ bê tông nhằm ngăn ngừa nứt nẻ trong giai đoạn khai thác.
  • Hệ số phân bố ngang: Phương pháp xác định tỷ lệ phân chia tải trọng bánh xe theo phương ngang dựa trên phương pháp đòn bẩy kết hợp quy tắc dầm liên tục.
  • Mô hình tải trọng HL-93: Phối hợp đồng thời giữa xe tải thiết kế 3 trục có tổng trọng lượng 325 kN (hoặc xe hai trục 220 kN) với tải trọng làn rải đều 9.3 N/mm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào được thu thập trực tiếp từ công tác khoan thăm dò 4 hố khoan địa chất hiện trường với chiều sâu trên 47m. Địa tầng khu vực gồm 4 lớp chính: lớp sét mềm dày 12m (chỉ số SPT N=6, lực dính Su=18 kPa), lớp sét dẻo trung bình dày 14m (SPT N=13, Su=30 kPa), lớp cát mịn chặt vừa dày 6m (SPT N=36) và lớp sét cứng chịu lực dày 15m (SPT N=55, Su=42 kPa). Dữ liệu thủy văn ghi nhận mực nước cao nhất MNCN +2.46m ứng với tần suất p=1%, mực nước thông thuyền MNTT +1.26m (p=5%), mực nước thấp nhất MNTN -2.59m và diện tích mặt cắt ướt đạt 506.61 m2.

Cỡ mẫu tính toán bao gồm 5 mặt cắt xung yếu dọc dầm chủ (tại gối X0=0m, X1=1.875m, X2=4.688m, X3=9.375m và mặt cắt giữa nhịp X4=18.75m tương ứng chiều dài tính toán Ltt=37.5m), cùng 3 mặt cắt kiểm toán kết cấu thân, bệ mố trụ. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các vị trí chịu mô men uốn lớn nhất và lực cắt cực đại theo quy tắc đường ảnh hưởng.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích giải tích kết hợp mô hình phần tử hữu hạn là nhằm phản ánh chính xác sự làm việc không đồng nhất của vật liệu bê tông f'c=50 MPa và cáp dự ứng lực cường độ cao fpu=1860 MPa qua từng giai đoạn thi công đúc dầm, căng cáp, lao lắp và đưa vào vận hành. Toàn bộ quá trình tính toán và kiểm chứng số liệu hoàn thành trong chu kỳ 4 tháng của đề tài.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu mang lại các kết quả định lượng cụ thể qua các giải pháp kết cấu:

  • Tối ưu hóa sơ đồ phân chia nhịp: Phương án 3 nhịp dầm Super T dài 38.3m với tổng chiều dài cầu 117.6m đảm bảo khẩu độ thoát nước tính toán 109.89m. Khổ thông thuyền thực tế đạt bề rộng 38m, vượt 52% so với quy chuẩn thông thuyền cấp V (25m), giúp dòng chảy lưu thông thông suốt và hạn chế tối đa xói lở chân công trình.
  • Khả năng chịu lực vượt trội của dầm Super T: Dầm chủ cao 1750 mm với 5 dầm trên trắc ngang (khoảng cách 2180 mm) sử dụng bê tông f'c=50 MPa và cáp dự ứng lực D=15.2 mm (fpj=1400 MPa). Sức kháng uốn danh định tại mặt cắt giữa nhịp X4=18.75m vượt 28.4% so với mô men tính toán ở trạng thái giới hạn cường độ I, đồng thời độ võng hoạt tải thấp hơn 34% so với ngưỡng khống chế L/800.
  • Giải pháp móng sâu kiểm soát biến dạng nền: Hệ móng cọc khoan nhồi đường kính D=1.0m cắm sâu vào tầng sét cứng thứ tư (độ sâu mũi cọc >32m, SPT N=55) cho sức chịu tải tính toán trên 3200 kN/cọc, giúp giảm độ lún dư dài hạn xuống dưới 12 mm, thấp hơn 65% so với mức lún cho phép của công trình giao thông.
  • Hiệu quả kinh tế kỹ thuật: So với phương án dầm chữ I hoặc dầm bản, dầm Super T giúp tiết kiệm 18% khối lượng bê tông bản mặt cầu và rút ngắn 25% tiến độ lao lắp nhịp nhờ công nghệ chế tạo sẵn tại bãi đúc.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả chịu lực cao của kết cấu bắt nguồn từ dạng mặt cắt dầm Super T dạng cánh rộng 2180 mm kết hợp bầu dầm đáy, giúp tăng đáng kể mô men quán tính uốn trong khi giảm thiểu khối lượng tĩnh tải bản thân. Bê tông cường độ cao f'c=50 MPa phối hợp cáp căng trước triệt tiêu hoàn toàn ứng suất kéo ở thớ dưới đáy dầm trong giai đoạn khai thác, ngăn chặn nguy cơ nứt bê tông dưới tác dụng của tổ hợp hoạt tải xe tải nặng HL-93.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công trình cầu hiện đại được xây dựng trên nền đất yếu tại vùng Tây Nam Bộ, nơi tầng bùn sét dày đòi hỏi phải giảm tải trọng bản thân kết cấu nhịp để hạn chế số lượng cọc móng.

Dữ liệu nội lực và ứng suất được hệ thống hóa rõ ràng qua các biểu đồ bao mô men, lực cắt và bảng tổng hợp ứng suất thớ trên/thớ dưới tại 5 mặt cắt tính toán. Bảng so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa hai phương án kết cấu đã minh chứng tính khả thi và độ bền vững vượt trội của phương án dầm Super T liên hợp bản mặt cầu đổ tại chỗ.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Thi công móng cọc khoan nhồi đường kính D=1.0m bằng công nghệ khoan xoay phản tuần hoàn có sử dụng dung dịch bentonite polime hóa, yêu cầu chiều sâu ngàm vào tầng sét cứng tối thiểu 3.0m và độ nghiêng cọc dưới 1%, hoàn thành trong quý 3 năm đầu triển khai dưới sự điều hành của Ban Quản lý Dự án Giao thông tỉnh Kiên Giang.
  • Chuẩn hóa quy trình đúc dầm Super T tại bãi đúc tập trung, kiểm soát mác bê tông f'c=50 MPa và lực căng kéo cáp dự ứng lực đạt chính xác fpj=1400 MPa với sai số ứng suất dưới 3%, thực hiện trong thời gian 45 ngày trước giai đoạn lao dầm do nhà thầu chuyên ngành đảm nhiệm.
  • Lắp đặt hệ thống gối cầu cao su bản thép 500x450x78mm kết hợp khe co giãn hợp kim nhôm dạng răng lược, đảm bảo hấp thụ chuyển vị nhiệt co giãn lên tới 50mm, hoàn thiện lắp đặt trong vòng 30 ngày trước khi thảm bê tông nhựa mặt cầu dưới sự giám sát của đơn vị tư vấn giám sát.
  • Thiết lập quy trình bảo trì và quan trắc định kỳ độ võng dầm, độ lún mố trụ và mức độ xói lở đáy sông quanh trụ T1 với chu kỳ 6 tháng một lần trong 3 năm đầu khai thác, giảm 80% rủi ro xói ngầm do Sở Giao thông Vận tải tỉnh Kiên Giang phối hợp cùng chính quyền địa phương vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư thiết kế công trình giao thông: Nắm bắt phương pháp luận và các bước tính toán chi tiết dầm Super T theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017, ứng dụng trực tiếp vào việc lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật và bản vẽ thi công các dự án cầu vừa và nhỏ.
  • Đơn vị tư vấn giám sát và nhà thầu xây lắp: Khai thác quy trình công nghệ thi công cọc khoan nhồi D=1.0m trong nền đất yếu và biện pháp lao lắp dầm bằng cẩu tự hành đảm bảo an toàn tuyệt đối.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Xây dựng Cầu đường: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phân tích kết cấu nhịp dự ứng lực, kiểm toán mố trụ bê tông cốt thép và thiết kế móng cọc ma sát kết hợp kháng mũi.
  • Cơ quan quản lý hạ tầng giao thông cấp tỉnh, huyện: Tham khảo căn cứ kỹ thuật và bài toán so sánh kinh tế để đưa ra quyết định đầu tư, thay thế các công trình cầu dân sinh, cầu thép cũ xuống cấp tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phương án dầm Super T nhịp 38.3m được lựa chọn thay vì dầm chữ I? Dầm Super T sở hữu bản cánh trên rộng 2180 mm và độ cứng chống xoắn lớn, giúp giảm số lượng dầm trên mặt cắt ngang xuống còn 5 dầm. Giải pháp này giúp tiết kiệm 18% khối lượng bê tông bản mặt cầu và giảm tải trọng truyền xuống nền móng mố trụ trên nền đất mềm Kiên Giang.

Địa chất công trình tại vị trí cầu Hòn Đất có đặc thù gì cần xử lý nền móng? Địa tầng có lớp sét mềm dày 12m phía trên với chỉ số SPT N=6 và sức chịu cắt thấp Su=18 kPa. Do đó, móng bắt buộc sử dụng cọc khoan nhồi đường kính D=1.0m cắm sâu trên 32m vào lớp sét cứng thứ tư (SPT N=55) để đảm bảo sức chịu tải và triệt tiêu nguy cơ lún lệch.

Tải trọng HL-93 theo TCVN 11823:2017 được tính toán như thế nào trong đồ án? Tải trọng HL-93 được xác định bằng tổ hợp bất lợi nhất giữa xe tải thiết kế 3 trục (trục trước 35 kN, hai trục sau 145 kN) hoặc xe hai trục 110 kN kết hợp đồng thời với tải trọng làn rải đều 9.3 N/mm trên bề rộng 3000 mm, phân bố cho 2 làn xe thiết kế.

Khi nào cần áp dụng phương pháp đòn bẩy để xác định hệ số phân bố ngang? Phương pháp đòn bẩy được sử dụng khi các thông số hình học mặt cắt ngang (như khoảng cách dầm S=2180 mm và chiều cao dầm hd=1750 mm) nằm ngoài giới hạn áp dụng công thức gần đúng của TCVN 11823:2017, nhằm đảm bảo giá trị phân phối tải trọng an toàn cho dầm biên và dầm trong.

Khổ thông thuyền và khẩu độ thoát nước của công trình được định lượng ra sao? Công trình tuân thủ quy chuẩn sông cấp V với khổ thông thuyền thiết kế 25m x 4m. Nhịp chính thực tế bố trí khoảng thông thuyền rộng 38m và tổng khẩu độ cầu 117.6m, bảo đảm thoát nước tối ưu ứng với diện tích mặt cắt ướt 506.61 m2 tại mực nước cao nhất +2.46m.

Kết luận

  • Hoàn thành thiết kế kỹ thuật công trình cầu Hòn Đất quy mô 3 nhịp dầm Super T dài 38.3m, tổng chiều dài 117.6m, đạt cấp tải trọng HL-93 cho tuyến đường cấp IV đồng bằng.
  • Ứng dụng dầm bê tông cốt thép dự ứng lực f'c=50 MPa và móng cọc khoan nhồi D=1.0m ngàm sâu vào tầng sét cứng, kiểm soát độ lún công trình dưới 12 mm.
  • Đảm bảo an toàn thủy văn với khẩu độ thông thuyền thực tế 38m x 4m và năng lực thoát lũ vượt trội ứng với vận tốc dòng chảy 2.0 m/s.
  • Xây dựng hoàn chỉnh hồ sơ bản vẽ kỹ thuật mố trụ, dầm ngang, gối cầu, khe co giãn và biện pháp tổ chức thi công khả thi.
  • Cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc phục vụ việc thay thế cầu thép cũ, nâng cao năng lực giao thông cho huyện Hòn Đất, tỉnh Kiên Giang.

Kế hoạch triển khai đấu thầu và thi công thực địa dự kiến thực hiện trong vòng 12 tháng kể từ khi cấp thẩm quyền phê duyệt hồ sơ thiết kế kỹ thuật. Quý độc giả, kỹ sư và các nhà quản lý dự án có thể tham khảo toàn văn thuyết minh đồ án để ứng dụng quy trình thiết kế cầu dầm Super T vào các dự án giao thông tương tự.