CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM. HIỆN TRẠNG LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN THẾ GIỚI: Trong mạng lưới giao thông đường bộ, đường đắp đầu cầu là một trong những hạng mục công trình quan trọng, đòi hỏi phải có những nghiên cứu và xử lý bằng những giải pháp kỹ thuật riêng biệt mới có thể đáp ứng được yêu cầu về cường độ, độ ổn định, sự êm thuận và thẩm mỹ cho các phương tiện giao thông qua lại cầu. Trên thực tế, những đoạn đường đầu cầu thường là đắp cao và có tiêu chuẩn về độ lún còn lại thấp hơn độ lún cho phép của công trình cầu, dẫn đến khu vực nền đường đầu cầu thường lún không đều, kém ổn định, đồng thời xảy ra sự lún không đều giữa bộ phận nền đường và bộ phận cầu.
Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu nhằm xác định rõ các nguyên nhân gây ra hiện tượng lún đoạn đường dẫn đầu cầu, từ đó đưa ra các giải pháp xử lý nhằm giảm thiểu và khắc phục, trong đó có nhiều nhà khoa học đã có những công trình nghiên cứu sâu về lĩnh vực này như: D. Các kết quả nghiên cứu cho thấy có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến lún không đều tạo ra “điểm xóc” và thường gặp trên các tuyến đường cao tốc hay các tuyến quốc lộ. Từ nhận định của người điều khiển xe, nhìn chung “điểm xóc” gây nên 3 bất lợi khác nhau tương đương với 3 mức độ nghiêm trọng khác nhau. Thứ nhất, “điểm xóc” làm cho người điều khiển xe cảm thấy không êm thuận khi chạy xe.
Thứ hai, “điểm xóc” làm giảm tuổi thọ cho các phương tiện thông qua nó và quan trọng nhất “điểm xóc” là nguyên nhân làm cho người điều khiển xe mất lái, đó là nguyên nhân gián tiếp gây tai nạn giao thông khu vực gần cầu. Tùy vào độ chênh cao do lún lệch giữa mặt cầu và mặt đường mà có thể gây những tác hại theo từng cấp nhất định. Ngoài ra, “điểm xóc” cũng gây ùn tắc giao thông khi phải tiến hành bảo dưỡng và khắc phục chúng. Một vấn đề khác liên quan đến “điểm xóc” đó là việc chi kinh phí cho việc khắc phục “điểm xóc” thời gian sau này.
Theo số liệu thống kê ở Mỹ, trong năm 1995, có 600.000 cây cầu và trong số đó có đến 150.000 chiếc gặp vấn đề “điểm xóc”. Và kết quả ước tính kinh phí chi cho việc khắc phục vấn đề “điểm xóc” lên đến 100.000 USD/năm, trung bình tính cho mỗi cây cầu khoảng 700-1000 USD/cầu. Nghiên cứu giải pháp xử lý đường đầu cầu trên nền đất yếu - Cao học cầu đường Thanh Hóa Học viên cao học: Ngô Thanh Sơn -9- Hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phi Lân Phạm vi cầu Phạm vi đường Bản quá độ Mặt cầu Khe nối Mặt đường Mố cầu Bản đỡ Bệ móng Nền đắp đầm chặt Chiều sâu xử lý móng Đất nền Hình 1.1: Các yếu tố đặc trưng của hệ thống đường dẫn đầu cầu 1. TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG LÚN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU Ở VIỆT NAM: Ở Việt Nam, hầu hết nhiều đoạn đường đắp cao vào cầu chỉ đưa vào sử dụng một thời gian ngắn đã nhanh chóng bộc lộ nhược điểm khá phổ biến.
Đó là hiện tượng lún sụp, trượt trồi hoặc lún không đều giữa nền đắp ở hai bên đầu cầu và cầu, gây trở ngại lớn cho xe cộ lưu thông trên đường. Những giải pháp xử lý sửa chữa thông thường chỉ mang tính chất tình thế, như trám bù lún vào mặt đường bằng các lớp vật liệu mặt đường mới hay đóng thêm cọc và gia cố mái dốc. Lún nhiều trên đoạn đường đầu cầu là hiện tượng rất hay gặp trên các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô đắp trên đất yếu. Trong quá trình khảo sát thiết kế các công trình, các giải pháp giảm nhẹ hoặc khắc phục hiện tượng lún không đều đã được xem xét.
Tuy nhiên, vẫn có không ít công trình không đem lại hiệu quả xử lý như mong đợi, ví dụ: Đường Pháp Vân - Cầu Giẽ, Láng Hòa Lạc (Thành phố Hà Nội), cầu Văn Thánh 2 (Thành phố Hồ Chí Minh), Quốc lộ 10, Dự án Quốc lộ 1A tránh Thành phố Thanh Hóa, nhiều đoạn đường đầu cầu trên các tuyến đường ở đồng bằng sông Cửu Long. Các giải pháp xử lý nhằm giảm thiểu hiện tượng lún không đều nêu ở trên đều sử dụng các giải pháp xử lý thông thường như đối với nền đường đắp trên đất yếu. Kết cấu đường đắp và mố cầu là hai bộ phận hoàn toàn khác nhau, có sự chênh lệch về độ cứng. Phần đường dẫn nếu không xử lý tốt có thể sẽ bị lún rất nhiều và lún kéo dài theo thời gian, trong khi đó mố cầu lại hầu như không bị lún.
Tại vị trí tiếp giáp giữa mặt cầu và đoạn đường đắp sau một thời gian đưa vào sử Nghiên cứu giải pháp xử lý đường đầu cầu trên nền đất yếu - Cao học cầu đường Thanh Hóa Học viên cao học: Ngô Thanh Sơn - 10 - Hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phi Lân dụng, thường mặt đường hay bị gẫy, lún, nứt, xe chạy không êm thuận gây khó chịu cho hành khách lưu thông qua cầu và nhất là xe chạy không thể đạt tốc độ cao. TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG TRÊN THẾ GIỚI. KHÁI NIỆM VỀ ĐẤT YẾU: Đất yếu là các loại đất có thể có nguồn gốc khác nhau (khoáng vật hoặc hữu cơ) và điều kiện hình thành khác nhau (trầm tích ven biển, vịnh biển, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu thổ hoặc hình thành do đất tại chỗ ở những vùng đầm lầy có mực nước ngầm cao, có nước tích đọng thường xuyên,…) nhưng đều có chung các đặc trưng dưới đây: - Cường độ chống cắt nhỏ và thường tăng lên theo độ sâu; - Biến dạng nhiều (lún nhiều) khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài và biến dạng tùy thuộc thời gian chất tải; - Tính thấm nước kém (hệ số thấm nhỏ) và thay đổi theo sự biến dạng của đất yếu; - Hệ số rỗng lớn; - Đất ở trạng thái bão hòa hoặc gần bão hòa. Ở nước ta, định nghĩa và phân loại đất yếu đã được đề cập cụ thể ở điều 1.4 “Quy trình KSTK nền đường ôtô đắp trên đất yếu 22TCN 262-2000.
Ở Trung Quốc các đặc trưng cơ lý của đất yếu được tổng kết như ở bảng 1.1: Các đặc trưng cơ lý chủ yếu của đất yếu Hàm Cường độ Trị số Dung Hệ số Hệ số lượng cắt cánh xuyên Loại đất trọng tự Độ ẩm Hệ số nén thấm hữu C tiêu yếu nhiên W (%) rỗng e chặt k ử cơ u chuẩn (KN/m3) (kPa) (cm/s) u (độ) (%) (kPa) N 63.5 Đất sét yếu > 1.0 <3 WL<W<1 Đất bùn 16 - 19 1 – 1.5 <2 Đất đầm lầy 10 – 16 100 - 300 >3 10 - 50 <10-3 > 2.0 < 10 <20 Than bùn 10 > 300 > 10 > 50 10-2 Nghiên cứu giải pháp xử lý đường đầu cầu trên nền đất yếu - Cao học cầu đường Thanh Hóa Học viên cao học: Ngô Thanh Sơn - 11 - Hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phi Lân Ghi chú bảng 1.1: - Ký hiệu WL giới hạn chảy của đất; - N63,5 là số nhát đập với quả tạ 63,5kg để ống tiêu chuẩn xuyên được 30cm; - Hệ số nén chặt ở đây là tương ứng với khoảng áp lực nén từ 1-2 KG/cm2. Ở Thái Lan, đất yếu chủ yếu phân bố ở đồng bằng châu thổ trung tâm Chao Phraya trong phạm vi 300x200 km với độ sâu (bề dày) đất yếu thường ≤ 15m, đất yếu ở đây thường có cường độ chống cắt không thoát nước từ 10 - 30 kPa (cắt cánh hiện trường), độ ẩm W xấp xỉ giới hạn chảy, hệ số thấm k = 1.10-8 cm/sec và hệ số cố kết Cv = 5.10-4 cm2/ sec, dung trọng tự nhiên từ 10 - 16 kN/m3. Các đặc trưng đất yếu ở Pháp được tổng kết ở bảng 1.2: Các đặc trưng cơ lý của đất yếu Các đặc trưng Than bùn Đất hữu cơ Bùn Sét mềm Độ ẩm W (%) 200 – 1000 100 – 200 60 – 150 30 – 100 Hệ số rỗng e 3 – 10 2 – 3.7 Cc Tính ép lún 0.3 1 eo Hệ số từ biến Ce 0.05 Cc Hệ số thấm k (m/s) 10-4 – 10-9 10-6 – 10-9 10-7 – 10-9 10-9 – 10-11 Hệ số cố kết Cv (m2/s) 10-6 – 10-7 10-6 – 10-8 10-7 – 10-8 10-7 – 10-9 Lực dính không thoát nước Cu (kPa) 10 – 50 10 – 50 10 – 50 10 – 50 (cắt cánh) Dung trọng khô 0.6 (T/m3) Khối lượng riêng hạt 1.7 (T/m3) Qua các số liệu trên có thể thấy khái niệm đất yếu rõ ràng là được hiểu giống nhau ở các nước khác nhau trên thế giới. Nghiên cứu giải pháp xử lý đường đầu cầu trên nền đất yếu - Cao học cầu đường Thanh Hóa Học viên cao học: Ngô Thanh Sơn - 12 - Hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phi Lân 1.
MỤC TIÊU CỦA CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU: Với các đặc trưng nói trên tùy theo chiều dày của lớp đất yếu và vị trí phân bố của lớp đất yếu nằm ở trên hay ở dưới sâu khi xây dựng nền đắp đường đầu cầu trên đất yếu thường phải có các giải pháp xử lý để khắc phục được các vấn đề sau: - Vấn đề ổn định của nền đắp: Do cường độ chống cắt của đất yếu thấp nên dưới tác dụng của tải trọng đắp đất yếu có thể bị trượt trồi dẫn đến nền đắp bị phá hoại, nguy cơ này càng lớn khi đất yếu phân bố ngay ở trên mặt và dễ xảy ra ngay trong quá trình đắp nền đường (khi đất yếu chưa kịp cố kết). - Vấn đề biến dạng của đất yếu dẫn đến nền đắp phía trên bị lún và lún kéo dài nhất là khi bề dày lớp đất yếu càng lớn (có thể trong nhiều năm tùy thuộc mức độ cố kết của đất yếu), lún có thể làm mặt cắt nền đắp bị biến dạng ảnh hưởng đến chất lượng khai thác sử dụng của đường đầu cầu (nhất là chỗ tiếp giáp với mố cầu là vị trí được thiết kế không cho phép lún). Ngoài ra có thể xảy ra lún không đều, lún trũng ở giữa nền đường vì mặt cắt nền đắp có dạng hình thang (bề dày tải trọng đắp thay đổi trên mặt cắt ngang) hoặc vì đất yếu phía dưới có thể không đồng nhất.