MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Ở nước ta phần lớn đô thị và trung tâm kinh tế lớn nằm ở khu vực đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long. Đây là các khu vực có điều kiện tự nhiên thuận lợi cho giao thương nhưng xét về khía cạnh xây dựng thì bất lợi vì các lớp nền là trầm tích sông biển có cấu tạo phức tạp, trong đó có những lớp đất yếu phân bố trên diện rộng và bề dày lớp có thể lên tới 40 - 50m. Xây dựng trên nền đất yếu phải thực hiện xử lý nền vì vậy chi phí xây dựng công trình công trình có thể tăng thêm 10 - 20%.
Mặt khác kết quả đạt được của việc xử lý nền đất yếu trong một số trường hợp chưa đạt yêu cầu. Nền đất yếu là nền có độ nén lún lớn, lực kháng cắt nhỏ, sức chịu tải nhỏ, hệ số rỗng lớn,… Cho nên, những công trình xây dựng trên nền đất yếu không đảm bảo các yêu cầu về giới hạn độ lún, ổn định công trình, sức chịu tải,…và thường xuyên xảy ra xự cố công trình. Vậy trước khi xây dựng công trình cần phải có các biện pháp xử lý nền nhằm gia tăng sức chịu tải, hay cải thiện chỉ tiêu cơ lý của đất nền để đảm bảo điều kiện khai thác bình thường của công trình. Đối với nền đất yếu, nhiều phương pháp gia cố nền đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng.
Khi lựa chọn phương án thích hợp cho mỗi công trình, người thiết kế phải xem xét các yếu tố liên quan đến đất nền đối tượng xử lý, vật liệu và trang thiết bị thi công phương tiện xử lý, giá thành yếu tố kinh tế, ảnh hưởng đối với khu vực lân cận môi trường. Một số sự cố công trình xây dựng xảy ra trong thời gian qua cho thấy sai sót trong đó nguyên nhân chủ yếu là phương án xử lý nền chưa phù hợp với đặc thù của công trình. Để khống chế và kiểm soát độ lún của công trình, nguyên tắc chung của các phương pháp xử lý nền thông dụng hiện nay là làm tăng cường độ và làm giảm tính nén lún của đất nền. Mục tiêu này có thể đạt được bằng cách: +Gia tải để làm tăng độ chặt của đá có thể kết hợp với cọc cát hoặc bấc thấm để đẩy nhanh quá trình cố kết; -2- +Bổ sung chất kết dính để tạo hỗn hợp với đất để cải thiện mô đun biến dạng và cường độ của đất; +Sử dụng móng cọc để truyền tải trọng công trình xuống các lớp đất tốt nằm ở độ sâu lớn.
Bên cạnh các phương pháp nêu trên, một trong những cách khống chế độ lún của công trình là hạn chế sự gia tăng của ứng suất hữu hiệu trong đất bằng cách khống chế tải trọng của công trình. Khi ứng suất hữu hiệu tác dụng lên đáy khối móng lớn hơn ứng suất hữu hiệu do cột đất tạo ra, thì khối móng sẽ xuất hiện hiện tượng lún. Nếu ta thay thế khối đất trong lòng móng bằng vật liệu nhẹ thì gây nên ứng suất hữu hiệu tương đối nhỏ, áp lực chủ động của khối vật liệu thay thế tác dụng lên mố cầu và tường chắn giảm từ 50 đến 100 lần. Như vậy, khi thay thế đất đắp đường dẫn đầu cầu bằng vật liệu nhẹ, độ lún của nền đất và áp lực ngang tác dụng lên mố, tường chắn chỉ còn phụ thuộc vào bề dày của lớp cấu tạo mặt đường.
Geofoam là một trong số các loại vật liệu nhẹ, được trung tâm nghiên cứu GEOFOAM nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều ở Mỹ. Đến nay Geofoam được ứng dụng rất phổ biến trên thế giới và được đánh giá là giải pháp đem lại hiệu tốt nhất về kinh tế-kỹ thuật và xã hội. Geofoam là tên gọi chung cho vật liệu xốp có trọng lượng thấp khoảng (1- 2)% trọng lượng của đất, chủ yếu là xốp nhựa tổng hợp, sử dụng làm vật liệu đắp cho công trình xây dựng. Ưu điểm của giải pháp sử dụng vật liệu siêu nhẹ Geofoam trong nền đường và công trình đắp cao trên nền đất yếu là: +Rút ngắn rõ rệt tiến độ thi công, giảm thiểu tác động của công tác xây dựng công trình đến môi trường và sinh họat xã hội.
+Giảm thiểu hoặc lọai bỏ việc xử lý nền đất yếu dưới công trình. Giảm thiểu ảnh hưởng (lún, áp lực ngang) của công trình đối với các công trình lân cận. Giảm chi phí di dời các công trình ngầm lân cận hoặc cắt ngang tuyến đường/ công trình đắp. +Giảm chi phí kinh tế so với phương án thêm nhịp dẫn.
+Giảm thiểu diện tích chiếm dụng của công trình so với nền đắp thông thường. -3- +Giảm thiểu hoặc lọai bỏ áp lực ngang lên mố cầu dẫn đến giảm chi phí xây dựng mố và móng mố. Dựa vào ưu điểm là một vật liệu nhẹ nhưng có cường độ cao, Geofoam được ứng dụng trong các công trình giao thông (Đường đầu cầu, đường đắp cao, ổn định mái dốc, đường trên nền đất yếu…) ở một số quốc gia trên thế giới. Do vậy, đề tài này tác giả “Nghiên cứu ổn định đường vào cầu bằng vật liệu Geofoam” mục đích là nghiên cứu và ứng dụng vật liệu nhẹ nhằm làm giảm tải trọng tác dụng lên nền, giảm khả năng biến dạng phá hoại nền đối với các công trình trên nền đất yếu ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói chung và ở Hậu Giang nói riêng.
Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu giới thiệu tổng quan giải pháp kỹ thuật bao gồm: vật liệu, tính toán thiết kế, thi công và đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. Phương án thiết kế và tính toán điển hình với Geofoam sẽ được tiến hành cho công trình nền đường dẫn vào cầu Cây Dương-Tuyến đường tránh thị trấn Cây Dương, huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang. Hiệu quả kinh tế-kỹ thuật-xã hội của phương án đề nghị sẽ được so sánh với phương án đắp trên nền đất yếu có xử lý (gây sự cố) và phương án thêm nhịp cầu dẫn đã được lựa chọn khi khắc phục sự cố. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu tính chất cơ học của Geofoam (các chỉ tiêu như: tỷ trọng, cường độ chịu nén, module đàn hồi,…).
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và quy trình tính toán thiết kế của công trình nền đường sử dụng Geofoam. Phân tích, đánh giá và so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa giải pháp kiến nghị với các giải pháp kỹ thuật hiện sử dụng tại Việt Nam đối với công trình nền đường đắp cao trên nền đất yếu. Phương pháp thực nghiệm: Thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu cơ học của vật liệu xốp nhựa tổng hợp (EPS) sản xuất trong nước; đánh giá khả năng sử dụng làm vật liệu đắp nền cho công trình giao thông. -4- Mô phỏng thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Plaxis để đánh giá hệ số ổn định của công trình đường dẫn vào cầu và các công trình tương tự.
Sử dụng phần mềm GeoSlope sử dụng để tính toán cung trượt trụ tròn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 4. Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu, phân tích và giải trình quy trình tính toán thiết kế của Ban Nghiên Cứu Giao Thông của Mỹ đối với công trình nền đường sử dụng vật liệu Geofoam. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn như: phần mềm Plaxis đánh giá hệ số ổn định của công trình đường dẫn vào cầu và các công trình tương tự.
Phần mềm Geo SLOPE/W để tính toán cung trượt trụ tròn. Geo Slope/W dùng lý thuyết cân bằng các lực và momen để tính toán hệ số an toàn chống lại sự phá hủy. Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài làm rõ ưu nhược điểm của vật liệu siêu nhẹ Geofoam, làm cơ sở ứng dụng hiện tại và trong tương lai phục vụ cho nhu cầu xây dựng mạng lưới giao thông ở các thị trấn, thành phố, nơi tập trung đông dân cư….tại Việt Nam. Kết luận về khả năng sử dụng vật liệu Geofoam sản xuất trong nước làm vật liệu đắp siêu nhẹ cho công trình nền đường giao thông.
Kết luận về hiệu quả kinh tế của giải pháp sử dụng vật liệu Geofoam cho nền đường đắp cao trên đất yếu trong điều kiện nền đất yếu tại Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu: Xác định các chỉ tiêu cơ học của vật liệu siêu nhẹ trong điều kiện Việt Nam. Xây dựng phương án thiết kế cho công trình giao thông đường dẫn vào cầu Cây Dương-Tuyến đường tránh thị trấn Cây Dương, huyện Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang. Kiến nghị giải pháp khi sử dụng vật liệu siêu nhẹ Geofoam.
Đánh giá giải pháp kinh tế. Hạn chế của việc nghiên cứu: -5- Nghiên cứu dựa trên các tài liệu nghiên cứu của các nước tiên tiến (chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết). Trong nước chưa có trung tâm nghiên cứu về quy trình sản xuất và kiểm định vật liệu Geofoam cũng như chưa có các ứng dụng thực tế và thi công công trình đắp bằng vật liệu Geofoam nên không có điều kiện nghiên cứu thực nghiệm. Kinh phí nghiên cứu còn hạn chế nên không có điều kiện nghiên cứu sâu cấu trúc bên trong và ảnh hưởng của vật liệu Geofoam khi làm việc chung với vật liệu nền khác.
Hướng phát triển của đề tài: Xu thế sử dụng các sản phẩm vật liệu công nghệ mới thay thế cho các sản phẩm công nghệ lạc hậu, lỗi thời gây nhiều tác động đến môi trường, con người, xã hội là tất yếu. Vật liệu siêu nhẹ đĩa kỹ thuật sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và gia cố các công trình giao thông hện nay. Nghiên cứu này sử dụng như một tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế và chủ đầu tư trong việc tính toán và lựa chọn phương án xử lý nền đất yếu tại Việt Nam, đồng thời quy trình thi công nhanh, đơn giản, an toàn, giảm giá thành XD, mang lại hiệu quả kinh tế. Với điều kiện địa chất của Việt Nam việc sử dụng vật liệu nhẹ là hướng có nhiều triển vọng, đặc biệt là khi xây dựng đường giao thông trên nền đất yếu và xử lý lún công trình xây dựng.
Để có thể áp dụng tại Việt Nam cần phải tiếp tục nghiên cứu thêm với điều kiện địa chất, điều kiện tự nhiên cũng như biên soạn các tiêu chuẩn thiết kế thi công. - Có khả năng ứng dụng và phát triển thành công nghệ sản xuất và thi công hàng loạt với qui mô lớn ở các công trình giao thông và xử lý nền móng công trình. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU GEOFOAM 1.
