ĐẶT VẤN ĐỀ Đường dẫn vào cầu kết nối, chuyển tiếp độ cứng giữa đường và cầu thông qua kết cấu mố cầu, và đảm bảo sự êm thuận cho lưu thông trên tuyến (Phan Quốc Bảo 2015 [65], Đỗ Thị Mỹ Chinh 2016 [22]). Lún đường dẫn đầu cầu không chỉ xảy ra trên thế giới mà còn xảy ra ở Việt Nam. Ở Mỹ, ước tính xấp xỉ 25% của 600.000 cây cầu xảy ra hiện tượng lún lệch và tiêu tốn hàng triệu đô cho chi phí sửa chữa (Islam 2010 [46], Thiagarajan 2010 [86]). Trong những thập kỷ qua, các nghiên cứu mở rộng được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu nguyên nhân chính dẫn đến lún lệch đầu cầu (Hopkins & Deen 1969 [33], Briaud et al.
1997 [15], Long et al. 1998 [49], Horvath 2000 [40], White et al. 2007 [94], Chen & Chai 2011 [19], Mishra et al. Các nguyên nhân gây lún chủ yếu thường là do lún cố kết của lớp đất yếu bên dưới chưa được xử lý triệt để, sự dịch chuyển đất của mái đất đắp trước mố, áp lực ngang lên mố do nền đất đắp tác dụng, thiết kế bản quá độ không hợp lý, v.v (Briaud et al.
Hiện tượng lún đường dẫn gây ra nguy hiểm lớn cho các phương tiện di chuyển, đặc biệt là các phương tiện vận tải lớn, gây hỏng hóc phương tiện hàng hóa, phát sinh tải trọng xung kích phụ thêm lên mố cầu hoặc cống, tốn kém cho công tác duy tu bảo dưỡng, gây cảm giác khó chịu cho người tham gia giao thông và làm mất an toàn giao thông (Nguyễn Thị Thu Hằng 2015 [56], Quách Hồng Chương và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2016 [72]). Nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu đường đầu cầu như: đắp gia tải, giếng cát, cọc đá, cọc cát, bấc thấm, cọc đất trộn xi măng, v. Tuy nhiên, các phương pháp trên tốn nhiều thời gian và chi phí. Việc dùng Geofoam thay cho các loại đất đắp truyền thống mà không cần phải xử lý nền đất yếu bên dưới là một giải pháp mới đang được nhiều nước trên thế giới áp dụng.
Expanded Polystyrene (EPS) Geofoam (sau đây gọi tắt là Geofoam) được ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu bằng cách đặt trực tiếp lên nền đất mà không cần phải xử lý nền hay chỉ xử lý tối thiểu. Quá trình thi công để nâng cao nền 2 đường chỉ sử dụng nhân công vận chuyển, lắp đặt bằng thủ công và rút ngắn thời gian thi công. Sau hơn 50 năm nghiên cứu và phát triển, Geofoam được sử dụng rộng rãi và thành công trong nhiều công trình giao thông ở châu Âu, Mỹ, và châu Á. Đường vào cầu Flom ở thành phố Oslo, đường vào cầu Hjelmungen, cầu Lokkeberg ở Na Uy (Frydenlund & Aabøe 2001 [28]), tuyến đường I-15 ở tiểu Bang Utah hoàn thành năm 2001, tuyến đường 23A ở New Nork, đường số 143 ở tiểu Bang Illinois, tuyến đường 109 ở tiểu Bang Indiana, cầu Moorcraft ở tiểu Bang Wyoming (Stark et al.
2004 [77], Mohajerani et al. Các tuyến đường Nhật bản và Malaysia (Elragi 2006 [26]). Vật liệu Geofoam giảm áp lực tác dụng lên lớp đất bên dưới và kết cấu công trình. Geofoam giúp còn giảm tổng chi phí xây dựng, không cần thiết bị đặc biệt, và ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết.
Ngoài ra, Geofoam có thể dễ dàng cắt tạo hình ngay công trường. Vật liệu nhẹ Geofoam vẫn chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vào xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam. Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Geofoam xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu là cần thiết. Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu thực nghiệm xây dựng mô hình mố cầu và đường dẫn vào cầu bằng Geofoam được sản xuất trong nước nhằm nghiên cứu ứng xử của Geofoam đối với áp lực do tĩnh tải, hoạt tải gây ra, và chuyển vị tức thời của toàn bộ công trình trên nền đất yếu tại Thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM).
Đánh giá chất lượng Geofoam sau thử nghiệm về các đặc trưng cơ-lý-hóa như thí nghiệm nén nở hông tự do (UCS), thí nghiệm hòa tan trong dung môi hữu cơ gốc dầu hỏa, thí nghiệm hấp thụ nước, thoát nước, và thí nghiệm đốt cháy. Các kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng quan trọng để ứng dụng vào thiết kế và thi công vật liệu Geofoam xây dựng các công trình giao thông trên nền đất yếu ở TP HCM nói riêng và Việt Nam nói chung. TÓM TẮT NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Nghiên cứu tổng quan nhằm khái quát các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thế giới, trong nước liên quan đến các công trình, thử nghiệm hiện trường và các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu Geofoam. Kết quả ban đầu của nghiên cứu tổng quan là 3 cơ sở cần thiết để xác định mục tiêu, xây dựng cơ sở lý thuyết, và giúp định hướng phương pháp nghiên cứu để thực hiện đề tài.
Nội dung nghiên cứu tổng quan của luận văn được trình bày chi tiết ở Phụ lục A. Một số kết quả nổi bật rút ra từ kết quả nghiên cứu tổng quan được trình bày tóm tắt như sau: (1) Geofoam có tuổi thọ ước lượng trên 100 năm nếu được bảo vệ tốt và tránh các tác nhân gây hư hỏng trong quá trình thi công và khai thác (Frydenlund & Aabøe 2001 [28], Horvath 2010a [43], Aabøe & Frydenlund 2011 [2], Chena et al. (3) Geofoam giảm áp lực ngang lên tường chắn (Horvath 1991 [34], Trandafir and Erickson 2012 [88], Ertugrul & Trandafir 2013 [24], Özer and Akay 2016 [21], Ni et al. 2017 [54], Dasaka and Gade 2018 [23], Kim et al.
2018 [47], Xie et al. (6) Tải trọng trục tác dụng lên mặt đường thông qua vệt bánh xe lan truyền thông qua tấm bê tông cốt thép không phân bố qua góc 450 (Leshchinsky et al. (7) Geofoam được sử dụng làm vật liệu xây dựng như vật liệu đắp nền đường (Ghotbi Siabil et al. 2019 [30], 2020 [32], Puppala et al.
2019 [66]), vật liệu đắp trên đường ống hay cống (Bartlett et al. 2015 [18], Meguid et al. 2017 [53], Ni et al. 2018 [55], Plácido and Portelinha 2019 [67], Rasouil and Fatahi 2020 [73], Tafreshi et al.
2020 [90], Puppla et al. (9) Cường độ nén nở hông tự do của Geofoam tăng theo khối lượng riêng, tăng tuyến tính ở biến dạng ≤ 2%. Cường độ ở biến dạng ≤ 2 % được xem là cường độ nén lớn nhất trong thiết kế, qumax từ 31,6 đến 122,8 kPa cho Geofoam từ 12,1 đến 28,6 kg/m3 (Tran-Nguyen & Phan 2019 [90]), qu đạt từ 40 kPa đến 200 kPa ở biến dạng 10% cho Geofoam theo khối lượng riêng từ 12-29 kg/m3 (Duskov 1997 [21], Elragi 2006 [26], Horvath 2010a [43]). (10) Mô đun đàn hồi của vật liệu Geofoam thường ở biến dạng nhỏ hơn hoặc bằng 1%, tăng theo khối lượng riêng.
Mô đun đàn hồi ban đầu (Ei) đạt từ 2-10 MPa cho Geofoam theo khối lượng riêng từ 12-29 kg/m3 ở tốc độ nén 1mm/phút. Mô đun đàn hồi khi dỡ tải (Eu) đạt từ 1,85-8,51 MPa ở tốc độ nén 1mm/phút (Horvath 1994 [35], Elragi 2006 [26], Ossa & Romo 2012 [60], Tran-Nguyen & Phan 2019 [90]). (11) Hệ số Poisson của Geofoam tăng theo khối lượng riêng, và không phụ thuộc vào tốc độ nén, nằm trong khoảng 0,05-0,2, nhỏ hơn các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất đắp, và sét (Elragi 2006 [26], Ossa & Romo 2009 [58], Stark et al. (12) Dưới tác dụng tải trọng trùng phục, Geofoam biến dạng đàn hồi khi tải trọng trùng phục nhỏ hơn 80% cường độ của vật liệu (Elragi 2006 [26], Horvath 2010a [43], Trandafir et al.
Geofoam hấp thụ hơn 60% lượng nước trong 7 ngày đầu, hấp thụ hơn 90% lượng nước trong 35 ngày kế tiếp và dưới 10% lượng nước hấp thụ ở thời gian còn lại. Khối lượng riêng (ρ) sau khi hấp thụ tăng từ 1,3-3,7 lần (Phan Phước Vĩnh và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2020a [69]). 5 (14) Geofoam là loại vật liệu cách âm, cách nhiệt tốt (Elragi 2006 [26], Stark et al. 2012 [78], Mohajerani et al.
(15) Geofoam bị phá hủy cấu trúc, làm giảm lực ma sát bề mặt, và giảm cường độ nén bởi tia cực tím khi cho tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời (Horvath 2001 [41], Elragi 2006 [26], Mohajerani et al. (16) Geofoam là vật liệu dễ cháy nên không để gần ngọn lửa hoặc các nguồn gây cháy, Geofoam chỉ được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ thấp hơn 80oC (Elragi 2006 [26], Horvath 2001 [41], Mohajerani et al. (17) Geofoam có khả năng bị ăn mòn và hòa tan bởi các dung dịch có tính axit mạnh, oxy hóa mạnh, và dung môi gốc hữu cơ như xăng, dầu hỏa, dầu diesel, axit sulfuaric, v. (Elragi 2006 [26], Horvath 2010a [43], Mohajerani et al.
Geofoam bị hòa tan nhanh trong xăng và dầu hỏa, không bị hòa tan trong dầu nhớt (Phan Phước Vĩnh và Trần Nguyễn Hoàng Hùng 2020a [69]). (18) Geofoam là vật liệu không có chất dinh dưỡng, không thu hút kiến, mối, và các động vật gặm nhắm nhưng các loại động vật này có thể đào xuyên qua Geofoam để tiếp cận nguồn thức ăn khác hoặc dùng làm chỗ ở (Elragi 2006 [26], Horvath 2010a [43], Mohajerani et al. (19) Geofoam không bị phân huỷ sinh học, trơ ở môi trường đất, nước, và không gây ô nhiễm môi trường (Horvath 1994 [35], Elragi 2006 [26], Mohajerani et al. ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU Xây dựng nền đường đắp và đường đầu cầu trên nền đất yếu bắt buộc phải xử lý lún cố kết trong quá trình thi công và khai thác.
Hiện nay, nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu được sử dụng như làm tăng nhanh quá trình cố kết trong nền đất bằng bấc thấm hoặc giếng cát kết hợp gia tải trước, gia cố nền đất yếu bằng cọc đất trộn xi măng, cọc cát đầm, hoặc cọc đá. Tuy nhiên, các phương pháp xử lý nền đất yếu hiện 6 nay đòi hỏi phải có thiết bị đặc biệt, đội ngũ kỹ sư có kinh nghiệm, và tiêu tốn phần lớn thời gian, và chi phí xây dựng công trình. Các ảnh hưởng từ tiếng ồn do thiết bị thi công và quá trình cung ứng vật liệu, ô nhiễm bởi bụi và khí thải, v., làm hạn chế áp dụng trong khu vực đông dân cư. Vật liệu nhẹ được đề xuất sử dụng trong ngành xây dựng nhằm khắc phục các nhược điểm của vật liệu đắp thông thường như Geofoam (Horvath 1997 [36], Athanasopoulos et al.
1999 [1], Bathurst et al 2007 [16], Bartlett et al. 2015 [18], El-kady et al. Công trình giao thông xây dựng bên trên các lớp đất yếu sử dụng các khối Geofoam nhằm giảm tối thiểu độ lún cố kết được xem như một công nghệ mới đã và đang được nhiều nước trên thế giới áp dụng (Thompsett et al. 1995 [84], Beinbrech & Hillmann 1997 [14], Perrier 1997 [63], Aabøe & Frydenlund 2011 [2], Papacharalampous & Sotiropoulos 2011 [64], Tsukamoto 2011 [87], Vardhanabhuti et al.