ĐẶT VẤN ĐỀ Đường dẫn vào cầu làm nhiệm vụ kết nối và chuyển tiếp độ cứng giữa đường và cầu thông qua kết cấu mố cầu, đảm bảo sự êm thuận cho người và phương tiện lưu thông trên tuyến. Tuy nhiên, phần đất đắp ngay sau mố (trong phạm vi 3-5 m) thường xảy ra độ lún lớn gây chênh lệch cao độ đỉnh mố và đường sau khi công trình đưa vào khai thác (Quách Hồng Chương 2016), gây khó khăn cho phương tiện lưu thông trên tuyến đường, làm giảm năng lực thông hành, gây cảm giác khó chịu cho người tham gia lưu thông, gây hư hỏng cho xe cộ, hàng hóa, tạo thêm tải trọng xung kích tác dụng lên mố cầu, và làm tăng kinh phí, thời duy tu bảo dưỡng sửa chữa công trình (White 2005, Đỗ Thị Mỹ Chinh 2016). Hiện tượng lún đường vào cầu diễn ra khá phổ biến trong những năm gần đây. Không chỉ ở Việt Nam, lún đường vào cầu còn xảy ra ở các nước phát triển trên thế giới như Nhật Bản, Na uy, Pháp, và Mỹ (Frydenlund & Aaboe 2001, Elragi 2006, Mohajerani et al.
Tại Việt Nam, lún đường vào cầu xảy ra ở toàn khu vực miền Nam. Nguyên nhân gây lún chủ yếu là chưa xử lý triệt để lún cố kết của lớp đất yếu bên dưới tải trọng đắp. Việc đưa ra các phương án xử lý nền đất yếu không phù hợp là nguyên nhân trực tiếp và gây ra sự cố lớn nhất ở đường dẫn sau mố cầu (Nguyễn Thị Thu Hằng 2008, Đỗ Thị Mỹ Chinh 2016). Hiện nay, việc xử lý nền đất yếu bên dưới đường vào cầu đòi hỏi đội ngũ kỹ sư phải có nhiều kinh nghiệm, máy móc thiết bị hiện đại, tiêu tốn phần lớn kinh phí và thời gian thi công của công trình.
So với giải pháp xử lý trực tiếp nền đất yếu làm tăng khả năng chịu tải, việc sử dụng vật liệu nhẹ EPS Geofoam thay thế vật liệu đắp truyền thống của nền đường mà không cần phải xử lý nền đất yếu bên dưới là một giải pháp đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng. EPS (Expanded PolyStyrene) Geofoam là vật liệu nhựa tổng hợp từ polystyrene, xốp nhẹ, có khối lượng riêng thường sử dụng 12 – 35 kg/m3, nhỏ hơn từ 30 đến 100 lần so với các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất, sét, v., và được sử dụng cho 2 ngành địa kỹ thuật, xây dụng công trình cầu, đường ô tô, và đường sắt ở châu Âu và châu Mỹ từ những năm 1960 (Horvath 1994, 1999a, 999b, 2001, 2005, Elragi 2006, Trandafir et al. 2010, Stark et al. 2012, Chena et al.
2015, Mohajerani et al. Với đặc tính có khối lượng nhẹ, chỉ sử dụng nhân công để vận chuyển và lắp đặt từng khối EPS Geofoam mà không cần sử dụng các loại thiết bị đặc biệt, rút ngắn thời gian thi công, EPS Geofoam được ứng dụng rộng rãi trên thế giới (Riad et al 2004, Stark et al. Tuy nhiên chưa có một nghiên cứu khoa học chuyên nghiệp và ứng dụng thành công vật liệu nhẹ EPS Geofoam vào xây dựng công trình giao thông, chứng minh tính khả thi, hiệu quả của vật liệu này vào điều kiện của Việt Nam. Đề tài tập trung nghiên cứu các đặc tính cơ lý của EPS Geofoam được sản xuất trong nước như cường độ nén, mô đun đàn hồi ban đầu, hệ số Poisson, khả năng hấp thụ nước, tốc độ cháy, và tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa (xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt).
Kết quả nghiên cứu sẽ là nền tảng quan trọng để ứng dụng vào thiết kế và thi công thử nghiệm vật liệu EPS Geofoam xây dựng các công trình giao thông ở Việt Nam. Hình 1: Khối EPS Geofoam (cachnhietdonga & mopxoplocphat) 2. 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 liên quan đến các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu EPS Geofoam. Kết quả ban đầu của nghiên cứu tổng quan là cơ sở cần thiết để xác định mục tiêu, xây 3 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) EPS Geofoam là vật liệu nhựa tổng hợp, nhẹ, và có khối lượng riêng thường sử dụng trong xây dựng công trình giao thông từ 12-35 kg/m3 (Horvath 2001, Elragi 2006, Trandafir et al. (2) EPS Geofoam có lịch sử phát triển hơn 50 năm, được sử dụng cho ngành địa kỹ thuật, xây dụng công trình cầu, đường ô tô, và đường sắt ở châu Âu và Mỹ từ những năm 1960 (Horvath 2005, Chena et al. 2015, Mohajerani et al.
(3) EPS Geofoam được ứng dụng làm vật liệu đắp đường ô tô, đường sắt, ổn định mái dốc, mở rộng bề rộng đường đắp, đường vào cầu, tường chắn đất, và giảm áp lực cho các công trình ngầm như cống hay ống dẫn (Horvath 2001, Elragi 2006, Stark et al. 2012, Mohajerani et al. (6) Hệ số Poisson của EPS Geofoam tăng theo khối lượng riêng, nằm trong khoảng 0,05-0,20, nhỏ hơn các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất đắp, và sét (Elragi 2006, Ossa & Romo 2009, Stark et al. (7) Dưới tác dụng tải trọng trùng phục, EPS Geofoam biến dạng đàn hồi khi tải trọng trùng phục nhỏ hơn 80% cường độ của vật liệu (Elragi 2006, Horvath 2010a, Trandafir et al.
(11) EPS Geofoam là loại vật liệu cách âm, cách nhiệt tốt (Elragi 2006, Stark et al. 2012, Mohajerani et al. (12) EPS 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, Elragi 2006, Mohajerani et al. (13) EPS Geofoam là vật liệu dễ cháy do đó không nên để gần ngọn lửa hoặc các nguồn gây cháy, EPS Geofoam chỉ được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ thấp hơn 80oC (Elragi 2006, Horvath 2001, Mohajerani et al.
(14) EPS 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, Horvath 2010a, Mohajerani et al. (15) EPS 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 EPS Geofoam để tiếp cận nguồn thức ăn khác hoặc dùng làm chỗ ở (Elragi 2006, Horvath 2010a, Mohajerani et al. (16) EPS Geofoam có độ bền cao, tuổi thọ lên đến 100 năm khi được chôn dưới đất và được bao bọc bảo vệ khỏi các tác nhân hóa chất và động vật gặm nhắm (Frydenlund & Aaboe 2001, Horvath 2010a, Chena et al.
(17) EPS Geofoam không bị phân huỷ sinh học, trơ ở môi trường đất, nước, và không gây ô nhiễm môi trường (Horvath 1994, Elragi 2006, Mohajerani et al. ĐỘNG LỰC NGHIÊN CỨU Việc xây dựng nền đường đắp và đường vào cầu trên nền đất yếu bắt buộc phải xử lý lún cố kết trong quá trình thi công. Do đó, thời gian thi công thường kéo dài và tốn nhiều chi phí cho việc xử lý nền đất yếu. Bên cạnh đó, các thiết bị đặc biệt cần được sử dụng để quan trắc lún, đo áp lực nước lổ rỗng trong đất để đảm bảo độ lún cố kết đạt yêu cầu trong quá trình 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 nay đòi hỏi phải có thiết bị đặc biệt, đội ngũ kỹ sư có kinh nghiệm, và tiêu tốn phần lớn thời gian xây dựng công trình. Bên cạnh đó, việc sử dụng vật liệu đắp như cát hay sét để nâng cao mặt đường đến cao độ thiết kế phải đắp thành từng lớp (từ 0,15-0,3 m/lớp) và lu lèn đạt độ chặt từ 95-98% (8-12 lượt lu/điểm). Như vậy, mỗi m2 nền đường đắp hoàn thiện cho chiều cao từ 2-3 m tiêu tốn khoảng 10-30 ngày phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.
EPS 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. Quá trình thi công để nâng cao mặt đường chỉ sử dụng nhân công vận chuyển và lắp đặt bằng thủ công, không cần sử dụng các loại thiết bị đặc biệt, rút ngắn thời gian thi công. Sau hơn 50 năm nghiên cứu và phát triển, EPS Geofoam được sử dụng rộng rãi và thành công trong nhiều công trình giao thông ở châu Âu, châu Á, và châu Mỹ. Đường vào cầu Flom ở thành phố Oslo, đường vào cầu Hjelmungen, cầu Lokkeberg ở Na Uy (Frydenlund & Aaboe 2001), 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, Mohajerani et al. Các tuyến đường Nhật bản và Malaysia (Elragi 2006). Nhiều kết quả thực hiện đã thành công, chứng minh tính khả thi, hiệu quả của vật liệu nhẹ EPS Geofoam ứng dụng xây dựng công trình giao thông nhưng vẫn chưa 6 được nghiên cứu và chưa có ứng dụng thành công vào xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam. Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu bao quát các đặc tính cơ-lý-hóa của vật liệu EPS Geofoam được sản xuất trong nước như cường độ nén, mô đun đàn hồi ban đầu, khả năng hấp thụ nước, tốc độ cháy, và tốc độ hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa (xăng, dầu hỏa, và dầu nhớt).
Kết quả nghiên cứu này sẽ là nền tảng quan trọng để ứng dụng vào thiết kế và thi công thử nghiệm vật liệu EPS Geofoam xây dựng các công trình giao thông ở Việt Nam. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Mục tiêu nghiên cứu là xác định loại EPS Geofoam được sản xuất tại Việt Nam ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu mà không cần phải xử lý nền. Mục tiêu cụ thể bao gồm: (1) Tổng quan về vật liệu nhẹ EPS Geofoam ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu được nghiên cứu. (2) Các đặc trưng cơ-lý-hóa của vật liệu EPS Geofoam được xác định trong phòng thí nghiệm.
(3) Loại EPS Geofoam phù hợp để ứng dụng xây dựng đường vào cầu trên nền đất yếu được xác định. (4) Đường vào cầu trên nền đất yếu bằng vật liệu EPS Geofoam được phân tích và thiết kế. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.
