Effectiveness of concrete slab bridge design on centrifugally spun prestressed concrete piles over thick, soft soil layers.
Mai Triệu Quang
Công ty Cổ phần Tư vấn và ĐTXD ECC. E-mail: [email protected]
Dương Quang Minh
Công ty Cổ phần Tư vấn và ĐTXD ECC. E-mail: [email protected]
Mai Phước Tân
Công ty Cổ phần Tư vấn và ĐTXD ECC. E-mail: [email protected]
Summary
Trong những năm gần đây, chính phủ Việt Nam đã và đang đầu tư mạnh mẽ vào việc xây dựng mạng lưới đường cao tốc. Tuy nhiên, việc xây dựng đường cao tốc với nền đường đắp cao ở nhiều khu vực, đặc biệt là ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, nơi có nhiều thách thức và tốn kém do điều kiện địa hình địa chất khó khăn. Cầu cạn thường được sử dụng như một phương án thay thế cho các đoạn đường đắp cao, nhưng việc áp dụng các phương pháp thiết kế truyền thống khiến chúng có giá thành đắt hơn đáng kể (2-3 lần) so với đường đắp cao nên cũng tạo ra các giới hạn cho việc áp dụng. Do đó, việc nghiên cứu và triển khai các giải pháp cầu cạn tiết kiệm chi phí hơn là rất quan trọng cho sự phát triển của cơ sở hạ tầng giao thông vận tải.
In recent years, the Vietnamese government has been heavily investing in expressway construction. However, building high embankment expressway in many areas, particularly in the Mekong Delta region, is extremely challenging and costly due to challenging terrain and geotechnical conditions. Viaducts are often used as an alternative to high embankment sections, but traditional design approaches make them significantly more expensive (2-3 times) than embankment road, making limitation of its application. Therefore, researching and implementing cost-effective viaduct solutions is crucial for the advancement of transportation infrastructure development.
Một cách tiếp cận mới cho việc hạ giá thành cầu cạn cho đường giao thông
Việc thiết kế các đoạn cầu cạn / đường trên cao không chỉ cần đảm bảo tính an toàn và ổn định kết cấu lâu dài mà còn phải đảm tiết kiệm thời gian thi công và chi phí hiệu quả nhất. Trong dự toán chi phí thi công cầu, biện pháp thi công và các hạng mục phụ trợ chiếm một tỷ trọng tương đối lớn trong tổng giá thành và muốn giảm được tổng giá thành thì ngoài việc tính toán sử dụng vật liệu tối ưu, cần tối ưu hóa biện pháp thi công sao cho đơn giản nhất. Trong bối cảnh này, việc kết hợp sử dụng các tiến bộ mới trong công nghệ và vật liệu là cọc bê tông ly tâm cường độ cao dự ứng lực và tấm sàn rỗng dự ứng lực đúc sẵn là một trong các hướng tốt đáp ứng các mục tiêu nêu trên.
Thông tin tham khảo về các công trình trên thế giới đã ứng dụng cọc Bê tông cốt thép ly tâm dự ứng lực cường độ cao (Pretensioned spun High strength Concrete pile-PHC) làm trụ cầu đường giao thông và đường cao tốc
Kết cấu cầu sử dụng cọc bê tông cốt thép ly tâm dự ứng lực làm móng kiêm trụ dẻo đã được áp dụng từ rất lâu ở các nước phát triển. Năm 1955, các kỹ sư và chuyên gia Mỹ đã thiết kế và thi công cầu vượt qua hồ Pontpartrain ở Bang Lousiana, sử dụng cọc bê tông ly tâm cường độ cao có cốt thép dự ứng lực đường kính 54-inch (121mm) đóng sâu vào tầng đất yếu để vừa làm hệ móng cầu, vừa làm trụ dẻo cho cầu, được liên kết lại với đài cọc cũng bằng bê tông cốt thép đúc sẵn lắp ghép. Hệ thượng bộ cầu được chế tạo sẵn ở Nhà máy và đưa ra lắp ghép bằng xà lan và cẩu lớn. Bằng cách làm cho các bộ phận (cọc, xà mũ và sàn cầu) giống hệt nhau, các kỹ sư có thể sử dụng lý thuyết sản xuất hàng loạt để xây dựng cây cầu này. Một nhà máy đúc bê tông được xây dựng ở đầu phía bắc cầu; các bộ phận được đúc sẵn và sau đó được vận chuyển qua Hồ đến công trường. Quá trình lắp ráp dây chuyền này làm giảm đáng kể cả chi phí xây dựng và thời gian lắp đặt. Hồ sơ ghi chép cho thấy cây cầu được xây dựng trong mười bốn tháng kể từ khi những chiếc cọc đầu tiên được đóng vào ngày 23 tháng 5 năm 1955.
Ở khu vực châu Á, cầu dạng kết cấu tấm bê tông đúc sẵn trên cọc BTCT ly tâm dự ứng lực cường độ cao đã được tiên phong áp dụng ở Indonesia từ cách đây hơn 12 năm (Đường cao tốc có thu phí ở Bali). Tuyến đường cao tốc Đường cao tốc Bali Mandara ở Indonesia được khánh thành vào tháng 10 năm 2013 và được coi là một trong những tuyến đường cao tốc đẹp nhất trên biển. Cây cầu dài này bắc qua vịnh Benoa đóng vai trò tuyến đường thay thế nối cảng Benoa, sân bay quốc tế Ngurah Rai với khu nghỉ dưỡng Nusa Dua, nơi diễn ra hội nghị thượng đỉnh APEC 2013. Công trình cầu dài 12,7 km với tổng kinh phí đầu tư 220 triệu USD, được thông xe vào ngày 1 tháng 10 năm 2013. Các Nhà thầu đã đóng hơn 33.000 cọc bê tông ly tâm dự ứng lực xuống biển, bằng hệ búa trên sà lan. Dự án chủ yếu sử dụng dầm bản bê tông dự ứng lực đúc sẵn rộng 2m dài 7,5 m cho phần thượng bộ, được đặt trên xà mũ bố trí trên đầu các cọc bê tông ly tâm đúc sẵn đóng vai trò cả móng và trụ cầu. Hiện nay ở Indonesia, kết cấu cầu bản bê tông cốt thép trên nền cọc bê tông cốt thép dự ứng lực vẫn đang được áp dụng rộng rãi ở các vị trí phù hợp, cả cầu trong khu vực đô thị lẫn cầu cạn trên đường cao tốc. Gần đây nhất, kết cấu dạng này đã được áp dụng cho một đoạn đường cao tốc ở tỉnh Hà Nam, Trung Quốc
Ở Việt Nam, kết cấu móng cọc kết hợp trụ dẻo bằng cọc Bê tông cốt thép ly tâm dự ứng lực cường độ cao cũng đã được áp dụng khá phổ biến trong các Dự án cầu trên biển của các Cảng dầu khí, điện gió hoặc các Cảng biển, ví dụ Cảng Lạch Huyện ở Hải Phòng. Với ngành đường bộ kết cấu trụ dẻo này đã được áp dụng trên cầu Bình Hương ở Quốc lộ 5, hoặc cầu Tam Bạc ở Thành phố Hải Phòng. Với Dự án cầu Tam bạc, đây là lần đầu tiên ở Việt Nam kết cấu bê tông đúc sẵn với cốt thép Dự ứng lực lắp ghép được áp dụng cho cả hạng mục trụ cầu, xà mũ và dầm cầu, đã rút ngắn được đáng kể tiến độ thi công và giảm đáng kể giá thành đầu tư công trình.
Thông tin tóm tắt về dự án mở rộng đường cao tốc TP HCM – Trung Lương
Tuyến cao tốc TPHCM – Trung Lương (giai đoạn 1) đã đầu tư xây dựng đạt tiêu chuẩn đường cao tốc loại A (120 km/giờ); xây dựng 4 làn xe và hai làn dừng khẩn cấp (nền đường rộng 25-26 mét). Theo Tổng cục Đường bộ Việt Nam, từ sau khi dừng thu phí tuyến cao tốc TP.HCM – Trung Lương, lưu lượng xe trên tuyến tăng lên làm mất an toàn giao thông, tình trạng xe chạy dàn ngang, chạy vào làn khẩn cấp thường xuyên diễn ra và cũng xảy ra ùn tắc vào giờ cao điểm và các ngày lễ, Tết.
Với năng lực thông hành hiện tại, đặc biệt sau khi tuyến cao tốc Bến Lức – Long Thành hoàn thành kết nối với tuyến cao tốc TP. HCM – Trung Lương sẽ khiến lưu lượng trên tuyến tăng cao hơn. Mặt khác, với sự phát triển kinh tế giữa miền Đông Nam bộ và Tây Nam bộ; vận chuyển hàng hóa, nhu cầu di chuyển của người dân tăng cao do kết nối vùng thuận tiện hơn sẽ gây quá tải nghiêm trọng cho tuyến cao tốc hiện tại. Do vậy, Tổng cục đường bộ Việt Nam đã kiến nghị Bộ GTVT mở rộng cao tốc TPHCM – Trung Lương theo quy hoạch được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt. Đã có hai Liên danh Nhà đầu tư nộp Hồ sơ Đề xuất và theo đánh giá của Ban Quản lý Dự án 7, Bộ Giao thông Vận tải, Hồ sơ Liên danh Đèo Cả Group-CII-TASCO đã được chấm điểm cao hơn và được lựa chọn cho bước kế tiếp. Tổng kinh phí đầu tư cho cả hai đoạn là 24.000 tỷ đồng, trong đó đoạn từ Thành phố Hồ Chí Minh đi Trung Lương là 13.000 tỷ đồng. Thời gian thu phí hoàn vốn dự án dự kiến là 16 năm (từ ngày 1/1/2028 đến 31/12/2043).
Về phương án kỹ thuật của Liên danh Nhà đầu tư được chọn nêu trên cơ bản đang tính toán với giải pháp truyền thống là đắp mở rộng đường ở các đoạn đường đắp và mở rộng cầu theo thiết kế truyền thống. Cách tiếp cận này đang gặp nhiều thách thức về mặt kỹ thuật khi độ lún không đều sẽ xảy ra ở mép phần đường mở rộng trên đất chưa cố kết hoàn toàn và phần đường cũ nằm trên nền đất đã cố kết. Tổng mức đầu tư các phương án này đều rất cao, xấp xỉ 13.000 đồng cho riêng đoạn từ Thành phố Hồ Chí Minh đi Trung Lương, dẫn đến thời gian thu phí hoàn vốn rất cao. Với tình hình khan hiếm vật liệu đắp trong khu vực phía Nam hiện nay thì khả năng tiến độ thi công sẽ bị kéo dài và kinh phí Dự án cũng có khả năng bị đội lên đáng kể, như đã và đang diễn ra ở các dự án đường cao tốc trong khu vực.
Để có thể đưa ra thêm lựa chọn tốt cho các Nhà đầu tư tiềm năng sắp đến và các cơ quan chức năng, mang lại lợi ích kinh tế xã hội cao hơn, góp phần rút ngắn thời gian triển khai, căn cứ các kinh nghiệm thực chiến lâu năm trong ngành Giao thông, và kết quả Thiết kế và Thi công đường trên cọc ở Hải Phòng vừa mới hoàn thành, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu đưa thêm một phương án kỹ thuật so sánh khác với các cách tiếp cận truyền thống thông thường cho Dự án này. Đó chính là giải pháp cầu cạn nhịp ngắn trên hệ cọc Bê tông cốt thép ly tâm cường độ cao, để tính toán thí điểm cho một đoạn trong khu vực này. Chiều dài đoạn thí điểm 1.000m, rộng 8m. Chọn đoạn thí điểm là đoạn đường đắp cao đầu cầu với chiều cao đắp 2.5m đến 4m để tiện so sánh kinh tế và kỹ thuật.
Hai thành phần cấu kiện chính của đường trên cao / cầu cạn thiết kế trong Đề xuất này là cọc ống bê tông cốt thép ly tâm bê tông cường độ cao (Pretensioned spun High strength Concrete pile-PHC) và dầm bản rỗng bê tông cốt thép dự ứng lực căng trước (Hollowcore Beam). Dưới đây là thông tin tóm tắt giới thiệu về hai dòng sản phẩm này.
• Cọc bê tông cốt thép rỗng dự ứng lực cường độ cao (Pretensioned Spun High Strength Concrete Pile -PHC): là một loại cọc bê tông chịu lực được sản xuất theo công nghệ quay ly tâm với các sợi thép cường độ cao bên trong được tạo ứng suất trước. Điều này giúp cải thiện tính chịu tải và độ bền của cọc bê tông, đồng thời tạo ra các ưu điểm vượt trội so với các loại cọc truyền thống khác.
• Tấm sàn bản rỗng bê tông cường độ cao cốt thép dự ứng lực (Hollowcore slab): là một loại tấm sàn bê tông đặc biệt chịu lực theo một phương, được tạo ra từ bê tông có lõi rỗng, tạo ra các lỗ trống chạy dọc trong lòng của tấm. Cấu trúc này giúp giảm trọng lượng tổng thể của tấm sàn mà vẫn đảm bảo tính cơ học và khả năng chịu tải. Việc sản xuất cấu kiện này với máy đùn ép theo công nghệ châu Âu cho phép sản xuất hàng loạt với chiều dài linh hoạt theo yêu cầu của Nhà thiết kế, với bê tông có cường độ cao, hàm lượng cốt thép ít nhưng vẫn cung cấp khả năng chịu lực theo phương dọc rất tốt cho cấu kiện.
Đoạn đường trên cọc / cầu cạn dài 1.000 m này được tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành của Việt Nam TCVN 11823:2017. Cọc ống bê tông ly tâm dự ứng lực có cường độ bê tông 80 MPa, đường kính cọc 700mm, chiều dày thành cọc 100mm, với cốt thép dự ứng lực được bố trí cấu tạo đặc biệt phù hợp với kiểm toán sẽ được sử dụng cho móng và các trụ cầu, được phân tích theo dạng trụ dẻo. Các dầm bản rỗng đúc sẵn (hollowcore slab) được gác trên xà mũ, cũng bằng bê tông đúc sẵn cho phần dưới, và sau đó được đổ bê tông để tạo thành dầm liên tục hóa khớp cứng tại xà mũ, phát huy tối đa sức chịu tải vật liệu. Trên đoạn cầu bố các khe co giãn để chia cầu thành các nhịp liên tục dài 150m.
Tải trọng tính toán
Tải trọng được tính đến trong thiết kế là tải trọng sử dụng/hoạt động và tải trọng cực đại. Tải trọng sử dụng được dùng để kiểm tra độ võng và ứng suất trong dầm dự ứng lực. Tải trọng cực đại được dùng để thiết kế sức chịu tải của dầm, đài cọc và cọc.
Các trường hợp tải trọng được tính đến được nhóm thành tải trọng cố định, tải trọng giao thông và tải trọng môi trường. Cầu được mô hình hóa bằng phần mềm RM bridge với tải trọng giao thông được cấu hình để tạo ra các giá trị mô men uốn, cắt và lực dọc lớn nhất. Mô hình hóa đầu cọc trong đất được khai báo dạng pin. Sự tương tác giữa cọc và đất được mô hình hóa bằng lò xo tịnh tiến theo hướng ngang với hằng số lò xo được biểu thị bởi k = G * r^(2.8-ν) / (2(1+ν)) = ES/G (4). Trong đó, G là mô đàn hồi của đất, r là bán kính cọc và ν là tỉ số Poisson của đất. Giá trị của hằng số lò xo thay đổi theo độ sâu của cọc, phù hợp với các tính chất của đất xung quanh cọc. Cọc và xà mũ được mô hình hóa bằng phần tử khung, dầm sàn được mô hình hóa bằng phần tử vỏ dày.
Thiết kế hệ cọc
Thiết kế cọc dựa trên dữ liệu tính toán từ Hồ sơ khảo sát địa chất khu vực tham khảo từ dự án trước đây, kết quả dự báo sức chịu tải và đặc biệt là kết quả tính toán ngược từ kết quả thử tải tĩnh cọc. Với số liệu khảo sát địa chất và kích thước cọc, từ các trải nghiệm về thử tải tĩnh hệ cọc ma sát trên nền đất sét, tính toán được chiều dài cần thiết của cọc là 24m là đảm bảo cung cấp sức chịu tải yêu cầu theo tính toán lý thuyết là 1.300 kN. Để có được số liệu thực tế để thiết kế hiệu quả hệ cọc, đề xuất sau khi ép các cọc thử sẽ tiến hành thí nghiệm thử tải với tải trọng tối đa để kiểm chứng sức chịu tải thực tế của cọc và so sánh với sức chịu tải tính toán theo lý thuyết, nhằm lựa chọn chiều dài cọc ép đại trà.
Thiết kế xà mũ
Kích thước ngang của đài cọc được thiết kế bằng 1.2m đủ rộng để cung cấp điểm tựa tạm thời cho dầm đúc sẵn, và cũng phù hợp với kích thước cơ bản các bệ đúc trong các Nhà máy khi cần sản xuất quy mô công nghiệp với khối lượng lớn. Sức kháng cắt và mômen kháng uốn được thiết kế như dầm bê tông cốt thép theo giá trị lực tối đa do các tổ hợp tải trọng khác nhau.
Thiết kế hệ bản mặt cầu
Dầm bản rỗng bê tông đúc sẵn sử dụng trong dự án này có chiều rộng 1.2m, chiều dài 7m và chiều cao dầm là 0,5m. Lực căng trước và cáp dự ứng cường độ 1800 MPa được thiết kế để đáp ứng các giá trị giới hạn của ứng suất trong quá trình thi công (dầm đơn giản) và sau khi các dầm đúc sẵn được đổ bê tông cùng với đài cọc để tạo thành dầm liên tục. Dầm bản bê tông dự ứng lực đúc sẵn cường độ bê tông 45 MPa được đặt lên xà mũ mác 45 MPa, sau đó sẽ được lắp cốt thép và đổ bê tông gia cố đầu dầm và khóa cứng với thép chờ trên xà mũ để tạo thành dầm liên tục với tổng chiều dài 150 mét, tính giữa các khe co giãn. Kiểu thiết kế này đơn giản và được chứng minh là dễ sản xuất quy mô công nghiệp và dễ thi công với tốc độ nhanh.
Kết luận
Kết quả tính toán cho thấy tất cả các chỉ tiêu của kết cấu đều đạt và vượt yêu cầu theo Quy trình thiết kế cầu Việt Nam hiện hành TCVN 11823:2017 cũng như các Tiêu chuẩn Quốc tế tham khảo khác.
Kết cấu thượng bộ có độ vượt thiết kế cao, có thể được tiếp tục tính toán tối ưu hóa trong các đồ án thiết kế sắp đến, sau khi có thử tải thực tế, để để giảm giá thành đầu tư cho công trình. Với hệ cọc ép PHC D700, sẽ có sự chênh lệch rất lớn giữa tính toán lý thuyết và sức chịu tải thực tế khi thử tải nên sẽ rất cần thực hiện thử tải đến phá hoại các cọc thử, để có thể lựa chọn chiều dài cọc tối ưu khi ép đại trà, tránh lãng phí khi chỉ áp dụng công thức tính toán lý thuyết thuần túy.
Về tiến độ thi công, do sử dụng các cấu kiện bê tông cường độ cao, đúc sẵn với quy mô công nghiệp trong Nhà máy, và biện pháp thi công đơn giản lặp lại nên tốc độ thi công rất nhanh: Theo dữ liệu đã được kiểm chứng từ một dự án cụ thể mới thực hiện ở Hải phòng, trong điều kiện địa chất tương tự với lớp đất yếu rất dày, chiều sâu cọc 34m, trong vòng 30 ngày đã có thể thi công xong toàn bộ chiều dài 500 cầu cạn với bề rộng mặt cắt ngang 10,5m. Như vậy với dự án này, với tổng chiều dài cầu cạn mỗi bên 40 Km, nếu có 4 Nhà thầu cùng thi công đồng thời, có thể hoàn thành Dự án trong vòng 8-10 tháng thay vì 2-3 năm, sớm đưa dự án vào khai thác mang lại hiệu quả kinh tế xã hội cao.
Về kinh phí Dự toán, phương án này có giá thành thấp hơn đáng kể so với các phương án cầu cạn nhịp lớn truyền thống đang được sử dụng trong các Dự án giao thông ở Việt Nam. Con số tiết kiệm được so với các giải pháp cầu cạn truyền thống có thể đạt mức từ 20-30% tùy tình hình địa chất cụ thể khu vực.
Cách tiếp cận mới đề Địa kỹ thuật thực hành, khai thác hợp lý sức chịu tải cọc PHC, ứng dụng các loại vật liệu mới với bê tông cường độ cao và kết cấu thép dự ứng lực để giảm tĩnh tải, cùng công nghệ bê tông đúc sẵn tiên tiến và cách thiết kế liên tục hóa khai thác hiệu quả sức chịu tải và tiết kiệm vật liệu cho thượng bộ cầu là các đóng góp chính giảm đáng kể thời gian thi công cũng như giá thành của công trình cầu cạn, nên được nghiêm túc xem xét và ứng dụng trong hạ tầng giao thông và các đường cao tốc ở khu vực phía Nam và Đồng bằng sông Cửu Long, trong các Dự án lớn đang và sẽ triển khai đem lại lợi ích lớn cho xã hội. Với cùng mức đầu tư, có thể xây dựng được tuyến đường với chiều dài lớn hơn, tốt cho việc tiết kiệm tài nguyên trong tình hình khan hiếm vật liệu đắp phổ biến hiện nay, giảm thiểu hiệu ứng bất lợi của nền đường đắp cao trên đất yếu là gây lún kéo dài, chia cắt địa hình gây úng ngập cục bộ….
Dự án được triển khai cũng sẽ góp phần tiêu thụ lớn xi măng và thép nội địa hiện đang gặp nhiều khó khăn, cũng như giảm thiểu được việc sử dụng nhựa đường làm các lớp mặt đường, vốn là vật liệu nguồn gốc hóa thạch mà chúng ta đang phải dùng ngoại tệ mạnh để nhập khẩu.
Tài liệu tham khảo
(i) Trang web của Hiệp hội Kỹ sư Công chánh Hoa kỳ ASCE
https://www.asce.org/about-civil-engineering/history-and-heritage/historic-landmarks/lake-pontchartrain-causeway-bridge
(ii) Báo cáo Thiết kế Đường trên cọc Dự án Khu Công nghiệp và khu Phi thuế quan Xuân cầu Lạch huyện do Công ty Cổ phần Tư vấn và Đầu tư Xây dựng ECC thực hiện tháng 2 năm 2024
(iii) Phóng sự trên Truyền hình báo Nhân dân điện tử, phát sóng ngày 6 tháng 6 năm 2024
Truyền hình Nhân Dân (nhandantv.vn)
