Tham khảo bài viết để biết bất cập của 22TCN 262-2000 cũng như Tiêu chuẩn thiết kế đường ôtô TCVN 4054-2005, Tiêu chuẩn thiết kế đường cao tốc TCVN 5729-2012
Phân tích ảnh hưởng lún không đều theo phương ngang đến hiện tượng hư hỏng của nền mặt đường quốc lộ nâng cấp mở rộng
TS. Bùi Phú Doanh, Trường Đại học Xây dựng
Tóm tắt: Khi nâng cấp mở rộng các tuyến đường quốc lộ còn tồn tại nhiều vấn đề về xử lý kỹ thuật của công trình cả về thiết kế lẫn thi công. Trong đó lún không đều theo phương ngang giữa nền đường cũ và nền đường mới đắp cạp mở rộng là vấn đề phức tạp mà chưa có nghiên cứu cụ thể nào. Bài báo dựa trên số liệu thiết kế nâng cấp cải tạo của Quốc lộ 1 với nền đường mở rộng đắp trên nền đất yếu để phân tích ảnh hưởng của hiện tượng lún không đều theo phương ngang đến kết cấu nền mặt đường.
1. Giới thiệu chung
Giao thông vận tải là mạch máu lưu thông giữa mọi vùng trên đất nước, là tiền đề cho sự phát triển kinh tế của một nước, một vùng, một khu, một đô thị. Nơi nào giao thông phát triển thì nơi đó mọi hoạt động sôi nổi, tấp nập và náo nhiệt.
Nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo năng lực thông hành trên đường giao thông, cần phải đầu tư cho GTVT. Hiện nay, bên cạnh vấn đề đầu tư mới hạ tầng giao thông trước tiên phải giải quyết nhu cầu trước mắt là thiết kế mở rộng và nâng cấp các tuyến quốc lộ nhằm nâng cao năng lực vận tải của các tuyến đường góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế.
QL1 từ Lạng Sơn đến Cà Mau, với chiều dài 2.244km là tuyến giao thông “xương sống” của mạng lưới đường bộ Việt Nam, có vai trò trọng yếu trong việc đảm bảo lưu thông giữa ba miền Bắc - Trung - Nam và là nhân tố quan trọng thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội, cũng như đảm bảo an ninh quốc phòng quốc gia. Từ những năm 1995, QL1 đã được ưu tiên đầu tư nâng cấp song chất lượng kỹ thuật QL1 nhìn chung còn thấp (toàn tuyến mới có khoảng 396km đường đạt quy mô > 4 làn xe và 164km tuyến tránh/18 tuyến chiếm tỷ lệ 24,94%), chưa tương xứng với vai trò và chức năng của tuyến đường. Trong việc triển khai các dự án, công trình trọng điểm ngành giao thông cần đầu tư trong 5 năm và 10 năm tới, Thủ tướng Chính phủ chỉ đạo Bộ GTVT phải khẩn trương nâng cấp Quốc lộ 1, theo hướng mở rộng 4 làn ô tô, 2 làn xe máy thời gian hoàn thành mở rộng quốc lộ 1 từ Hà Nội đến cần Thơ vào cuối năm 2016...
Tuy nhiên, thực trạng hiện nay, một số tuyến đường mới được nâng cấp mở rộng mới đưa vào khai thác sử dụng như Quốc lộ 1A đoạn qua Ninh Bình, cải tạo nâng cấp QL45 km80 - km111+400... đã xuất hiện nhiều vệt nứt theo phương dọc đường, phá hoại nền mặt đường. Việc xuất hiện các vết nứt dọc này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn và tâm lý cho người lái xe và hành khách trên xe, làm giảm năng lực thông hành, tăng giá thành duy tu bảo dưỡng thường xuyên. Nguyên nhân của hiện tượng hư hỏng này được xác định là có sự chênh lệch độ lún giữa một bên là nền đường mới đắp trên đất yếu có độ lún lớn một bên là nền đường cũ gần như đã hoàn toàn cố kết. Mức độ ảnh hưởng của hiện tượng vẫn chưa có nhiều nghiên cứu cụ thể và đánh giá đúng mức.
Hình 1: Mặt cắt ngang điển hình nền đường nâng cấp mở rộng và vị trí xuất hiện vết nứt
2. Thực trạng hiện tượng lún không đều theo phương ngang ở thế giới và Việt Nam
Hiện tượng lún không đều theo phương ngang theo tác giả: “Là hiện tượng chênh lệch độ lún của nền đường đắp cạp mới với nền đường cũ, tạo ra ứng suất cắt lớn trên lớp mặt kết cấu áo đường bên trên có thể dẫn đến nứt dọc tại vị trí sung yếu (vị trí chênh lệch độ lún lớn)” và là một trong những nguyên nhân chính gây ra các hiện tượng hư hỏng mặt đường (nứt theo phương dọc) khi đưa đường vào thác.
Trong quá trình đầu tư phát triển hạ tầng giao thông, thông thường các dự án đều tiến hành phân kỳ đầu tư, giai đoạn đầu để phù hợp với quy luật tăng trưởng xe và nguồn vốn, các nước thường thiết kế tuyến có mặt cắt ngang nhỏ. Tiếp đó do sự phát triển của nền kinh tế đòi hỏi năng lực của hệ thống giao thông nâng cao, các nước đều chuyển sang giai đoạn thiết kế mở rộng nâng cấp các tuyến đường đã có. Trong đó đặc biệt các nghiên cứu của các tác giả Trung Quốc cho các dự án nâng cấp cải tạo đường cao tốc đã có các nghiên cứu cụ thể dưới đây:
- Tác giả Lục Gia Mẫn [1] đã tiến hành phân tích vấn đề thiết kế đánh cấp cho nền đường nâng cấp cải tạo và ứng dụng vào đường cao tốc Thượng Hải đi Ninh Ba, thông qua phương pháp phần tử hữu hạn đã đánh giá ảnh hưởng của việc đánh cấp tới sự chênh lệch độ lún theo phương ngang.
- Tác giả Lý Lập Hàn [1] đã tiến hành nghiên cứu phân tích ứng suất tại vị trí tiếp nối giữa 2 kết cấu mặt đường cũ và mặt đường mới của đường cao tốc nâng cấp mở rộng. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên cơ sở ứng suất của tải trọng bánh xe cũng như độ lún của nền cũ và nền mới đã có nhiều kết luận về việc phát sinh vết nứt theo phương dọc khi có sự sai khác về mô đun đàn hồi của các lớp vật liệu giữa áo đường cũ và áo đường mới. Đồng thời cũng kết luận được về quan hệ giữa độ lún và ứng suất cắt trên bề mặt. Nếu ứng suất cắt cho phép của mặt đường BTN 0,5 MPa thì độ lún cho phép tại vị trí không nên vượt quá 2,7cm.
- Tác giả Trần Tiểu Kỳ [1] nghiên cứu về nâng cấp mở rộng đường cao tốc trong đó nghiên cứu giảm chênh lệch lún theo phương ngang bằng tạo bậc hình nêm giữa kết cấu mặt đường cũ và mặt đường mới.
- Theo các tài liệu [2], sự chênh lệch độ lún giữa phần nền đường cũ và nền đường mở rộng sẽ gây ra ứng suất cắt trên mặt kết cấu áo đường tại vị trí tiếp giáp giữa phần nền mới mở rộng và phần nền cũ nếu độ lún này không được khống chế thì ứng suất cắt gây ra tại bề mặt kết cấu áo đường sẽ lớn hơn ứng suất cắt cho phép của lớp bê tông nhựa bề mặt và gây ra hiện tượng nứt dọc như đã đề cập ở trên.
- Đối với nền đường nâng cấp mở rộng, phần nền đường cũ sau một thời gian dài khai thác dưới tác dụng trùng phục của xe chạy và tải trọng bản thân nền đất phía dưới hầu như đã cố kết hoàn toàn ngược lại phần nền đường mới đắp trên vùng đất yếu vẫn còn lún cố kết theo thời gian. Như vậy trên mặt cắt ngang của đường nâng cấp mở rộng có hai vùng có điều kiện làm việc khác nhau do vậy cần phải có các ứng xử thiết kế tương ứng cho các vùng này để đảm bảo tuổi thọ của công trình.
Hình 2: Lún nứt kéo dài hàng chục mét trên quốc lộ 1A đoạn qua xã Ninh Giang (Hoa Lư - Ninh Bình) |
Hình 3: Vết lún nứt kéo dài phát triển thành phá hoại mặt đường trên quốc lộ 1Ađoạn qua xã Ninh Giang (Hoa Lư - Ninh Bình) |
3. Nguyên nhân và quy luật phân bố của hiện tượng lún không đều theo phương ngang
3.1. Với tuyến có nền đường đắp trên sườn dốc
Với các tuyến đường ở vùng đồi núi, địa hình phổ biến với độ dốc ngang sườn lớn, mặt cắt ngang thiết kế điển hình dạng nửa đào nửa đắp.
Theo thống kê các nguyên nhân gây hư hỏng đối với trường hợp này bao gồm:
+ Công tác đầm nén tại phần nền đắp kém, đắp đất không đủ độ chặt;
+ Không đánh cấp đúng yêu cầu thiết kế;
+ Do có hiện tượng co ngót sau khi thi công;
+ Không bóc hữu cơ phần đắp;
+ Không xử lý tốt nền đường để nước ngấm vào nền đường.
Như vậy đối với mặt cắt ngang nền đường đắp trên sườn dốc hiện tượng lún không đều theo phương ngang chủ yếu do công tác thi công không đảm bảo gây ra, ngoài hiện tượng nứt theo phương đọc còn có các trường hợp sụt trượt mái taluy gây ảnh hưởng tới chất lượng khai thác của tuyến đường.
3.2. Với tuyến nền đường nâng cấp mở rộng nền đường đắp mở rộng trên đất yếu
Đối với nền đường đắp nâng cấp mở rộng với tải trọng nền đường đắp là tải trọng phân bố đều, thường có dạng như thể hiện trên Hình 4. Dưới tác dụng của tải trọng đắp, ứng suất gây ra trong nền đắp sẽ thay đổi theo phương ngang (tại cùng một độ sâu). Phần nền đường cũ dưới tác dụng của tải trọng bản thân và tải trọng xe chạy trùng phục, đã đưa vào khai thác lâu năm nên hầu như phần đất nền bên dưới đã cố kết hết, độ lún cố kết tương đương với tải trọng gây lún gần như bằng không, trong khi phần nền đường mở rộng mới đắp trên vùng đất yếu gần như chưa cố kết và còn lún cố kết theo thời gian. Việc khống chế độ lún ở phần đắp mở rộng là hết sức khó khăn do có sự làm việc khác nhau của hai vùng trên mặt cắt ngang, và quy luật phân bố của tải trọng tác dụng là khác nhau.
Đối với nền đường nâng cấp mở rộng đắp trên đất yếu thì nguyên nhân gây nên hiện tượng lún không đều theo phương ngang bao gồm:
+ Do chất lượng thi công nền đường đắp không tốt.
+ Do phần nền đường cũ hầu như đã cố kết hoàn toàn trong khi phần nền đường mới mở rộng đắp trên nền địa chất yếu còn lún cố kết theo thời gian.
Như vậy, đối với mặt cắt ngang dạng này nguyên nhân chính gây ra các hư hỏng trên kết cấu mặt đường khi đưa tuyến vào khai thác là sự chênh lệch về độ lún giữa hai vùng trong nền đường (mới, cũ).
3.3. Quy luật phân bố độ lún theo phương ngang
Để có các dự báo chính xác về độ lún theo phương ngang của mặt cắt ngang đường nâng cấp mở rộng chúng ta phải biết được quy luật phân bố độ lún theo phương ngang. Phân tích tải trọng tác dụng lên nền đất cho trường hợp mặt cắt ngang nền đường nâng cấp mở rộng như Hình 4 chúng ta thấy:
+ Tại vùng IV là vùng đất đắp cạp thêm tải trọng phân bố theo mái taluy, tại đỉnh taluy tải trọng lớn nhất và chân taluy tải trọng là nhỏ nhất, tải trọng trong vùng này là P4.
+ Tại vùng III, II là vùng chân taluy phần nền đường cũ, tương ứng với P3 và P2 trong đó tải trọng P3 là lớn nhất.
+ Tại vùng I là vùng nền đường cũ, nếu có đắp cao trên mặt đường cũ thì tải trọng tác dụng cũng là nhỏ, tương ứng P1.
Theo tài liệu [18] đã chỉ ra rằng do có sự khác nhau về tải trọng giữa các vùng như đã phân tích của nền đường mới và nền đường cũ sẽ dẫn đến sự phân bố độ lún theo phương ngang cũng khác nhau, quy luật phân bố được thể hiện chi tiết trên Hình 4. Độ lún lớn nhất ở gần vai đường phần đắp cạp mở rộng.
Hình 4: Quy luật phân bố tải trọng và phân bố độ lún trong trường hợp mở rộng đắp cạp bên phải
4. Bài toán khảo sát hiện tượng lún không đều theo phương ngang
4.1. Các giả thiết của bài toán
Trên cơ sỡ mô hình tính như đã đề cập ở Mục 2.3.1 ở Chương 2, tác giả xác định các điều kiện biên của bài toán xử lý hiện tượng lún không đều theo phương ngang như sau:
- Đối với vật liệu đắp nền đường thì giả thiết đất đắp nền đường đã đảm bảo các tiêu chuẩn về vật liệu, chất lượng thi công đảm bảo;
- Giả thiết độ dốc dọc trong phạm vi khảo sát là bằng 0.
4.2. Sơ đồ tính
- Tải trọng xe: Lấy theo tiêu chuẩn 22TCN 211- 2006: với áp lực bánh hơi p=0,6MPa, loại xe chọn là H30 xếp tải xe và quy đổi tương đương với lớp đất phân bố đều có q = 16,53 kN/m2. Bỏ qua ảnh hưởng của mực nước ngầm.
- Kết cấu áo đường giả thiết dày 0,8m, trọng lượng riêng trung bình là 22 kN/m[SUP]3[/SUP], quy về tải trọng phân bố đều là: 1x22 = 17,6 kN/m[SUP]2[/SUP].
- Sơ đồ lớp đất, tải trọng tác giả lấy theo Dự án nâng cấp cải tạo QL 1A đoạn qua Thanh Hóa.
Trong đó:
Phần nền cũ: Giả thiết E, c, µ, φ cũ. Phần nền cũ do đã khai thác lâu năm nên đã hoàn toàn cố kết dưới tác dụng của tải trọng cũ.
Phần nền mới: Giả thiết tất cả các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất này được xác định thông qua các thí nghiệm hiện trường và các thí nghiệm trong phòng. Bỏ qua đánh cấp, bỏ qua liên kết của phần nền cũ với nền đường mới.Giả thiết mô hình tính với 2 lớp đất. Đối với trường hợp nền nhiều lớp thì cũng tương tự như mô hình 2 lớp. Mô hình tính toán đối với nền đường mở rộng 1 bên.
Hình 5: Mô hình tính toán đối với nền đường mở rộng 1 bên
Coi phạm vi nền đường cũ sử dụng E, c, µ, φ cũ. Phần đường mới đắp cạp sử dụng E, c, µ, φ mới.
4.3. Số liệu đầu vào
Các số liệu đầu vào của các lớp đất như Bảng 1. (Trong đó giá trị E0 được xác định theo quy trình 22TCN 211-2006 và tham khảo Bảng 2.8, p. 125).
Bảng 1. Các thông số đẩu vào của bài toán khai báo trong Sigma/w
4.4. Xây dựng mô hình tính trên phần mềm Geo – Sigma
Hình 6: Mô hình khai báo khảo sát cho mặt cắt ngang mở rộng một bên
Hình 7: Kết quả tính toán biến dạng mặt cắt ngang đường trong trường hợp đắp mở rộng cao 8m
4.5. Kết quả tính toán
Kết quả tính toán khảo sát độ lún theo phương ngang của nền đường đắp mở rộng trên đất yếu được thể hiện trên Hình 7. Độ lún tại các vị trí tim đường, vai đường mới, taluy đường được thể hiện tại Bảng 2 và biểu đồ trênHình 8.
Bảng 2. Tương quan độ lún tại các vị trí khác nhau theo biến thiên chiều cao H
Hình 8: Biểu đồ chuyển tiếp độ lún dư đầu cầu
Nhận xét:
Theo sự biến thiên tăng dần của chiều cao phần đắp cạp mở rộng H, độ lún của nền đường cũng tăng lên, quy luật phân bố lún theo phương ngang là hình chậu võng, vị trí lún lớn nhất đạt được tại đỉnh chậu võng. Theo sự tăng lên của chiểu cao nền đắp mở rộng thì đỉnh của chậu võng điểm lún nhiều nhất dịch chuyển về gần với điểm 1 (vai đường phần đắp cạp mỏ rộng). Giá trị độ lún tại điểm 2 cũng đồng biến theo sự tăng lên của chiều cao nền đắp H. Tỉ số giữa độ lún điểm 2 với đỉnh chậu võng cũng thay đổi theo chiều cao tăng lên tỉ số độ lún cũng tăng lên, tỉ số này nằm trong khoảng 25-33% độ lún lớn nhất.
5. Kết luận và kiến nghị
Thông qua các nghiên cứu tác giả có một số kết luận sau:
- Độ lún của nền đường mới đắp mở rộng qui luật không giống như đối với nền đường đắp hoàn toàn mới. Quy luật phân bố độ lún theo hình nửa chậu võng, khác hoàn toàn với quy luật phân bố theo hình lòng chảo của mặt cắt ngang nền đường đắp mới. Vị trí đạt độ lún lớn nhất tại đỉnh chậu võng cách vai đường phần đắp cạp một khoảng...
- Khi chiều cao của phần nền đắp mở rộng tăng lên thì độ lún của nền đường cũng tăng lên, đồng thời điểm cực trị của độ lún cũng dịch chuyển về phía vai đường đắp mở rộng. Tại vị trí điểm vai đường cũ xuất hiện sự chênh lệch độ lún giữa phần nền đường cũ và nền đường mở rộng gây ra ứng suất cắt trên mặt kết cấu áo đường và dễ gây ra hiện tượng nứt dọc trên tuyến đường.
- Cần coi thiết kế đường nâng cấp mở rộng, đặc biệt nền đường mở rộng đắp trên đất yếu để có các giải pháp xử lý phù hợp hạn chế các hư hỏng do lún không đều trên mặt cắt ngang gây ra. Phần đề xuất các giải pháp xử lý tác giả sẽ đề cập ở bài báo tiếp theo.
Kiến nghị
- Các quy trình 22TCN 262-2000, Tiêu chuẩn thiếtkế đường ôtô TCVN 4054-2005, Tiêu chuẩn thiết kế đường cao tốc TCVN 5729-2012 là các quy trình thiết kế quy định cho các tuyến thiết kế mới vẫn chưa đề cập hoặc có các chỉ dẫn cho thiết kế nền đường nâng cấp mở rộng. Tác giả kiến nghị cần phải có những quy định riêng cho thiết kế nền đường nâng cấp mở rộng đặc biệt khi phần mở rộng đắp trên nền đất yếu.
- Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu đề xuất các giải pháp xử lý hiện tượng lún không đều theo phương ngang ở đường nâng cấp mở rộng trên nền đất yếu bằng phương pháp lưới địa kỹ thuật bố trí tại nền đường đắp và dưới lớp đáy áo đường tại vị trí tiếp giáp nền đường mới và nền đường cũ.
Tài liệu tham khảo
[1] . Tuyển tập lý luận và thực tiễn các công trình cải tạo đường ô tô cao tốc trên nền đất yếu, 2010 (Nguyên bản tiếng Trung).
[2] . Tưởng Hâm (2011), Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật đường nâng cấp cải tạo Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Giao thông, Tây An, Trung Quốc.
[3] . Lê Hoàng (2013), Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Phân tích ảnh hưởng lún không đều theo phương ngang của nền mặt đường nâng cấp mở rộng và đánh giá lại thiết kế của dự án nâng cấp quốc lộ 1A đoạn qua Thanh Hóa, Trường Đại học Xây dựng.
Nguồn: Tạp chí GTVT (6/2013)