Nghiên cứu kết cấu móng cọc ống thép liền trụ thi công nhanh cho công trình cầu trong đô thị ở Việt Nam

Đề tài tiến hành tổng hợp phân tích và cập nhật nghiên cứu của nước ngoài. Xác định đặc điểm làm việc và các vấn đề kỹ thuật qua việc nghiên cứu các điều kiện thiết kế như tiêu chuẩn thiết kế, điều kiện tải trọng, điều kiện địa chất và các vấn đề liên quan đến nền móng và kết cấu trụ cầu ở Việt Nam. Tiến hành đánh giá lại các nghiên cứu hiện tại, tính toán mô phỏng và phân tích kết cấu móng cọc ống thép liền trụ cầu có xét điều kiện đất nền sử dụng phần mềm chuyên dụng FEA như Abaqus. Tiến hành các thí nghiệm ứng xử uốn mẫu ống thép đường kính D700 nhồi bê tông, sử dụng hệ thống hai kích gia tải (kích 1.000KN) tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Giao thông vận tải. Phân tích các kết quả mô phỏng và thí nghiệm, từ đó đề xuất phương pháp thiết kế kết cấu, vật liệu và đặc điểm kỹ thuật được áp dụng tại Việt Nam.

Kết cấu trụ thanh mảnh và thi công nhanh trong xây dựng công trình giao thông đô thị (XD CTGT ĐT) bắt đầu được quan tâm tại Việt Nam trong khoảng 10 năm gần đây, tuy nhiên thực tế thì nghiên cứu về kết cấu móng cọc liền trụ còn khá mới mẻ, đã có nhiều tác giả, nhiều nhà khoa học quan tâm đến kết cấu móng cọc liền trụ trong XD CTGT ĐT nhưng chưa được xem xét một cách thực sự chi tiết, kỹ lưỡng mà chỉ dừng lại ở mức độ khái niệm chung, chưa phân tích sâu về các vấn đề kỹ thuật liên quan.

Ở Việt Nam, đã có những công trình nghiên cứu về kết cấu ống thép nhồi bê tông như năm 2006, NXB Xây dựng đã xuất bản sách “Kết cấu ống thép nhồi bê tông” do GS.TS. Nguyễn Viết Trung chủ biên đề cập tổng quan về và các nguyên tắc cơ bản về kết cấu ống thép nhồi bê tông áp dụng làm kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông. Năm 2017, NXB Xây dựng xuất bản cuốn “Cầu vòm ống thép nhồi bê tông” do TS. Trần Việt Hùng chủ biên. Đã có một số công trình cầu thực tế đã áp dụng kết cấu thép nhồi bê tông làm kết cấu nhịp như: Cầu Ông lớn, cầu Xóm củi, cầu Cần Giuộc, Cầu Đông Trù… Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế về kết cấu ống thép nhồi bê tông ở Việt Nam mới chỉ dừng lại ở việc áp dụng cho kết cấu nhịp cầu vòm, không phải kết cấu trụ cầu.

Một số nghiên cứu, bài báo khoa học về cọc ống thép và cọc vít áp dụng làm móng cọc tại Việt Nam cũng được nhóm nghiên cứu đề tài thực hiện.

Một vấn đề quan trọng được đặt ra. Các tiêu chuẩn thiết kế cho kết cấu móng cọc liền trụ hiện tại được thiết lập ở các quốc gia dễ bị động đất, do đó, các lưu ý chính như chuyển vị lớn trên kết cấu gây ra do tải ngang và sự chuyển vị ngang khi động đất do sự hóa lỏng là những yêu cầu thiết yếu cho quá trình thiết kế. Do đó, nếu kết cấu móng cọc liền trụ được áp dụng cho các trụ cầu ở các nước không có động đất như Việt Nam, yêu cầu thiết kế cần được xem xét thông qua các nghiên cứu điển hình để tìm ra yêu cầu quan trọng khi không có động đất. Từ cả hai quan điểm này, cần thiết lập một hướng dẫn thiết kế mới, tập trung vào việc xem xét thiết kế kết cấu liên kết giữa kết cấu trên và kết cấu nền móng và các yêu cầu thiết kế phù hợp với Việt Nam.

Do kết cấu móng cọc liền trụ sử dụng ống thép nhồi bê tông ở Việt Nam không cần xem xét về thiết kế động đất, mà phải thiết kế dưới các tải trọng kết hợp thông thường do tĩnh tải, hoạt tải và lực va xô, gây nên tải trọng thẳng đứng dọc trục, tải trọng nằm ngang và mô men uốn, trong đó tải trọng dọc trục chiếm ưu thế hơn là mô men uốn và lực cắt. Cần có các ứng dụng thực tiễn thêm vào các hoạt động nghiên cứu khoa học thuần túy, để xác minh tầm quan trọng và các yêu cầu để xem xét ứng dụng tại Việt Nam.

Đề tài “Nghiên cứu kết cấu móng cọc ống thép liền trụ thi công nhanh cho công trình cầu trong đô thị ở Việt Nam” do Cơ quan chủ trì Tổng Cục Đường Bộ Việt Nam cùng phối hợp với Chủ nhiệm PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh thực hiện với mục tiêu: Thông qua thực nghiệm, đánh giá ứng xử của kết cấu móng cọc liền trụ trong điều kiện tải trọng, địa chất ở Việt Nam; Đề xuất kết cấu móng liền trụ tối ưu cho các loại nhịp cầu vượt, cầu cạn trong đô thị ở Việt Nam và phương pháp thiết kế phù hợp.

Đề tài đã dùng phương pháp phân tích các kết quả nghiên cứu về giải pháp kết cấu móng cọc liền trụ nói chung ở nước ngoài, từ đó đề xuất kết cấu móng cọc ống thép liền trụ cho công trình cầu trong đô thị ở Việt Nam; Phân tích các đặc điểm về tải trọng, tiêu chuẩn thiết kế và các điều kiện khác liên quan đến kết cấu trụ và móng của công trình cầu đô thị ở Việt Nam, từ đó đề xuất phương pháp thiết kế kết cấu móng cọc ống thép liền trụ ở Việt Nam.

Nhìn chung, cơ sở hạ tầng giao thông Việt Nam nói chung và giao thông đô thị nói riêng còn chưa đáp ứng được nhu cầu giao thông hiện tại và tương lai. Trong giao thông đô thị, cầu vượt chủ yếu mới chỉ là cầu vượt qua sông hoặc qua kênh, cầu vượt trong những nút giao thông khác mức không liên thông và liên thông chỉ mới xuất hiện những năm gần đây nhưng với số lượng còn khiêm tốn.

Trong những năm gần đây, một số ít cầu vượt đã được xây dựng ở những thành phố lớn như TP Hà Nội, TP Hồ Chí Minh và trên một số tuyến đường Quốc lộ như Quốc lộ 1, Quốc lộ 5… hầu hết chúng đều là những công trình trọng điểm của thành phố và quốc gia. Quy mô (khổ cầu, khổ tĩnh không thông xe hoặc thông thuyền, cấp tải trọng, khẩu độ...) và tầm vóc của những công trình này có những bước tiến đáng kể, đạt được tiêu chuẩn của giao thông hiện đại và hòa nhập vào xu thế phát triển chung trên thế giới. Tuy nhiện, với số lượng công trình ít nên chủng loại cầu vượt nút giao lớn cũng chỉ bó hẹp ở một số vài dạng cơ bản như: cầu dầm bản rỗng nhịp liên tục, cầu dầm giản đơn mặt cắt chữ I, T và cầu khung liên tục.

Khi quy hoạch xây dựng hay thiết kế công trình ở các khu đô thị, cần lưu ý đến các vấn đề như giảm thiểu diện tích chiếm dụng mặt bằng của công trình như áp dụng kết cấu nhỏ gọn, máy móc thi công huy động ít, rút ngắn thời gian thi công qua việc áp dụng công nghệ thi công nhanh, giảm thiểu tác động đến môi trường như tiếng ồn và rung động bằng cách áp dụng công nghệ thi côngthân thiện với môi trường… Kết cấu móng cọc liền trụ (Continuous Structure of Pile and Pier-CSPP) đề xuất trong Đề tài nghiên cứu này là một trong những giải pháp kết cấu tối ưu đáp ứng các yêu cầu trên cho kết cấu phần dưới của công trình cầu trong đô thị.

Kết cấu CSPP là kết cấu trụ cầu, trong đó thân trụ được cấu tạo bởi nhiều cọc kiêm luôn làm móng cọc, có mũi kéo dài tới nền móng. Do đó, kết cấu CSPP có cấu tạo đơn giản không cần có bệ móng bê tông hay dầm ngầm, làm giảm các kết cấu trong lòng đất, giảm diện tích chiếm dụng mặt bằng của nền móng và giảm thiểu chi phí xây dựng và thời gian thi công

Tuy nhiên, kết cấu CSPP sử dụng loại vật liệu tiến tiến là liên hợp, cụ thể là sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST). Đây là kết cấu tương đối thanh mảnh, do đó cần lưu ý khi thiết kế kết cấu CSPP chịu tải trọng ngang và mô men uốn. Theo phương dọc cầu, kết cấu có độ cứng tương đối nhỏ, nên cần lưu ý chuyển vị ngang lớn ở đỉnh trụ. Một số tiêu chuẩn thiết kế đã được xây dụng cho kết cấu CSPP như ở Nhật Bản và Mỹ. Tuy nhiên, một số điều khoản cần được làm rõ trong các tiêu chuẩn này, do cấu tạo đặc biệt của CSPP là kết cấu liên tục từ kết cấu phần trên (trụ cầu) xuống kết cấu phần dưới (móng). Do cấu tạo như vậy, công tác thiết kế không thể tách rời hai kết cấu riêng là trụ và móng cọc mà cần thiết kế là một thể thống nhất. Do đó, cần xây dựng phương pháp thiết kế hợp lý xét đồng thời cho cả phần trên và phần dưới cho kết cấu CSPP.

Đề tài đã tiến hành tổng hợp phân tích và cập nhật nghiên cứu của nước ngoài. Xác định đặc điểm làm việc và các vấn đề kỹ thuật qua việc nghiên cứu các điều kiện thiết kế như tiêu chuẩn thiết kế, điều kiện tải trọng, điều kiện địa chất và các vấn đề liên quan đến nền móng và kết cấu trụ cầu ở Việt Nam. Tiến hành đánh giá lại các nghiên cứu hiện tại, tính toán mô phỏng và phân tích kết cấu móng cọc ống thép liền trụ của công trình cầu có xét điều kiện đất nền sử dụng phần mềm chuyên dụng FEA như Abaqus, đã tiến hành thử nghiệm ứng xử uốn mẫu ống thép đường kính D600 nhồi bê tông, sử dụng hệ thống hai kích gia tải (1.000KN) tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Giao thông vận tải. Mối quan hệ lực và chuyển vị đã thu được qua kết quảt thử. Quan sát trên đường cong thu được này, biểu hiện rõ nét qua đường cong P- từ thử nghiệm cho thấy, ở khoảng độ võng 200mm, bề mặt ống thép bắt đầu bị oằn tại điểm đặt tải. Từ khi hiện tượng oằn này xảy ra, tải trọng không tăng lên nữa. Cho gia tải trọng tuần hoàn nhiều lần, khả năng chịu tải của mẫu thử khoảng 1.200kN và biến dạng của mẫu vẫn duy trì tăng lên. Phân tích so sánh cho thấy, kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm là khá tương đồng. Dựa trên mô phỏng và thí nghiệm, đề tài đã đề xuất phương pháp thiết kế kết cấu CSPP, đồng thời đưa ra những khuyến cáo lựa chọn vật liệu và đặc điểm kỹ thuật có thể áp dụng tại Việt Nam.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17132/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (TH)