-1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vùng đồng sông Cửu Long khu vực thành phố Hồ Chí Minh có bề dày tầng đất yếu lớn biến đổi phức tạp, phần lớn công trình cầu khu vực gặp số lún lệch đường cầu, xe vào cầu bị giằng xóc Việc nghiên cứu giải pháp cấu tạo để cải thiện độ êm thuận cho đoạn đường dẫn vào cầu khu vực thành phố Hồ Chí Minh đồng sông Cửu Long có ý nghĩa quan trọng cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu đề xuất số giải pháp kết cấu thích hợp cho công trình đường dẫn vào cầu khu vực thành phố Hồ Chí Minh đồng sông Cửu Long, cải thiện độ êm thuận, đảm bảo hàng hóa hành khách ô tô có êm thuận ô tô lưu thông qua cầu, đảm bảo an toàn lái xe vận tốc xe chạy đường Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng để nghiên cứu giải pháp thiết kế đường dẫn vào cầu ảnh hưởng tượng lún lệch đường cầu đến độ êm thuận người + hàng hóa ô tô lực bám đường đủ cho người tài xế điều khiển xe an toàn.v.v trình khai thác Đề tài chưa xem xét đến yếu tố khác xảy đồng thời hạng mục đường dẫn vào cầu đắp đất yếu như: tượng ổn định mái taluy đắp, tượng lún sụt, trượt trồi.v.v Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng kết nghiên cứu trước ngưỡng giới hạn êm thuận người + hàng hóa chịu tác động dao động, giằng xóc; giới hạn lực bám đường điều khiển xe ô tô.v.v để đánh giá độ êm thuận mặt đường dẫn vào cầu Nghiên cứu ngưỡng giới hạn điều kiện mấp mô mặt đường dẫn vào cầu theo yêu cầu độ êm thuận, từ đề xuất số giải pháp thiết kế cho đoạn đường dẫn vào cầu đắp đất yếu Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết thực nghiệm với -2- việc ứng dụng công nghệ tin học tính toán Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đánh giá độ êm thuận đoạn đường dẫn vào cầu thông qua việc đánh giá độ êm thuận người + hàng hóa xe yêu cầu lái xe an toànkhi xe ô tô chịu tác động đồng thời yếu tố ảnh hưởng như: mấp mô mặt đường, độ đàn hồi hệ thống giảm xóc, độ đàn hồi bánh xe.v.v kết đánh giá độ êm thuận xác toàn diện - Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất giải pháp kết cấu để cải thiện độ êm thuận cho đoạn đường dẫn vào cầu Xây dựng phần mềm đánh giá độ êm thuận cho hạng mục đường dẫn vào cầu Điểm luận án - Xây dựngmô hình tương tác động lực học đối tượng: điều kiện mặt đường + hệ thống dao động xe ô tô + người hàng hóa xe để phục vụ cho nghiên cứu sở lý thuyết độ êm thuận Từ mô hình xác định thông số chuyển vị thẳng đứng, gia tốc dao động thẳng đứng phận xe, hệ số xung kích IM.v.v thời điểm xe lưu thông tuyến đường - Đề xuất tiêu cấp độ để đánh giá độ êm thuận đoạn đường dẫn vào cầu giá trị định lượng cụ thể, khắc phục số nhược điểm việc đánh giá mang tính chất định tính - Đã xây dựng quy tắc chuyển tiếp độ lún lệch đường cầuthỏa mãn yêu cầu êm thuận (tiêu chí thiết kế đoạn đường dẫn vào cầu) phục vụ cho công tác thiết kế quản lý khai thác hạng mục đường dẫn vào cầu - Đề xuất được02 giải pháp kết cấu để cải thiện độ êm thuận cho đoạn đường dẫn vào cầu đắp đất yếu -3- Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU 1.1 Tổng quan điều kiện địa hình, địa chất khu vực nghiên cứu Khu vực đồng sông Cửu Long phần lớn địa bàn thành phố Hồ Chí Minh có bề dày tầng đất yếu lớn từ vài mét đến vài chục mét, số nơi đến 40-50m Các tầng đất có trạng thái từ mềm yếu đến mềm yếu, khả chịu tải thấp, tính biến dạng cao 1.2 Tổng quan giải pháp thiết kế đường dẫn vào cầu Rất nhiềugiải pháp thiết kế đường dẫn vào cầu áp dụng vào thực tế như:Đào thay đất;cọc đất gia cố xi măng;phun chất kết dính cải thiện tiêu lý đất;kết cấu sàn giảm tải;móng cọc kết hợp lưới địa kỹ thuật; bấc thấm/ cọc cát kết hợp gia tải trước;bơm hút chân không; độ;các giải pháp kết hợp khác.v.v Tại khu vực Tp Hồ Chí Minh đồng sông Cửu Long, giải phápbản độ, sàn giảm tải, cọc cát kết hợp gia tải trước.v.v sử dụng phổ biến (Hình 1.9) Tuy nhiên, giải pháp chưa thật mang lại hiệu mong muốn Hình 1.9 Tỷ lệ sử dụng giải pháp thiết kế khu vực nghiên cứu Gần đây, Bộ GTVT ban hành “Quy định tạm thời giải pháp kỹ thuật công nghệ đoạn chuyển tiếp đường cầu (cống) đường ô tô”, dẫn kỹ thuật giải pháp công nghệ cho đoạn đường dẫn vào cầu quy định chặt chẽ -4- 1.3 Hiện tượng êm thuận vị trí tiếp giáp đường cầu Hình 1.13 Sự thay đổi đột ngột độ cứng đường vị trí tiếp giáp Đường dẫn vào cầu công trình đặc biệt, hạng mục kết nối hai công trình có triết lý thiết kế khác Tại vị trí tiếp giáp, độ cứng thay đổi đột ngột dẫn đến thay đổi đột ngột biến dạng, hình thành “bước nhảy” độ cứng biến dạng (độ chênh lệch lún) Khi lưu thông qua “bước nhảy” này, ô tô bị giằng xóc gây êm thuận cho người hàng hóa xe, làm suy giảm lực bám bánh xe với mặt đường dẫn đến tai nạn giao thông.v.v Bước nhảy công trình cầu khu vực đồng sông Cửu Long lớn.Ví dụ cầu Văn Thánh (Tp Hồ Chí Minh), mố cầu gần không lún, độ lún đoạn đường dẫn vào cầu lại lớn: Bờ quận 1, lún khoảng 15cm/1 năm, bờquận Bình Thạnh lún khoảng 37cm/1 năm 1.4 Các kết nghiên cứu trước đường dẫn vào cầu Từ việc nghiên cứu làm việc kết cấu độvới đầu gối lên vai kê mố, đầu lại gác lên dầm kê đặt đường, trình khai thác đầu lún theo độ lún mố cầu, đầu lại lún theo độ lún đường dẫn vào cầu, trắc dọc đoạn đường dẫn vào cầu hình thành điểm xóc đầu kết cấu độ (Hình 1.17) Khi độ lún đoạn đường dẫn vào cầu lớn, điểm xóc phát triển gây giằng xóc cho người phương tiện vào cầu.Vậy độ lún đoạn đường dẫn vào cầu lớn đến mức độ (hoặc điểm xóc lớn đến mức độ nào) đoạn đường dẫn vào cầu thỏa mãn điều kiện -5- êm thuận để ô tô vào cầu? Hình 1.17 Sơ đồ làm việc kết cấu độ ** Briaud, J.L (1997) đưa dẫn giới hạn độ lớn điểm xóc (giới hạn độ phẳng theo phương dọc) mặt đường dẫn vào cầu sử dụng kết cấu độ: ≤1/200 Từ sở tác giả đưa công thức xác định chiều dài độ: ( 1-1) 𝐿𝑐𝑡 ≥ 200 𝑆𝑓 − 𝑆𝑎 Hình 1.18 Giới hạn độ phẳng theo phương dọc Briaud, J.L (1997) ** Long, J.H (1998) đưa khuyến cáo: thay đổi độ dốc dọc 1/100 -:-1/125 đơn vị quản lý công trình cầu phà nên bắt đầu tiến hành biện pháp tu, sữa chữa Tiếp tục phát triển kết nghiên cứu trên, nhiều nhà khoa học đưa ngưỡng giới hạn khác ứng với cấp đường khác nhau, dao động phạm vi từ 1/125-:-1/250 Một số nghiên cứu vận dụng kết nghiên cứu kết cấu độ nêu vào sử dụng cho giải pháp -6- xử lý khác, với quan điểm chuyển tiếp độ lún lệch đường cầu đoạn thẳng tuyến tính vuốt nối cao độ mặt đường (sau lún) với cao độ mặt cầu (tạm gọi quy tắc chuyển tiếp độ lún dạng tuyến tính), từ xây dựng công thức xác định chiều dài đoạn đường dẫn vào cầu 1.5 Quy định độ êm thuận đoạn đường dẫn vào cầu tiêu chuẩn thiết kế Nhiều tiêu chuẩn thiết kế nước đưa giới hạn độ phẳng theo phương dọc vào tiêu chuẩn thiết kế, giới hạn đề xuất phạm vi từ 1/125-:-1/250 tùy theo cấp đường theo vận tốc thiết kế 1.6 Các vấn đề tồn định hướng nghiên cứu Có nhiều hướng khác để tiếp cận giải vấn đề êm thuận vị trí tiếp giáp đường cầu đắp đất yếu Nhiều đề tài nghiên cứu trước tiếp cận theo hướng phân tích toán ứng suất – biến dạng, từ đề xuất giải pháp thiết kế đoạn đường dẫn vào cầu theo tiêu chí cường độ thông qua khả mang tải kết cấu Các nghiên cứu theo hướng đạt nhiều thành công lớn, có nhiều đóng góp quan trọng thực tiễn thiết kế thi công đoạn đường dẫn vào cầu Luận án tiếp cận theo hướng: lấy độ êm thuận người + hàng hóa xe, lực bám đường bánh xe để đảm bảo lái xe an toàn.v.v làm tiêu chí thiết kế Với mục tiêu giải nội dung sau: (1) Nghiên cứu phương pháp đánh giá êm thuận cho đoạn đường dẫn vào cầu (2) Nghiên cứu quy tắc thay đổi quy mô gia cường móng theo chiều dài đoạn đường dẫn vào cầu sở độ êm thuận (3) Nghiên cứu lựa chọn số giải pháp thiết kế đoạn đường dẫn vào cầu phù hợp cho công trình cầu khu vực đồng sông Cửu Long -7- Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘ ÊM THUẬN ĐOẠN ĐƯỜNG DẪN VÀO CẦU 2.1 Lựa chọn phương pháp đánh giá độ êm thuận Sau phân tích ưu nhược điểm phương pháp đánh giá độ êm thuận sử phổ biến ngành cầu đường nay, kết hợp với mục tiêu học tập nâng cao chuyên môn, mong muốn làm rõ ảnh hưởng đoạn đường dẫn vào cầu đến đối tượng cụ thể như: người + hàng hoá xe, lực bám bánh xe với mặt đường.v.v đề tài tiến hànhxây dựng phương pháp đánh giá độ êm thuận riêng phục vụ cho nghiên cứu đoạn đường dẫn vào cầu Phân tích kết nghiên cứu công bố trước đây, tiêu sau sử dụng để nghiên cứu luận án a Đối với người b Sử dụng tiêu cường độ dao động KB Tiêu chuẩn TCVN 69641:2001 “Rung động chấn động học – Đánh giá tiếp xúc người với rung động toàn thân” quy định ngưỡng K z Hình 2.1 Hình 2.1 Sự phụ thuộc gia tốc theo tần số -8- b Đối với hàng hoá Theo đề xuất Hiệp hội đóng gói Đức BFSV, ngưỡng an toàn cho hàng hoá sau  Giới hạn cảnh báo: amax= 0,3g ( 2-5)  Giới hạn can thiệp: amax= 0,5g c Chỉ tiêu tải trọng động Dùnghệ số tải trọng động cực tiểu Kdyn,minđánh giá khả truyền lực dọc tăng tốc phanh, giữ ổn định quỹ đạo chuyển động xe K dyn,min   Fz ,d  Fz ,t  Kdyn,min  ( 2-6) - Giới hạn cảnh báo: Kdyn,min = 0,5 - Giới hạn can thiệp: Kdyn,min = 2.2 Xây dựng mô hình nghiên cứu độ êm thuận Để xác định tiêu Kz, az, Kdyn,min.v.v tiến hành đo trực tiếp xe Tuy nhiên, phương pháp tốn Luận án chọn phương án xây dựng mô hình tương tác động lực học đối tượng: điều kiện mặt đường + hệ thống dao động xe ô tô + người hàng hóa xe để xác định tiêu Xét mục tiêu nghiên cứu luận án, khả thu thập thông số kỹ thuật xe khả tiến hành thí nghiệm thực tế.v.v.luận án lựa chọn xe tải cầu Maz 5551 để nghiên cứu    A2 A1 Hình 2.15 Sơ đồ đặt lực lên xe theo phương dọc -9- Các phương trình toán: m. z  FC11  FK11  FC12  FK12  FC 21  FK 21  FC 22  FK 22 J y   a2  FC 21  FK 21  FC 22  FK 22   a1  FC11  FK11  FC12  FK12  z1  z11  z12  z  a1 z2  z21  z22  z  a2 mA1A1    FC11  FK11  FC12  FK12    FCL11  FCL12  FKL11  FKL12  mA2A2    FC 21  FK 21  FC 22  FK 22    FCL 21  FCL 22  FKL 21  FKL 22  ( 2-10) ( 2-11) (2-12) (2-13) FC11  C11  A11  z11   C11  A11  z  a1  (2-14) ( 2-15) ( 2-16) FC12  C12  A12  z12   C12  A12  z  a1  ( 2-17) FC 21  C21  A21  z21   C21  A21  z  a2  ( 2-18) FC 22  C22  A22  z22   C22  A22  z  a2  ( 2-19) FK11  K11 A11  z11  K11 A11  z  a1 ( 2-20)  F  K  F  K  F  K  K 12 12 K 21 21 K 22 22  z12 A12 A21 A22  z21  z22      K   z  a     K   z  a     K   z  a   12 A12 21 A21 22      FCLij =  hij   ij   A22    FCLij  CLij  hij  ij   hij   ij   (mij  mAij ) g      CLij   ( 2-21) ( 2-22) ( 2-23) ( 2-24) (mij  mAij ) g      i = 1, 2; j = 1,2 CLij   Với : mij + mAij – Trọng lượng bám bánh xe FKL11  K L11 (h11  11 )  K L11 (h11  A1 ) ( 2-25) FKL12  K L12 (h12  12 )  K L12 (h12  A1 ) F  K (h   )  K (h   ) (2-26) FKL 22  K L 22 (h22  22 )  K L 22 (h22  A2 ) ( 2-28) KL 21 L 21 21 21 Fz ,t11  Fz ,t12  Fz ,t 21  Fz ,t 22 L 21 21  mA1  m1  g A2 ( 2-27) ( 2-29)  mA2  m2  g  ( 2-30) Fz ,d 11  FL11  Fz ,t11 ( 2-31) -10Fz ,d 12  FL12  Fz ,t12 Fz ,d 21  FL 21  Fz ,t 21 ( 2-32) ( 2-33) ( 2-34) Fz ,d 22  FL 22  Fz ,t 22 𝐹𝑧,𝑑 ( 2-35) 𝐼𝑀 % = − 100% 𝐹𝑧,𝑡 Cácphươngtrìnhtừ (2-10) đến (2-34) tạothànhmộthệphươngtrìnhtoánhọcmôtảsơđồcấutrúccủamôhình “đườngxe-người” 2.3 Các tiêu cấp độ đánh giá độ êm thuận a Cấp độ êm thuận Khi xe qua mấp mô này, dao động xe bé, người không cảm nhận được, hàng hóa xe không bị đổ vỡ, lực bám đường bánh xe mặt đường đảm bảo điều kiện vận hành an toàn - Cường độ dao động trọng tâm cabin xe:Kz ≤ 20 - Gia tốc dao động trọng tâm thùng xe: amax ≤ 0,3g - Hệ số tải trọng động cực tiểutại bánh xe:Kdyn,min≤ 0,5 b Cấp độ cảnh báo Nếu mấp mô mặt đường vượt cấp độ êm thuận chưa đạt đến cấp độ can thiệp, xe qua mấp mô người cảm nhận tương đối mạnh dao động, giằng xóc mặt đường gây ra, hàng hóa xe có khả bị đổ vỡ.v.v quan quản lý công trình nên triển khai công tác lập dự án, lên kế hoạch tu sửa chữa - Cường độ dao động trọng tâm cabin xe: 20