View Categories

Chương 1 – Tổng quan

1.1 Giới thiệu

Báo cáo này tập trung vào các trạng thái giới hạn sử dụng (service limit states – SLSs) về biến dạng và ứng suất của nền đất đắp có kiểm soát (engineered fill) được dùng đỡ móng cầu. Các lớp engineered fill ở đây chủ yếu là đắp hạt rời đầm chặt có nguồn gốc khoáng và các hệ đất gia cường. Các SLS bảo đảm độ bền lâu và khả năng khai thác của cầu và các bộ phận của nó dưới các tải trọng thường xuyên, truyền thống gọi là “service loads” (tải trọng sử dụng)(1). Trong báo cáo này, “service limit” (giới hạn sử dụng) được hiểu là các biến dạng theo phương đứng và phương ngang của móng cầu.

Việc sử dụng engineered fills có và không có hệ đất gia cường phân lớp là một giải pháp kinh tế nhằm giảm biến dạng và cải thiện sức kháng chịu tải của móng nông cho các công trình đỡ cầu. Các nghiên cứu tiêu biểu về spread footings đặt trên engineered fills do FHWA công bố đã kết luận rằng kỹ thuật này là một phương án thay thế phù hợp cho móng sâu (2,3). Engineered fills có thể được sử dụng để đỡ mố cầu và trụ cầu với nhiều cấu hình khác nhau. Đối với mố cầu, engineered fills có thể là vật liệu đắp hạt rời đầm chặt hoặc vật liệu đắp hạt rời đầm chặt có gia cường bằng kim loại hoặc vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp; trong khi đó, đối với trụ cầu, engineered fills có thể là vật liệu đắp hạt rời đầm chặt hoặc vật liệu đắp hạt rời đầm chặt có gia cường bằng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp. Các công trình đỡ cầu sử dụng engineered fills có gia cường góp phần cải thiện sự tương thích biến dạng giữa các bộ phận của hệ cầu, qua đó giảm thiểu ảnh hưởng của chênh lệch lún và sự xuất hiện của các “gờ xóc” không mong muốn giữa bản mặt cầu và đoạn chuyển tiếp nền đắp đường đầu cầu(4). Các khảo sát toàn quốc gần đây của FHWA cho thấy các sở giao thông vận tải cấp bang đã xây dựng cầu đường bộ một cách an toàn và kinh tế với spread footings đặt trên nền đất tự nhiên tốt, nền đất tự nhiên đã được cải thiện, cũng như trên các khối engineered granular fillmechanically stabilized earth (MSE) fills(5).

Mặc dù có những ưu điểm này, nhiều cơ quan vẫn không xem xét các phương án móng nông, ngay cả khi phù hợp, vì nhiều lý do khác nhau, trong đó có những lo ngại liên quan đến việc đáp ứng các yêu cầu về khả năng làm việc bình thường (serviceability), chẳng hạn như biến dạng đứng và biến dạng ngang. Do kích thước lớn của spread footings cho cầu đường bộ, phá hoại sức chịu tải của đất nền ít có khả năng xảy ra(6). Vì vậy, tính năng làm việc của spread footings trong thiết kế cầu đường bộ được đánh giá chủ yếu trên cơ sở chuyển vị đứng (tức là độ lún và cách mà độ lún không đều ảnh hưởng đến công trình {tỷ số chênh lún trên khoảng cách = angular distortion}) (7). SLS đối với móng nông thường chi phối thiết kế móng cầu; tuy nhiên, hiện có rất ít hướng dẫn về SLS được ban hành cho engineered fills (8). Theo Manual for Bridge Evaluation của AASHTO, SLS liên quan đến ứng suất, biến dạng và nứt (9). Báo cáo Chương trình Nghiên cứu Đường cao tốc Chiến lược 2 (SHRP2), Bridges for Service Life Beyond 100 Years: Service Limit State Design, trình bày các trạng thái giới hạn và các mức dung sai hiện có của các bộ phận cầu do nhiều cơ quan tại Hoa Kỳ và trên thế giới quy định (10).

1.2 Tóm tắt về Engineered Fills

FHWA định nghĩa engineered granular fill là đất hạt rời chất lượng cao được lựa chọn và thi công để đáp ứng một số chỉ tiêu quy định về vật liệu và thi công nhất định (cũng được gọi là “compacted structural fill” và “compacted granular soil”)(5). Engineered fill có thể được gia cường bằng vật liệu địa kỹ thuật (geosynthetics) hoặc dải kim loại. Chất lượng cao ở đây bao gồm cấp phối (gradation), khả năng chống phong hoá của vật liệu (soundness), mức độ đầm chặt, độ bền lâu (durability) và tính tương thích (compatibility). Các yêu cầu này được trình bày chi tiết hơn trong bảng 1 và bảng 2.

Một số Sở giao thông các bang, bao gồm Washington State Department of Transportation (WSDOT), New Mexico Department of Transportation và Minnesota Department of Transportation, đã sử dụng thành công lớp đắp hạt rời kỹ thuật đầm chặt(5). Ví dụ, dựa trên khảo sát 148 cây cầu ở bang Washington, FHWA kết luận rằng spread footing đặt trên nền đất đắp kỹ thuật có thể là giải pháp thay thế thỏa đáng cho móng sâu, đặc biệt khi vật liệu đắp chất lượng cao được thi công trên nền đất gốc đủ khả năng chịu tải(2) Báo cáo National Cooperative Highway Research Program số 651 cho thấy hệ số sức kháng đối với lớp đắp hạt rời đầm chặt cao hơn so với đất hạt rời tự nhiên do kiểm soát được tốt hơn quá trình đầm chặt(11). Tuy nhiên, vẫn còn những lo ngại liên quan đến việc sử dụng spread footing đặt trên lớp đắp hạt rời có kiểm soát và tường đất có cốt (MSE). Một số Sở giao thông bang đã cho phép và xây dựng spread footing trên đất tự nhiên nhưng không cho phép trên đắp hạt rời có kiểm soát và tường MSE, do lo ngại về chất lượng và tính đồng nhất của vật liệu đắp đầm chặt cũng như chi phí thiết kế và thi công móng cầu trên tường MSE(5). Bảng 1 liệt kê các yêu cầu về vật liệu và thi công của FHWA đối với lớp đắp hạt rời có kiểm soát (engineered granular fills)(12).

Bảng 1. Yêu cầu của FHWA về vật liệu và thi công cho lớp engineered granular fills (12)

Thuộc tính đấtCỡ sàng U.S.Phần trăm lọt sàng (%)
Cấp phối (Gradation)
(AASHTO T27)(13)
4 inches100
#40 (0.0165 inch)0–70
#200 (0.0029 inch)0–15

Các lưu ý chung bổ sung khi lựa chọn vật liệu đắp sau lưng tường (structural backfills) như sau:(6)

  • Chỉ số dẻo (Plasticity Index – PI) (AASHTO T90): PI < 6 % (14).
  • Khả năng chống phong hoá của vật liệu (Soundness): Theo AASHTO T104(15).
  • Mức độ đầm chặt (Compaction level): Mức độ đầm chặt bằng 100 % khối lượng thể tích khô lớn nhất theo thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn AASHTO T99; độ ẩm thi công nên nằm trong khoảng ±2 % so với độ ẩm tối ưu(6).

(Bảng 2 trình bày các lưu ý chung khác khi lựa chọn vật liệu đắp sau lưng tường, như đã nêu trong FHWA’s Soils and Foundations Reference Manual: Volume I(6)

Bảng 2. Một số lưu ý chung khi chọn vật liệu đắp sau lưng kết cấu. (6)

Yếu tố cần xétGhi chú
Chiều dày lớp đắp (Lift thickness)Giới hạn trong khoảng 6 đến 8 inch để có thể đầm chặt bằng thiết bị nhỏ.
Kích thước hạt lớn nhất (Topsize)Giới hạn nhỏ hơn ba phần tư chiều dày lớp đắp.
Cấp phối/tỷ lệ hạt mịn Gradation/percent fines)Dùng đất có cấp phối tốt để dễ đầm chặt. Cấp phối điển hình như sau:
• Sàng 4-inch (~10cm): 100 % lọt sàng theo khối lượng.
• Sàng #40 (0.0165 inch ~ 0.4mm): từ 0 đến 70 % lọt sàng theo khối lượng.
• Sàng #200 (0.0029 inch ~0.074mm ): từ 0 đến 15 % lọt sàng theo khối lượng.
Giới hạn về tỷ lệ hạt mịn (hạt nhỏ hơn sàng #200) nhằm ngăn ngừa hiện tượng xói lở dạng ống (piping) và cho phép thoát nước bằng trọng lực. Để thoát nước nhanh, có thể xem xét giới hạn tỷ lệ hạt mịn không quá 5 %.
Chỉ số dẻo PIPI không được vượt quá 10 để khống chế biến dạng lâu dài (long-term deformation).
Độ bền (Durability)Tiêu chí này nhằm xét đến sự phá vỡ hạt và lún thứ cấp. Vật liệu phải hầu như không chứa đá phiến (shale) hoặc các hạt mềm, có độ bền kém khác. Nếu cơ quan quản lý lựa chọn thí nghiệm theo chỉ tiêu này, vật liệu có tổn thất độ bền trong thí nghiệm sunfat magiê vượt quá 30 phải bị loại.
Kiểm soát dung trọng theo AASHTO T99 (density control)(16)Thiết bị nhỏ không đạt được dung trọng theo AASHTO T180. Yêu cầu tối thiểu 100 % dung trọng khô lớn nhất theo thí nghiệm Proctor tiêu chuẩn. (17)
Tính tương thích (Compatibility)Hạt vật liệu không được chui vào các lỗ rỗng của lớp đắp liền kề hoặc vật liệu thoát nước.

Báo cáo của FHWA Soils and Foundations Reference Manual: Volume II khuyến nghị rằng các lớp đắp có kết cấu đầm chặt dùng để đỡ spread footing phải là loại vật liệu được lựa chọn và quy định rõ, gồm các hạt cát và sỏi. (18) Ngoài ra, lớp đắp phải được đầm đạt độ chặt tương đối tối thiểu (RC) 95 % theo đầm Proctor cải tiến, và lớp đắp kết cấu phải kéo dài hết toàn bộ phần đắp dưới chân móng.

Tại Hoa Kỳ, khái niệm và nguyên lý của công nghệ tường chắn đất có cốt (MSE) được giới thiệu từ năm 1969. (19) Có hai loại gia cường đất cơ bản trong kết cấu MSE: loại không giãn (kim loại) và loại giãn (polymer). Gia cường kim loại chủ yếu được dùng làm cốt gia cường cho đất. Mố MSE đầu tiên được báo cáo ở Hoa Kỳ được xây dựng năm 1974 tại Lovelock, Nevada để đỡ nhịp cầu đúc sẵn dài 70 ft (21 m). (20) Các kết cấu MSE sử dụng cốt không giãn, như các bản thép rời hoặc lưới thép hàn, có sự kết hợp đặc trưng giữa tấm đúc sẵn, cốt gia cường và chi tiết liên kết. (21) Đối với móng cầu sử dụng vật liệu địa kỹ thuật giãn (extensible geosynthetics), Adams là một trong những người đầu tiên báo cáo về khả năng làm việc của trụ cầu bằng đất gia cường địa kỹ thuật có ứng suất trước (pre-strained geosynthetic reinforced soil) (GRS), qua đó chứng minh tính khả thi của kỹ thuật này trong móng cầu. (22) Kể từ đó, nhiều nghiên cứu ở quy mô thực về GRS dùng làm móng cầu và nhiều mố cầu xây dựng bằng công nghệ này tiếp tục ghi nhận ưu điểm so với các dạng móng cầu truyền thống (xem tài liệu tham khảo 5 và 23–29).

Ngoài ra, các lớp đắp kỹ thuật cũng đã được sử dụng làm nền chịu lực cho mố cầu ở nhiều nước khác và đã chứng tỏ hiệu quả. (30,31) Các nghiên cứu trước đây cho thấy đắp kỹ thuật mang lại lợi ích về nâng cao khả năng làm việc và tiết kiệm chi phí nhân công, thiết bị và thời gian. Mức tiết kiệm chi phí có thể lên tới 65 % so với móng sâu truyền thống cho hệ thống cầu. (3)

Đối với mố GRS, việc lựa chọn vật liệu backfill là rất quan trọng vì đây là một bộ phận kết cấu chính của mố. Geosynthetic Reinforced Soil Integrated Bridge System Interim Implementation Guide của FHWA đưa ra các khuyến nghị về cấp phối cho vật liệu backfill cấp phối tốt và cấp phối rỗng (open-graded) dùng cho mố GRS. (23) “Vật liệu open-graded” là loại cấp phối mà giữa các cỡ sàng cố ý bỏ trống để các lỗ rỗng không bị lấp bởi các hạt trung gian. Các tiêu chí chính gồm: (1) góc ma sát trong \(\phi\) tối thiểu 38°, (2) kích thước hạt lớn nhất nằm trong khoảng 0.5 đến 2 inch (13 đến 51 mm), (3) PI không lớn hơn 6, (4) phần trăm khối lượng hạt nhỏ hơn sàng #200 nhỏ hơn 12 %, và (5) vật liệu đắp phải hầu như không chứa đá phiến hoặc các hạt có độ bền kém khác, và có tổn thất khối lượng trong thí nghiệm sunfat magiê nhỏ hơn 30 % sau bốn chu kỳ (hoặc giá trị tương đương với dung dịch natri nhỏ hơn 15 % sau năm chu kỳ).

Ngoài yêu cầu về cấp phối, việc lựa chọn vật liệu backfill còn phụ thuộc vào các yếu tố sau: (23)

  • Khả năng bảo đảm đầm chặt.
  • Khuyến nghị dùng vật liệu đắp open-graded cho mố nằm trong vùng ngập lũ để tạo điều kiện thoát nước khỏi mố.
  • Cốt liệu open-graded mịn (ví dụ cỡ hạt khoảng 0.5 inch (12.7 mm)) dễ rải, san phẳng và đầm chặt hơn so với vật liệu có cấp phối tốt.
  • Khuyến nghị dùng hạt góc cạnh để tăng cường sức kháng cắt và giảm độ nén lún của khối GRS.

FHWA cho biết đối với mố GRS, nền đất gia cường (RSF) và vật liệu đắp đường dẫn đầu cầu trong hệ thống cầu tích hợp GRS (GRS-IBS), lớp đắp bằng cốt liệu cấp phối tốt phải được đầm chặt đúng quy cách, đạt tối thiểu 95 % dung trọng khô lớn nhất theo AASHTO T99. (2,3,16)

Tính đến năm 2012, tất cả các dự án GRS-IBS đều lựa chọn dùng sỏi open-graded do ưu điểm về thi công và thoát nước. Các quận và cơ quan đang xây dựng GRS-IBS đã chọn các loại vật liệu đắp kết cấu sẵn có tại địa phương cho dự án của mình. (21) Adams và cộng sự đã cung cấp các cấp phối vật liệu đắp của năm dự án GRS-IBS; phần lớn hạt nằm trong khoảng từ 0.375 đến 1 inch (9.5 đến 25.4 mm), nhưng phân bố kích thước hạt thì khác nhau. (21) Cũng lưu ý rằng ảnh hưởng của kích thước hạt khác nhau đến ứng xử tải-biến dạng vẫn cần được nghiên cứu thêm.

Việc sử dụng các loại engineered fill khác nhau cho móng cầu có cả ưu điểm lẫn hạn chế. Một lợi thế là nhà thầu và chủ đầu tư cầu có phạm vi lựa chọn rộng hơn về loại và khả năng cung ứng vật liệu backfill; điều này sẽ giúp tiết kiệm chi phí và nhân công.

Các hạn chế bao gồm:

  • Hiện nay, đất hạt rời và cốt liệu chủ yếu được dùng làm engineered fill để đỡ cầu, trong khi khả năng làm việc của các loại engineered fill khác, chẳng hạn loại có hàm lượng hạt mịn cao hơn, vẫn chưa được xác định rõ.
  • Khi lớp đắp đỡ kết cấu dưới của cầu có hàm lượng hạt mịn cao, có thể xảy ra hiện tượng phân tầng, và khả năng thoát nước của lớp đắp sau bị suy giảm. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến ổn định và độ nén lún của móng cũng như kết cấu cầu.
  • Cường độ, độ nén lún và các chỉ tiêu trạng thái của những loại engineered fill khác có thể không đáp ứng yêu cầu đối với móng cầu, do đó kém được ưa chuộng hơn so với các loại đất đắp khác.

1.3 Móng cầu sử dụng engineered fill không gia cường

Khi thi công lớp đắp có kết cấu (structural fill) đầm chặt để đỡ móng cầu như mố cầu, cần có các chi tiết và chỉ dẫn kỹ thuật riêng. Hình 1 thể hiện các chi tiết khuyến nghị cho việc xây dựng đường đầu cầu và móng cầu bằng structural fill. Các chỉ tiêu vật liệu được lựa chọn sao cho lớp engineered fill có thể được đầm chặt đến trạng thái chặt, không biến dạng để đỡ spread footing mố cầu. Geotechnical Engineering Circular No. 6: Shallow Foundations của FHWA khuyến cáo rằng vật liệu đắp kết cấu cho đường đắp đường bộ không được chứa các loại vật liệu không phù hợp hoặc có hại như than bùn, bùn hữu cơ, gỗ, rác hữu cơ, than đá, than củi hoặc bất kỳ vật liệu nào khác có khả năng làm việc kém trong khối đắp.(12)

Hình 1. Chi tiết engineered fill của đường dẫn và móng cầu.(33)

1.4 Móng cầu sử dụng MSE

Kể từ khi mố cầu MSE đầu tiên được xây dựng ở Hoa Kỳ vào năm 1974, công nghệ MSE đã được sử dụng trong các kết cấu đỡ cầu như mố cầu, với cả cốt gia cường kim loại và vật liệu địa kỹ thuật (geosynthetic).(34) Mố MSE là các tường chắn MSE chịu tải phân bố lớn hơn nhiều và nằm gần mặt tường. Sử dụng kết cấu MSE làm kết cấu đỡ trực tiếp cho mố cầu có thể đơn giản hóa đáng kể việc thiết kế và thi công các hệ mố cầu hiện nay, và có thể giúp đẩy nhanh tiến độ xây dựng cầu đường bộ.

Khi dầm cầu được đỡ trên một móng bản đặt trực tiếp lên phía trên kết cấu MSE, cấu hình này được gọi là mố MSE thực sự (true MSE abutment), như minh họa ở hình 2. Để tránh làm quá tải đất do tải trọng dư tác dụng lên mố MSE thực sự, bệ đặt dầm được bố trí sao cho tim gối (centerline of bearing) nằm cách mép tường MSE ít nhất 3.05 ft (1 m), và áp lực tiếp xúc ở trạng thái sử dụng tác dụng lên khối đất gia cường không được vượt quá 4 kip/ft² (192 kPa).(34) Anderson và Brabant báo cáo rằng mỗi năm ở Hoa Kỳ xây dựng khoảng 600 mố MSE (tương ứng 300 cầu), trong đó khoảng 25 % là mố MSE thực sự.(34)

Hình 2. Các loại mố MSE thực sự.

Các mố MSE có thể giúp tiết kiệm chi phí xây dựng trong trường hợp không cần móng sâu. Ngoài ra, việc sử dụng mố cầu “true MSE” có thể mang lại mức tiết kiệm chi phí đáng kể.(34) Mố cầu MSE thực sự cũng có nhiều ưu điểm so với mố truyền thống. Hiện tượng “gờ dốc” quen thuộc ở cuối cầu được giảm bớt vì móng lún cùng với tường MSE, trái ngược với móng sâu không lún cùng tốc độ. Thêm nữa, không cần bản quá độ vì đã loại bỏ các điều kiện dẫn đến gờ dốc ở cuối cầu, và việc bỏ bản quá độ cũng giúp tiết kiệm chi phí đáng kể.(7)

Mặc dù các mố MSE có những ưu điểm đã được chứng minh, phạm vi áp dụng của chúng vẫn bị giới hạn, giống như bất kỳ công nghệ nào khác. Một nghiên cứu của Purdue University và Indiana Department of Transportation chỉ ra rằng các kết cấu MSE trên móng nông không nên dùng trực tiếp làm mố cầu khi trong lớp đất gần mặt đất có các lớp đất mềm, chẳng hạn như sét cố kết normally, nơi dự kiến sẽ có biến dạng lớn và lún lệch đáng kể.(4) Trong các điều kiện như vậy, cần dùng phương án thiết kế có cọc. Với các cấu trúc nền móng tốt hơn, tường MSE có thể được dùng để đỡ trực tiếp mố cầu.

1.5 Móng cầu sử dụng GRS

Công nghệ GRS bao gồm các lớp cốt gia cường địa kỹ thuật (geosynthetic reinforcement) bố trí dày và lớp đắp hạt rời đầm chặt. GRS đã được sử dụng trong nhiều hạng mục đất đắp khác nhau kể từ khi U.S. Forest Service lần đầu áp dụng để xây tường đường trên địa hình núi dốc vào những năm 1970.(21) Khoảng cách giữa các lớp cốt GRS không được vượt quá 12 inch (304.8 mm) và điển hình là 8 inch (203.2 mm).(21) Như thể hiện ở hình 3, GRS-IBS thường bao gồm một RSF, một mố GRS và một giải pháp chuyển tiếp GRS tích hợp nối lên kết cấu phần trên. RSF được cấu tạo từ vật liệu đắp hạt rời đầm chặt và được bọc bằng vải địa kỹ thuật.

Việc áp dụng GRS có một số ưu điểm: hệ thống dễ thiết kế và thi công kinh tế; có thể xây dựng trong nhiều điều kiện thời tiết khác nhau với nhân công, vật liệu và thiết bị sẵn có; và có thể dễ dàng điều chỉnh ngay tại hiện trường.(21) Hình 4 minh họa RSF và các tham số thường dùng cho RSF trong báo cáo này.

Hình 3. Mặt cắt điển hình của mố cầu GRS.(21)
Hình 4. Chú giải các tham số của móng nông trên đất gia cường.

Trong đó:

  • B = bề rộng móng.
  • b = chiều dài các lớp cốt gia cường phía dưới móng.
  • N = số lượng lớp cốt gia cường.
  • u = chiều sâu chôn lớp geogrid trên cùng.
  • h = khoảng cách giữa các lớp cốt gia cường.
  • d = chiều dày vùng cốt gia cường dưới lớp đỡ gối (bearing bed).
  • \(D_f\) = chiều sâu chôn móng.