2.1 Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) của AASHTO (8)
Các Quy định kỹ thuật thiết kế cầu AASHTO LRFD áp dụng thiết kế theo trạng thái giới hạn trong phương pháp LRFD(8). “Trạng thái giới hạn” là một trạng thái mà vượt quá nó thì một bộ phận của cầu không còn thỏa mãn các tiêu chí mà nó được thiết kế để đáp ứng. Tất cả các dạng phá hoại kết cấu và địa kỹ thuật có thể dẫn đến hư hỏng trong nền móng được nhóm thành ba trạng thái giới hạn địa kỹ thuật: SLS, trạng thái giới hạn cường độ, và trạng thái giới hạn sự kiện cực hạn.(8) Các SLS được định nghĩa là các trạng thái giới hạn liên quan đến ứng suất, biến dạng và nứt dưới điều kiện khai thác thông thường. Trong SLS, phá hoại có thể được định nghĩa là vượt quá độ chuyển vị cho phép. Ví dụ, nền móng phải có đủ độ cứng về kết cấu và địa kỹ thuật để giữ cho chuyển vị của cầu nhỏ hơn độ chuyển vị cho phép của cầu. Các dạng phá hoại trong trạng thái giới hạn cường độ liên quan đến sức kháng và độ ổn định của nền móng dưới các tải trọng và điều kiện tác dụng liên tục hoặc thường xuyên trong suốt tuổi thọ thiết kế của cầu. Các dạng phá hoại trong trạng thái giới hạn sự kiện cực hạn liên quan đến sức kháng và độ ổn định của nền móng dưới các tải trọng và điều kiện tác dụng trong những sự kiện nhất định có chu kỳ lặp lớn hơn tuổi thọ thiết kế của cầu. Thiết kế LRFD của spread footings ở tất cả các trạng thái giới hạn được quy định trong AASHTO LRFD Bridge Design Specifications.(8) Thiết kế SLS (Điều 10.6.2) bao quát độ lún và ổn định tổng thể của spread footings, và Điều 10.6.2.4 mô tả các phương pháp cần được sử dụng để ước tính độ lún của spread footings của cầu đặt trên đất không dính và đất dính.(8)
Mặc dù chưa được quy định rõ ràng trong AASHTO LRFD Bridge Design Specifications hiện hành, thiết kế SLS của engineered fills tuân theo cùng tiêu chuẩn chấp nhận được dùng cho nền móng cầu.(8) Cụ thể, chuyển vị ước tính không được vượt quá chuyển vị cho phép. Vì vậy, thực hành hiện nay sử dụng nhiều cách tiếp cận mô hình hóa thực nghiệm, bán thực nghiệm và số để ước tính biến dạng của nền đắp, và các tiêu chí chuyển vị cho phép được xác định dựa trên biến dạng cho phép của mố cầu, bản quá độ, mặt đường hoặc các bộ phận kết cấu khác nằm trên hoặc trong nền đắp.
2.2 Móng cầu sử dụng MSE
Các hướng dẫn cho thiết kế tĩnh của tường MSE đã được AASHTO và FHWA công bố (xem tài liệu tham khảo 8 và 35–37). Một nghiên cứu của Koerner và Soong so sánh ba phương pháp thiết kế tĩnh cho MSE: phương pháp Rankine cải biên, phương pháp FHWA và phương pháp của Hiệp hội Bê tông khối xây (National Concrete Masonry Association).(38,39) Họ nhận thấy phương pháp FHWA cho giá trị hệ số an toàn nằm giữa hai phương pháp còn lại. Các hướng dẫn thiết kế MSE dùng làm mố cầu “true MSE” cũng đã có sẵn, trong đó giới hạn độ lún của MSE không vượt quá 0.5 inch (13 mm) nếu tải trọng sử dụng nhỏ hơn 27.84 psi (192 kPa), tuy nhiên các chi tiết về các tham số ảnh hưởng đến ứng xử biến dạng vẫn còn thiếu.(21,32,37) Ngoài ra, các tham số sử dụng (ví dụ \(\phi\), lực dính c, v.v.) có thể thay đổi tùy theo phương pháp đo đạc và phương pháp thiết kế được chọn, và điều này có thể ảnh hưởng đến phân tích SLS.
Tài liệu hướng dẫn tham khảo của Viện Đường cao tốc Quốc gia FHWA (NHI) Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design and Construction Guidelines đưa ra một phương pháp thiết kế cho mố cầu MSE.(36) Bên cạnh đó, tài liệu NHI của FHWA Design of Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes—Volume I đề xuất rằng khi thiết kế mố MSE cần áp dụng các điều kiện sau:(37)
- Tolerable Angular Distortion – Biến dạng góc cho phép (tức là giới hạn lún lệch) giữa các mố hoặc giữa trụ và mố phải được khống chế không vượt quá \(0.005L_{as}\) đối với cầu nhịp đơn và \(0.004L_{as}\) đối với cầu nhiều nhịp liên tục, trong đó \(L_{as}\) là khoảng cách giữa các gối liền kề.
- Yêu cầu khoảng lùi tối thiểu 3.05 ft (1 m) từ mặt trước của tường mặt đến tim gối cầu.
- Yêu cầu khoảng cách thông thủy 6 inch (150 mm) giữa mặt sau của các khối tường mặt và mép trước của móng.
- Mố phải đặt trên lớp đệm dày 3.05 ft (1 m) bằng cấp phối đá dăm đầm chặt tại những nơi dự kiến có chiều sâu đóng băng đáng kể.
- Sức chịu tải trên khối đất gia cường phải được giới hạn ở 4 000 lb/ft² (192 kPa).
- Lực ngang lớn nhất tại mỗi cao độ cốt gia cường phải được sử dụng để thiết kế liên kết với các khối tường mặt.
- Khối lượng riêng, chiều dài và tiết diện của cốt gia cường của mố phải được kéo dài vào các tường cánh với khoảng cách ngang bằng 0.5H, trong đó H là chiều cao tường mố.
- Lực thiết kế động đất cũng phải bao gồm cả lực động đất truyền từ cầu thông qua các gối cầu không trượt tự do (ví dụ, gối đàn hồi).
Tolerable Angular Distortion – Biến dạng góc cho phép
Tolerable Angular Distortion là biến dạng góc cho phép. Trong địa kỹ thuật và kết cấu, nó thường chỉ:
mức chênh lệch độ lún giữa hai điểm, chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó, mà công trình vẫn còn chấp nhận được về mặt sử dụng và an toàn.
Công thức ý nghĩa thường là:
\[
\text{angular distortion} \approx \frac{\Delta s}{L}
\]
trong đó:
- \(\Delta s\): chênh lệch lún giữa hai điểm
- \(L\): khoảng cách giữa hai điểm đó
Nên đúng như bạn nói: nó gần như là “độ lún chênh lệch chia cho chiều dài”.
Phân biệt nhanh:
- Settlement = độ lún
- Differential settlement = độ lún lệch / chênh lệch lún
- Angular distortion = chênh lệch lún chia cho khoảng cách
- Tolerable angular distortion = giá trị angular distortion lớn nhất vẫn cho phép
2.3 Móng cầu sử dụng GRS
Tài liệu hướng dẫn tạm thời về hệ thống cầu tích hợp móng đất gia cường địa kỹ thuật (GRS-IBS) của FHWA đưa ra quy trình thiết kế hiện hành cho mố GRS.(32) Tài liệu này cho rằng các phương pháp thiết kế phù hợp với các kết cấu GRS (mố và tường cánh) có mặt tường thẳng đứng hoặc gần thẳng đứng và chiều cao không vượt quá 30 ft (9.15 m). Ứng suất tiếp xúc cho phép trên mố GRS được giới hạn với tải trọng sử dụng là 4 000 lb/ft² (192 kPa). Tài liệu khuyến cáo kỹ sư nên giới hạn chiều dài nhịp cầu khoảng 140 ft (42.7 m) vì khả năng làm việc theo SLS (như chuyển vị do nhiệt) của các nhịp lớn hơn trên GRS-IBS chưa được hiểu rõ.(32) Sức chịu tải của mố GRS phụ thuộc vào sự kết hợp giữa cường độ của vật liệu đắp và cường độ của cốt gia cường khi thi công tuân thủ hai “quy tắc” của kết cấu GRS: (1) đầm chặt tốt (95 % dung trọng khô lớn nhất, theo AASHTO T99 đối với vật liệu backfill cấp phối tốt) bằng vật liệu hạt rời chất lượng cao và (2) các lớp cốt gia cường bố trí dày, với khoảng cách không lớn hơn 12 in (304.8 mm).(16)
Các hướng dẫn thiết kế cơ bản cho móng GRS đã được công bố, trong đó nêu khoảng cách khuyến nghị cùng với chiều dài và chiều sâu các lớp cốt gia cường đối với móng trụ và mố cầu.(32,40) Các kết quả này chủ yếu dựa trên thí nghiệm tải trọng đối với móng nông đất gia cường và các thí nghiệm đánh giá khả năng làm việc (PT) trên mố cầu.(41,22,42) Tuy nhiên, các hướng dẫn thiết kế chỉ giới hạn trong phạm vi các điều kiện và tham số đã được thí nghiệm. Dù các nghiên cứu gần đây của FHWA đã bổ sung dữ liệu và đưa ra khuyến nghị về các phương pháp khống chế biến dạng đến giá trị mục tiêu, việc định lượng các biến dạng đứng và ngang hiện vẫn chủ yếu dựa trên kinh nghiệm.(42)
2.4 Các tiêu chí SLS hiện hành cho móng cầu
Nhìn chung, các tiêu chí về chuyển vị móng phải phù hợp với chức năng và loại kết cấu, tuổi thọ khai thác dự kiến, và hậu quả của các chuyển vị không chấp nhận được đối với khả năng làm việc của công trình. Các tiêu chuẩn và báo cáo do FHWA, AASHTO và một số Sở giao thông các bang ban hành đưa ra tiêu chí giới hạn độ lún của móng nông của cầu cũng như biến dạng đứng và ngang của mố và trụ cầu. Phần tiếp theo tóm tắt các tiêu chí SLS hiện hành cho móng cầu sử dụng móng nông.
Tiêu chí độ lún của móng nông của cầu
Theo Mục 11 trong AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, “Mố, trụ và tường phải được kiểm tra về chuyển vị đứng và ngang quá mức, cũng như ổn định tổng thể, tại trạng thái giới hạn sử dụng (SLS).”(8) Độ lún đứng của móng cầu có thể được biểu diễn dưới dạng angular distortion – biến dạng góc, được định nghĩa là tỉ số giữa chênh lệch lún và chiều dài nhịp. Chuyển vị không đều của móng mố và trụ có thể ảnh hưởng đến chất lượng êm thuận khi xe chạy, khả năng làm việc của hệ thống thoát nước bản mặt cầu, an toàn của người tham gia giao thông cũng như tính toàn vẹn kết cấu và thẩm mỹ của cầu. Những chuyển vị như vậy thường dẫn đến các biện pháp bảo trì, sửa chữa tốn kém.(10) Bảng 3 trình bày các tiêu chí theo nhiều báo cáo khác nhau. Ba báo cáo đưa ra cùng một tiêu chí về angular distortion đối với cầu nhiều nhịp liên tục, trong khi tiêu chí về angular distortion đối với cầu nhịp đơn thì khác nhau.
Bảng 3. Tiêu chí độ lún của móng nông của cầu.
| Khía cạnh dùng để đánh giá độ lún | Moulton et al. và Elias et al.(43,36) | Moulton et al.(44) | AASHTO LRFD Bridge Design Specifications(8) (dựa trên Moulton et al., DiMillio và Barker et al.(44,45)) |
|---|---|---|---|
| Angular distortion lớn nhất cho cầu nhiều nhịp liên tục (Maximum angular distortion for continuous span bridges) | 0.004 | 0.004 | 0.004 |
| Angular distortion lớn nhất cho cầu nhịp đơn Maximum angular distortion for simple span bridges | 0.005 | 0.007 | 0.008 |
WSDOT đưa ra các tiêu chí về chênh lệch lún và hành động tương ứng dựa trên tổng độ lún. Bảng 4 liệt kê các tiêu chí độ lún cho trụ và mố.(46)
Bảng 4. Tiêu chí độ lún của WSDOT cho trụ và mố cầu.(46)
| Tổng độ lún tại trụ hoặc mố (ΔH) | Chênh lệch Lún trên chiều dài 100 ft giữa trụ–mố và giữa các trụ (ΔH₁₀₀) | Hành động |
|---|---|---|
| ΔH ≤ 1 inch | ΔH₁₀₀ ≤ 10.75 inches | Thiết kế và thi công móng cầu, vì đã thỏa mãn các tiêu chí. |
| 1 inch < ΔH ≤ 4 inches | 0.75 inches < ΔH₁₀₀ ≤ 3 inches | Bảo đảm kết cấu có thể chịu được độ lún này. |
| ΔH > 4 inches | ΔH₁₀₀ > 3 inches | Phải xin chấp thuận* trước khi tiếp tục thiết kế và thi công. |
1 ft = 0.305 m
1 inch = 25.4 mm
*Cần có sự chấp thuận của Kỹ sư Địa kỹ thuật Bang WSDOT và Kỹ sư Thiết kế Cầu WSDOT.
Chương 10 của Bridge Design Guidelines do Sở Giao thông Arizona (ADOT) ban hành nêu:
“Người thiết kế cầu phải khống chế tổng độ lún của một móng trên mỗi nhịp 30 m (100 ft) không vượt quá 13 mm (0.5 in). Có thể nội suy tuyến tính cho các chiều dài nhịp khác. Giới hạn tổng độ lún lớn hơn có thể được dùng nếu kết cấu phần trên được thiết kế đầy đủ để chịu các độ lún đó. Người thiết kế cũng phải kiểm tra các yếu tố khác như độ êm thuận khi xe chạy và tính thẩm mỹ. Bất kỳ tổng độ lún nào lớn hơn 2.5 in trên mỗi nhịp 30 m (100 ft) đều phải được Nhóm Thiết kế Cầu của ADOT chấp thuận.”(47)
Thông qua phân tích chuyển vị cho phép của 148 cầu đường bộ dùng spread footing trên lớp đắp đầm chặt trên toàn bang Washington, một báo cáo của FHWA kết luận rằng các cầu này đã dễ dàng chịu được chênh lệch lún từ 1 đến 3 inches (25.4 đến 76.2 mm) mà không bị hư hại nghiêm trọng.(2) Dựa trên khảo sát hiện trường của 314 cầu và các phân tích lý thuyết, Moulton và cộng sự nhận thấy các cầu làm việc đạt yêu cầu có độ lún trung bình khoảng 2 inches (50.8 mm).(43)
Tiêu chí biến dạng ngang cho phép đối với móng cầu
Biến dạng ngang gây ra các vấn đề nghiêm trọng và phổ biến hơn cho kết cấu cầu đường bộ so với các chuyển vị đứng có cùng biên độ.(10) Dữ liệu của Moulton và cộng sự cũng cho thấy chuyển vị ngang gây hư hại nhiều hơn khi đi kèm với độ lún so với khi chỉ xảy ra riêng lẻ.(44) Khả năng kết cấu phần trên chịu chuyển vị ngang (theo phương ngang cầu) phụ thuộc vào bề rộng gối hoặc khe co giãn, loại gối cầu, dạng kết cấu và cách phân bố tải.
Moulton và cộng sự nhận thấy chuyển vị ngang nhỏ hơn 1 inch (25.4 mm) hầu như luôn có thể chấp nhận được, trong khi chuyển vị ngang lớn hơn 2 inches (50.8 mm) thường được xem là không thể chấp nhận.(44) Wahls nhận xét: “Chuyển vị ngang vượt quá 2 inches (50 mm) có khả năng gây hư hỏng kết cấu.”(48) Moulton và cộng sự khuyến nghị giới hạn chuyển vị ngang không quá 1.5 inches (38.1 mm).(40) Tương tự, các khảo sát về khả năng làm việc của cầu do Bozozuk, Walkinshaw và Wahls thực hiện cũng cho thấy chuyển vị ngang của mố nhỏ hơn 1.5 inches (38.1 mm) nhìn chung có thể được kết cấu phần trên của cầu chịu được mà không bị hư hại đáng kể.(49–51)
Mặt khác, mố cầu thường được thiết kế theo trạng thái áp lực đất ngang chủ động, trong đó cần một mức chuyển vị nhất định. Tùy thuộc cấu hình nhịp cuối cầu và các khe co giãn, chuyển vị ngang của mố có thể bị khống chế. Tuy nhiên, việc khống chế như vậy có thể làm gia tăng áp lực đất ngang vượt quá áp lực đất chủ động thông thường dùng trong thiết kế. Samtani và Nowatzki khuyến nghị rằng: “Thiết kế các khe co giãn phải cho phép đủ chuyển vị để giữ áp lực đất ở gần hoặc bằng giá trị thiết kế, đồng thời vẫn bảo đảm các khe làm việc tốt trong mọi điều kiện nhiệt độ.” (Chương 8, tr. 69)(18)
Tiêu chí biến dạng cho phép đối với móng cầu gia cường
Tường MSE có thể chịu được tổng độ lún đứng và độ chênh lệch lún lớn hơn so với tường cứng. Mức tổng độ lún đứng và độ chênh lệch lún có thể chấp nhận được phụ thuộc vào vật liệu mặt tường, cấu hình và thời điểm thi công mặt tường.(8) AASHTO nêu rằng không nên bố trí mố cầu trên tường MSE nếu angular distortion dự kiến lớn hơn 50 % giá trị khuyến nghị của Moulton và cộng sự trong bảng 3.(52,44) Đối với mố GRS, biến dạng đứng phải được khống chế không vượt quá 0.5 %, trừ khi kỹ sư quyết định cho phép biến dạng lớn hơn, và biến dạng ngang phải được khống chế không vượt quá 1 %. (32)
Hỗ trợ duy trì trang:
Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.
Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.