Hiện nay, nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu bên dưới đường đầu cầu được sử dụng như làm tăng nhanh quá trình cố kết trong nền đất bằng bấc thấm hoặc giếng cát kết hợp gia tải trước; gia cố nền đất yếu bằng cọc đất trộn xi măng, cọc cát đầm, hoặc cọc đá. Tuy nhiên, các phương pháp này đòi hỏi đội ngũ kỹ sư phải có nhiều kinh nghiệm, máy móc thiết bị hiện đại, tiêu tốn phần lớn kinh phí và thời gian thi công của công trình. Việc sử dụng vật liệu nhẹ EPS (Expanded PolyStyrene) Geofoam cho các công trình giao thông đã được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng; có thể giải quyết hàng loạt nhược điểm của các giải pháp truyền thống trong xây dựng đường đầu cầu.
EPS Geofoam (gọi tắt là Geofoam) là vật liệu nhựa tổng hợp từ polystyrene, xốp nhẹ, có khối lượng riêng thường sử dụng 12 – 35kg/m3, nhỏ hơn từ 30 đến 100 lần so với các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất, sét,… EPS Geofoam làm giảm đáng kể tải trọng truyền xuống nền đường bên dưới, làm giảm độ lún nền đường; được ứng dụng rộng rãi cho đa dạng công trình xây dựng như làm vật liệu đắp nền đường ô tô, đường sắt, đường đầu cầu, thân đê bao, nền móng nhà,… Geofoam được ứng dụng xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu bằng cách đặt trực tiếp lên nền đất mà không cần phải xử lý nền. Quá trình thi công để nâng cao mặt đường chỉ sử dụng nhân công vận chuyển và lắp đặt bằng thủ công, không cần sử dụng các loại thiết bị đặc biệt, rút ngắn thời gian thi công.
Tuy nhiên, công nghệ xây dựng dùng vật liệu nhẹ Geofoam chưa được nghiên cứu và chưa có ứng dụng thành công vào thực tiễn xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam. Vì vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu Geofoam, phương pháp luận thiết kế Geofoam cho đường đầu cầu, phương pháp xây dựng, phương pháp kiểm tra chất lượng, phương pháp nghiệm thu công trình,… Qua đó chứng minh tính khả thi của vật liệu nhẹ Geofoam và đưa ra phương pháp luận ứng dụng Geofoam trong việc xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu một cách hệ thống phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu đã đưa ra bao quát các đặc trưng tính chất cơ-lý-hóa của vật liệu Geofoam sản xuất ở Việt Nam. Tính chất cơ-lý-hóa của Geofoam được xác định thông qua việc thực hiện các thí nghiệm tiêu chuẩn ASTM trong 203 ngày với hơn 140 mẫu được tạo ra trong phòng từ 9 loại Geofoams sản xuất trong nước. Các thí nghiệm UCS, khả năng hấp thụ nước, thoát nước của Geofoam, khả năng hòa tan trong dung môi gốc dầu hỏa, khả năng cháy đã được thực hiện và cho các kết luận sau:
(1) Cường độ nén nở hông tự do (qu) ở từng cấp biến dạng tăng theo khối lượng riêng và tăng tuyến tính ở biến dạng dưới 1,14%.
(2) qu đạt từ 31,6 - 122,8kPa ở tốc độ nén 1mm/phút và 36,4 - 141,2kPa ở tốc độ nén 2,5mm/phút theo khối lượng riêng từ 12,1 - 28,6kg/m3.
(3) Geofoam có khả năng tự phục hồi khi gia tải và dỡ tải trong giai đoạn đàn hồi.
(4) Biến dạng lúc phá hoại của mẫu Geofoam ở khoảng 1,14 - 1,78%.
(5) Mô đun đàn hồi ban đầu (Ei) đạt từ 1,98 - 9,95 MPa ở tốc độ nén 1mm/phút và 2,29 - 10,88 MPa ở tốc độ nén 2,5mm/phút theo khối lượng riêng từ 12,1 - 28,6kg/m3.
(6) Mô đun đàn hồi khi dỡ tải (Eu) đạt từ 1,85 - 8,51 ở tốc độ nén 1mm/phút và 2,10 - 9,41 MPa ở tốc độ nén 2,5mm/phút.
(7) Hệ số Poisson (ν) của Geofoam có khối lượng riêng từ 12,1 - 28,6kg/m3 từ 0,06 - 0,14, nhỏ hơn so với các vật liệu đắp truyền thống như cát, đất đắp và sét.
(8) Geofoam hấp thụ hơn 60% lượng nước trong 7 ngày đầu, hấp thụ hơn 90% lượng nước trong 35 ngày kế tiếp, và dưới 10% lượng nước hấp thụ ở thời gian còn lại.
(9) Geofoam có khả năng hấp thụ nước kém, % thể tích nước hấp thụ từ 0,4 - 3,2% thể tích của mẫu, khối lượng riêng (ρ) sau khi hấp thụ nước tăng từ 1,3 - 3,7 lần.
(10) Geofoam là vật liệu có khả năng thoát lượng nước đã hấp thụ nhanh, hơn 90% lượng nước đã hấp thụ thoát ra trong 3 ngày.
(11) Geofoam bị hòa tan nhanh trong xăng, dầu hỏa và không bị hòa tan trong dầu nhớt.
(12) Geofoam là vật liệu dễ cháy khi tiếp xúc trực tiếp với lửa.
(13) Geofoam sản xuất trong nước phù hợp để ứng dụng xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu.
Nhóm nghiên cứu cũng đưa ra phương án thiết kế đường đầu cầu trên nền đất yếu bằng Geofoam: kích thước cao 2,5m, rộng 3m, dài 25m với độ dốc dọc 10% trên nền đất yếu tại Khu Công nghiệp Hiệp Phước, xã Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, TP.HCM. Đường đầu cầu được thiết kế gồm 2 phần: phần đường dẫn được đắp bằng cát cao 1m, dài 10m, phía trên bố trí thép tấm dày 6mm; phần đường đắp bằng Geofoam khối lượng riêng 19,3kg/m3 cao 2,5m, chiều dài 1m, mặt đường phía trên được thiết kế bằng tấm bê tông cốt thép M300, dày 0,2m. Xung quanh đường đầu cầu thiết kế tường chắn kết cấu thép để bảo vệ Geofoam.
Theo đó, nền đường trong giai đoạn thi công và khai thác đều đảm bảo yêu cầu khả năng chịu tải theo 22TCN 262-2000. Tải trọng tác dụng lên Geofoam nhỏ hơn cường độ nén của Geofoam với hệ số an toàn FS > 1,2 (Leshchinsky et al. 2004, Stark et al. 2004), đảm bảo khả năng chịu tải và biến dạng nằm trong giai đoạn đàn hồi của vật liệu. Phương án thiết kế đường đầu cầu bằng Geofoam đảm bảo yêu cầu về độ lún tức thời khi có hoạt tải xe và độ lún cố kết cho phép của nền đường trong chu kỳ 15 năm theo 22TCN 262-2000. Khả năng ổn định tổng thể của đường đầu cầu đảm bảo theo 22TCN 262-2000 với hệ số an toàn FS > 1,4; đảm bảo ổn định đẩy nổi với hệ số an toàn FS > 1,2.
Mô hình thi công thử nghiệm đường đầu cầu bằng vật liệu Geofoam cũng được thực hiện tại Khu Công nghiệp Hiệp Phước, xã Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, TP.HCM. Kết quả cho thấy, Geofoam có khối lượng riêng 21kg/m3 sản xuất trong nước phù hợp để ứng dụng xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu. Chuyển vị đứng tức thời tại mặt đường và Geofoam dưới tải trọng bánh xe từ 0 - 6mm; chuyển vị theo phương ngang của tường chắn hầu như không xảy ra trong quá trình cho xe thử tải di chuyển lên xuống. Áp lực do bánh xe của tải trọng trục sau gây ra 32,98 kPa lớn hơn giá trị hoạt tải gây ra giữa 2 trục xe 31,41 kPa. Áp lực do tĩnh tải gây ra ở tim đường Sensor 4 và 2 lớn hơn áp lực gây ra ở mép đường Sensor 5 và 1. Áp lực do bánh xe khi truyền qua tấm bê tông cốt thép thực tế đo được giảm khoảng 11 lần so với tính toán. Áp lực do hoạt tải được phân bố đều trên bề mặt Geofoam sau khi truyền qua tấm bê tông và có giá trị giảm dần theo chiều sâu.
Hiện nay, các công trình cầu đường với yêu cầu đẩy nhanh tiến độ thi công, đặc biệt là các công trình trong nội thành có mật độ giao thông lớn cần rút thời gian xây dựng khá phổ biến ở TP.HCM. Kết quả nghiên cứu của đề tài có khả năng ứng dụng rất cao bởi vật liệu nhẹ. Geofoam hoàn toàn có thể sản xuất trong nước theo yêu cầu của đơn đặt hàng về các thông số kỹ thuật và khối lượng; công tác thi công đơn giản và nhanh chóng, không yêu cầu cao về thiết bị thi công. Ngoài ra, quy trình công nghệ ứng dụng Geofoam cũng được xây dựng hoàn chỉnh nhằm hướng dẫn thiết kế, thi công, kiểm tra chất lượng, và nghiệm thu đường đầu cầu bằng vật liệu nhẹ EPS Geofoam không xử lý nền đất yếu. Định mức – đơn giá phục vụ công tác phân tích dự toán xây dựng cơ bản khi ứng dụng Geofoam, đơn giá thị trường đã được xác định, cạnh tranh, có khả năng giảm giá nếu được ứng dụng với khối lượng lớn.
Đây là cơ sở khoa học quan trọng giúp các chủ đầu tư (các sở Giao thông Vận tải TP.HCM và các tỉnh, các ban quản lý dự án, đơn vị tư vấn thiết kế, hay các nhà đầu tư tư nhân) tự tin áp dụng rộng rãi vật liệu nhẹ Geofoam trong xây dựng đường đầu cầu trên đất yếu. Geofoam sẽ trở thành vật liệu mới ưu tiên trong xây dựng các công trình cầu đường ở TP.HCM.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI).
Lam Vân (CESTI)