KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
17
BÀI BÁO KHOA HỌC
ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẤT ĐẮP ĐẾN ỨNG XỬ CỦA VÒM VÙI
BẰNG BÊ TÔNG ĐÚC SẴN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA XE TẢI
Nguyễn Văn Toản
1
, Lê Bá Khánh
2
Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, ứng xử của kết cấu vòm vùi trong đất bằng bê tông đúc sẵn dưới tác
động của xe tải thiết kế đã được nghiên cứu, dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Một mô hình phần
tử hữu hạn ba chiều của kết cấu vòm vùi bằng bê tông đúc sẵn dạng mô-đun đã được thiết lập tỉ mỉ có
xét đến liên kết và tiếp xúc bề mặt của các phân đoạn vòm và tương tác giữa đất-kết cấu bê tông. Ứng
xử của kết cấu vòm đã được xem xét và so sánh đến sự ảnh hưởng loại kết cấu áo đường, số làn xe, và
khoảng cách trục xe. Những phát hiện chính chỉ ra rằng ứng xử của kết cấu vòm là khác nhau phụ thuộc
nhiều vào sự bố trí xe tải thiết kế và độ cứng kết cấu áo đường khác nhau mà ít phụ thuộc vào hiệu ứng
của tải trọng xe trên nhiều làn xe. Bên cạnh đó, phạm vi lan truyền áp lực dưới bánh xe không chỉ phụ
thuộc vào độ lớn của tải trọng trục xe, mà còn phụ thuộc vào độ cứng của kết cấu áo đường. Kết cấu áo
đường bê tông xi măng (BTXM) cho phép phân tán áp lực bánh xe lên đất đắp được tốt hơn so với kết
cấu áo đường bê tông nhựa (BTN). Do đó, mức độ gia tăng chuyển vị vòm với mặt đường BTN là cao
hơn so với mặt đường BTXM.
Từ khoá: Kết cấu vòm vùi, tiếp xúc bề mặt, tương tác đất-kết cấu, phương pháp phần tử hữu hạn, tải
trọng xe, kết cấu áo đường.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
*
Cầu vòm ngầm mô-đun (modular underground
arch bridges) hay cầu vòm vùi bằng bê tông đúc
sẵn (buried precast arch bridges) và cống vùi bằng
bê tông đúc sẵn (buried precast arch culverts) là
những dạng điển hình của kết cấu vòm vùi bằng
bê tông đúc sẵn (buried precast arch structures,
BPAS) (Nguyen et al., 2021). Từ những ưu điểm
về kỹ thuật, BPAS đã và đang có xu hướng được
ứng dụng rộng rãi và đa dạng cho nhiều mục đích
xây dựng khác nhau. Có thể được kể đến như: hạ
tầng dành cho xe cộ, máy bay và người đi bộ; để
tạo cảnh quan thiên nhiên; thoát nước, phục vụ kết
nối giao thông dân sinh, thoát nước và mục đích
quốc phòng, an ninh.
Việc nghiên cứu đánh giá kết cấu vòm vùi bê
tông đúc sẵn bởi tác động của động đất đã được
quan tâm đáng kể (Nguyen et al., 2022). Tuy
nhiên, số lượng ít các nghiên cứu quan tâm đến
1
Bộ môn Kỹ thuật Công trình, Phân hiệu Trường Đại học
Thủy lợi
2
Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Đại học Bách khoa TP. Hồ
Chí Minh
ứng xử của kết cấu vòm vùi dưới hoạt tải phương
tiện giao thông khai thác phía trên, mà tập trung
đánh giá kết cấu cống hộp (Orton Sarah et al.,
2015; Seo et al., 2017). Ngoài ra, số ít nhà nghiên
cứu đã phần nào đánh giá và chứng minh sự phân
tán của tải trọng xe trên nền đắp lên cống hộp
bằng nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số,
như là các giải pháp tiếp cận phân tích phổ biến
(Orton Sarah et al., 2015; Seo et al., 2017). Bằng
nghiên cứu thực nghiệm hiện trường, Orton nnk.
(Orton Sarah et al., 2015) đã xem xét thử nghiệm
hiện trường 10 cống hộp bê tông cốt thép hiện có
với độ sâu đắp từ 0,76 m đến 4,1 m. Ảnh hưởng
của hoạt tải lên kết cấu cống hộp có xu hướng
giảm khi gia tăng bề dày lớp đất đắp phía trên;
thêm vào đó, tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2012
bảo thủ trong việc dự đoán biến dạng/chuyển vị so
với dữ liệu thực địa đối với bề dày đắp dưới 2,4 m
(Orton Sarah et al., 2015).
Với cống hộp, bề dày lớp vật liệu phủ và chiều
dài bản chuyển tiếp bê tông cốt thép ảnh hưởng
đến ứng xử của mặt đường (Seo et al., 2017). Việc
kể đến độ cứng của mặt đường có thể làm tăng
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
18
mức ảnh hưởng tải trọng cho cả mặt đường nhựa
có độ dày trung bình và mặt đường bê tông, cho
cả cống hộp có xe chạy trực tiếp lên bản nắp cống
và cống hộp có bề dày lớp phủ nhỏ (Seo et al.,
2017). Mặc dù vậy, các nghiên cứu này (Seo et
al., 2017) vẫn tồn tại một số điểm hạn chế như sử
dụng mô hình giản lược hai chiều, kể đến như mô
hình đàn hồi tuyến tính cho vật liệu (linear-
elastic behavior) và không xem xét đến diện tích
vệt bánh xe với tải trọng trục xe. Việc đánh giá
tối ưu hóa hiệu suất kết cấu của đường cống vùi
bê tông cốt thép chôn trong đất kém dính cũng đã
được quan tâm bằng phân tích tham số trong mô
hình phần tử hữu hạn (Alshboul et al., 2022).
Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ đánh giá với dạng
cống tròn, đường kính bé (dưới 1,5 m) và không
xét đến ảnh hưởng của tải trọng xe. Các nghiên
cứu về dạng cống vòm, cống có kết cấu mô-đun
vẫn còn chưa được đánh giá một cách đầy đủ. Do
đó, việc nghiên cứu ứng xử của kết cấu vòm vùi
bê tông đúc sẵn bởi tác động của xe cộ trở thành
một vấn đề đang được quan tâm của các nhà
nghiên cứu trên thế giới.
Nghiên cứu này trình bày phương pháp tiếp
cận để phân tích ứng xử của kết cầu vòm vùi bằng
bê tông đúc sẵn chịu tác động của xe tải thiết kế
bên trên bằng phân tích mô hình phần tử hữu hạn
ba chiều. Đầu tiên xây dựng mô hình PTHH ba
chiều kết cấu làm việc đồng thời với nền, sau đó
tiến hành phân tích ứng xử của kết cấu dưới tác
động của tải trọng xe bên trên thông qua môi
trường đất và đưa ra những kết luận quan trọng có
giá trị khoa học và thực tiễn.
2. BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU
2.1. Sơ đồ kết cấu vòm vùi phân tích
Một kết cấu công trình cầu vòm vùi BPAS có
đường xe chạy trên với các kích thước hình học
được trình bày trong Hình 1 (Nguyen et al., 2021),
được mô phỏng số với phần tử gạch tám nút
(C3D8 element) bằng cách sử dụng phần mềm
ABAQUS (Abaqus, 2020). Tổng chiều dài vòm
(nửa đường tròn) bao gồm tường cánh là 8,75 m,
đủ bề rộng để bố trí hai làn xe chạy bên trên;
đường kính ngoài là 10,5 m và bề dày là 0,25 m;
đường kính trong là 10 m, đủ bề rộng để thiết kế
hai làn xe chạy qua bên dưới. Theo chiều dài vòm,
kết cấu vòm được lắp ghép từ hai loại đơn nguyên
có bề rộng bằng 1,25 m và 0,625 m. Phần kết cấu
móng được đặt lên lớp đất nền á sét dày 6 m nằm
trên nền đá gốc. Đất đắp vòm bằng á cát có tổng
chiều cao đắp là 7 m trực tiếp lên vòm. Giả thiết
bề dày phần kết cấu áo đường của đường xe chạy
trên là 0,5 m. Do đó, tổng bề dày các tầng phủ lên
kết cấu vòm tại đỉnh vòm là 2,25 m; nếu không kể
đến bề dày phần kết cấu áo đường là 1,75 m.
2.2. Mô hình vật liệu
Bê tông sử dụng cho BPAS được mô hình hóa
trong ABAQUS. Việc xem xét tính phi tuyến của
bê tông bằng cách sử dụng mô hình phá hoại dẻo
(concrete damaged plasticity model) để đánh giá
về phá hoại của kết cấu vòm là cần thiết. Mô hình
này có thể mô phỏng phá hoại nứt của kết cấu bê
tông. Bê tông mác M40 (có cường độ chịu nén và
chịu kéo lần lượt là f’c = 40 Mpa và f
t
= 4 MPa)
được sử dụng cho kết cấu vòm và tường cánh; bê
tông mác M30 (có cường độ chịu nén và chịu kéo
lần lượt là f’c = 30 Mpa và f
t
= 3 MPa) được sử
dụng cho kết cấu móng. Chi tiết về mô hình hóa
bê tông được trình bày bởi Nguyễn V-T nnk.
(Nguyen et al., 2021).
Hình 1. Sơ đồ cầu vòm vùi nghiên cứu
Vật liệu đắp xung quanh kết cấu vòm có tính
chất đối xứng. Để không mất tính tổng quát của
bài toán kết cấu vùi, mô hình sử dụng lớp đắp
nông trên đỉnh của vòm phân đoạn (tổng bề dày
vật liệu đắp bao gồm kết cấu áo đường là 2,25 m
< 2,4 m). Các đặc tính của đất được xem xét
trong mô hình phân tích phần tử hữu hạn (finite
element analysis, FEA) của BPAS được đưa ra
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
19
về khả năng khái quát hóa của đất (Nguyen et
al., 2021). Đáng chú ý, đây là các giá trị chung
cho các loại đất áp dụng cho công trình BPAS,
bao gồm cả nền đất sét thường và đất đắp cát
pha chất lượng cao. Các dạng hình học của mô
hình đất FEA (xem Hình 1) dựa trên mô hình
dẻo Mohr–Coulomb, cho phép các ứng xử tăng
bền (Nguyen et al., 2021).
Giả thiết tổng quát kết cấu áo đường dự kiến có
bề dày là 50 cm. Các quy định và chỉ dẫn kỹ thuật
của kết cấu áo đường mềm và kết cấu áo đường
cứng dựa trên lần lượt là TCCS 38:2022
(TCCS38:2022/TCĐBVN, 2022) và TCCS
40:2022 (TCCS40:2022/TCĐBVN, 2022), được
áp dụng làm cơ sở cho việc lựa chọn cấu trúc và
vật liệu của các lớp thành phần. Hai phương án về
kết cấu áo đường [kết cấu áo đường mềm bằng bê
tông nhựa (BTN) và kết cấu áo đường cứng bằng
bê tông xi măng (BTXM)] được đề xuất như Hình
2. Đây là các đề xuất mang tính tổng quát và phổ
biến cho các loại kết cấu áo đường tại Việt Nam.
Lớp BTN nhựa chặt và BTXM giả thiết là các lớp
vật liệu làm việc liền khối, được mô hình hóa với
ứng xử của vật liệu đàn hồi.
Hình 2. Sơ đồ các trường hợp kết cấu áo đường cấu tạo bởi các lớp thành phần:
(a) áo đường mềm bằng bê tông nhựa; (b) áo đường cứng bằng bê tông xi măng
2.3. Tải trọng xe lên đường xe chạy trên
Trong nghiên cứu này, tải trọng xe được xem
xét như là tải trọng tĩnh; điều này có nghĩa là
không xem xét các yếu tố rung động, lực phát sinh
trong quá trình chuyển động của xe. Tải trọng của
xe được xây dựng trong mô hình phân tích thông
qua sơ đồ phân bố tải trọng của các trục xe tải
thiết kế và vệt bánh xe tương ứng (Hình 3)
(AASHTO, 2017). Diện tích tiếp xúc của lốp xe
(vệt bánh xe) của một cụm bánh xe (có một hay
hai lốp) được giả thiết là một hình chữ nhật
51×25cm [có chiều rộng là 51 cm (theo phương
ngang xe) và chiều dài là 25 cm (theo phương dọc
xe)]. Khi đó, áp suất lốp xe phân bố đều trên diện
tích tiếp xúc. Độ lớn của áp lực phụ thuộc vào giá
trị của tải trọng trục xe phân bổ lên cụm bánh.
Trong trường hợp, mặt cầu bản trực hướng và
lớp phủ mặt cầu bản trực hướng, các bánh xe
của trục trước được giả thiết là một hình chữ
nhật đơn 25×25 cm. Trong trường hợp hai làn
xe, các xe tải được đặt cùng chiều; khoảng cách
hai hàng bánh gần nhau nhất của hai xe là 1,2
m. Tất cả các điều khoản liên quan được đáp
ứng theo quy định của tiêu chuẩn hiện hành
(AASHTO, 2017). Khoảng cách của trục trước
và trục sau thứ nhất là 4,3 m; trong khi, khoảng
cách từ trục sau thứ nhất đến trục sau thứ hai có
thể điều chỉnh trong phạm vi từ 4,3 m đến 9,0
m. Để đánh giá ứng xử của kết cấu vòm, phân
tích theo nhiều trường hợp, bước tải trọng, và tổ
hợp tải trọng của BPAS đã được tiến hành
(Bảng 1).
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
20
Hình 3. Sơ đồ phân bố tải trọng của các trục xe tải thiết kế và vệt bánh xe tương ứng:
(a) Sơ đồ xe tải thiết kế theo phương dọc xe; (b) Sơ đồ xe tải thiết kế theo phương ngang;
(c) Sơ đồ vệt bánh xe (AASHTO, 2017).
Bảng 1. Ma trận các trường hợp nghiên cứu
Kết cấu áo đường
Số làn xe Bê tông nhựa chặt Bê tông xi măng
Một làn xe Trường hợp 1 (BTN-1lane) Trường hợp 2 (BTXM-1lane)
Hai làn xe Trường hợp 3 (BTN-2lane) Trường hợp 4 (BTXM-2lane)
3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ
Ảnh hưởng của xe lên kết cấu vùi bên dưới phụ
thuộc vào vị trí đứng của xe trên kết cấu (Park et
al., 2015). Do đó, nếu tốc độ chuyển động của xe
đủ bé để thời gian truyền tải trọng xe lên hệ kết
cấu vòm đủ lớn. Khi đó bài toán trở nên đơn giản
hơn và có thể xem xét như các trường hợp tác
động tĩnh rời rạc. Hình 4 minh họa dạng chuyển vị
của vòm theo ba phương (phương ngang, phương
dọc và phương đứng) của vòm. Kết quả phân tích
thu được tương đồng với phát hiện và ghi nhận
trong báo cáo nghiên cứu trước đây (Miyazaki et
al., 2021; Sawamura et al., 2019). Có thể thấy
đỉnh vòm, đặc biệt là khu vực gần cửa vòm là
vùng có chuyển vị lớn nhất tức là nguy cơ chịu
tổn thương nhiều nhất so với các vị trí khác của
vòm khi chịu tác động của xe. Xét riêng ở phần
đỉnh vòm, vùng đỉnh vòm ở cửa vòm dễ bị bong
tróc và phá hoại hơn so với phần giữa vòm. Do
đó, vùng cửa vòm được nhận định là vùng xung
yếu nhất. Phần chân vòm tương đối ổn định. Vùng
thân giữa vòm có xu thế bị phình ra hai bên theo
phương ngang vòm khi chịu tải từ phía trên. Tuy
nhiên, phần chuyển vị ngang này không đáng kể
nhờ hiệu ứng của đất đắp xung quanh chắn giữ.
Từ đó, có thể giảm được mô-men uốn phát sinh
trong vòm.
Hình 5 thể hiện chuyển vị lớn nhất của vòm
dưới tác động của các kịch bản bố trí xe tải
thiết kế có xét đến kết cấu áo đường khác nhau.
Giới hạn chuyển vị đối với kết cấu vòm vùi
được khuyến nghị là bắt buộc ở các khu vực đô
thị (AASHTO, 2017). Tuy nhiên, vẫn chưa có
giá trị tham chiếu cụ thể cho giới hạn chuyển vị
của BPAS; do đó, chúng tôi đã xác định
ngưỡng chuyển vị cho phép đối với BPAS là tỷ
lệ nhịp vòm trên 500 mm. Trong trường hợp
nghiên cứu này, giới hạn chuyển vị là
10000/500 = 20 mm. Chuyển vị của BPAS
trong tất cả trường hợp của tổ hợp của tĩnh tải
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
21
và xe tải chỉ đạt dưới 50% ngưỡng chuyển vị
cho phép. Có thể thấy rằng, chuyển vị của vòm
chỉ phụ thuộc đáng kể vào mức độ tập trung tải
trọng lên trên đỉnh vòm mà ít phụ thuộc vào
nhiều làn xe chất tải. Nói cách khác, hiệu ứng
của tải trọng xe trên nhiều làn xe không gây ra
sự gia tăng chuyển vị đáng kể cho vòm dạng
mô-đun.
(e)
Hình 4. Sơ đồ biến dạng của vòm theo các phương: (a) phương ngang vòm, X;
(b) phương thẳng đứng, Y; (c) phương dọc vòm, Z, trường hợp một làn xe; (d) phương dọc vòm, Z,
trường hợp hai làn xe; (e) sơ đồ biến dạng tổng thể của vòm trên mặt cắt ngang
Tỷ lệ chênh lệch chuyển vị cao nhất và thấp
nhất trong các trường hợp có xe so với trường hợp
không xe lần lượt là 18,9% (trường hợp hai làn xe
chất tải, khoảng cách hai trục sau là 4,3 m, trên
mặt đường BTN) và 4,2% (trường hợp một làn xe
chất tải, khoảng cách hai trục sau là 9 m, trên mặt
đường BTXM). Mức độ gia tăng chuyển vị trung
bình với mặt đường BTN là cao hơn so với mặt
đường BTXM (15,0% so với 9,2%). Cho thấy, ảnh
hưởng của tải trọng xe bên trên lên kết cấu vòm
vùi bên dưới có xu thế cao hơn đối với kết cấu áo
đường mềm hơn (BTN so với BTXM). Điều này
bởi vì kết cấu áo đường cứng hơn (BTXM) có khả
năng chuyển tiếp và phân tán tải trọng xe dưới vị
trí bánh xe lên phần đất đắp trên một phạm vi rộng
hơn; có nghĩa là áp lực lên một đơn vị diện tích
ngay dưới kết cấu áo đường sẽ thấp hơn so với kết
cấu áo đường mềm hơn (BTN).
Hình 5. Chuyển vị lớn nhất của vòm dưới
tác động của các kịch bản xe tải thiết kế có
xét đến kết cấu áo đường khác nhau