Địa chất thi công - Chương 1: Mở đầu

ý nghĩa công tác xây dựng cầu - Đ−a công trình vμo sử dụng, phục vụ mục đích kinh tế, chính trị, quốc phòng. - Công tác xây dựng tốt sẽ hiệu quả ngay trong khâu thi công. Cụ thể: + Thi công nhanh sẽ hoμn vốn nhanh. + Tiết kiệm vật liệu, nhân lực, máy móc. + Chất l−ợng công trình cao. lịch sử phát triển xây dựng cầu trên thế giới vμ trong n−ớc trên thế giới - Cầu lμ một công trình nhân tạo nên lịch sử phát triển của nó gắn liền với lịch sử phát triển của xã hội loμi ng−ời. Chính vì vậy công trình cầu có từ rất cổ x−a. Cùng với sự phát triển của xã hội loμi ng−ời, kỹ thuật xây dựng cầu dần dần đ−ợc hoμn thiện qua quá trình lao động sáng tạo của con ng−ời từ tr−ớc cho tới nay. Hình 1: Hình cảnh các chiếc cầu dầm còn sơ khai Hình 2: Hình cảnh sơ khai chiếc cầu phao - Thời kỳ Công nguyên, cầu gỗ vμ đá lμ chủ yếu. Hình 4: Cầu Gard (Pháp) xây dựng thế kỷ 13 TCN Hình 3: Cầu Stonebridge (Yemen) - Thời kỳ chiếm hữu nô lệ, cầu cũng bằng gỗ, đá nh−ng đã v−ợt nhịp lớn hơn. Thời kỳ La Mã cổ đại, chủ yếu lμ cầu gỗ có dạng cầu dầm, cầu vòm. Sau đó với nhiều kinh nghiệm hơn, ng−ời ta đã xây dựng các công trình bằng đá v−ợt nhịp lớn hơn nh− cung điện, đền đμi,...Đến thời kỳ La Mã giao thông khá phát triển vμ có rất nhiều cầu đá, đặc biệt lμ cầu có hình vòm bán nguyệt. Hình 5: Cầu Ponte Della (Italia) Hình 6: Cầu Kintailkyo (Nhật) Hình 7: Cầu An tế (Trung Quốc) năm 605 Hình 8: Các cầu Florence (Italia) - Thời kỳ phong kiến, do tính chất nền kinh tế tự cung tự cấp cùng với sự cản trở tôn giáo nên ngμnh giao thông trong đó có công trình cầu hầu nh− không phát triển gì. Đến giai đoạn cuối cùng của chế độ phong kiến do có sự buôn bán trao đổi hμng hoá vμ chiến tranh nên công trình cầu đ−ợc xây dựng nhiều. Nói chung các kết cấu cầu thời kỳ nμy vẫn còn đặc điểm t−ơng tự các kiểu cầu thời kỳ La Mã nh− nhịp ngắn, trụ lớn. Hình 9: Cầu Busy ở Turin (Italia) - Thời kỳ thủ công nghiệp t− bản chủ nghĩa phát triển từ giữa thế kỷ 16 dẫn đến sự biến đổi lớn về khoa học kỹ thuật. Trong những công trình đặc sắc phải kể đến công trình của anh em nhμ Gubenman (Thuỵ Sỹ) lμm năm 1757 có nhịp dμi 29m qua sông Limat, cầu qua sông Rhin có 2 nhịp 59m vμ trên sông Limat cũng có cầu với nhịp 119m. Đó lμ những chiếc cầu dμi nhất từ tr−ớc tới nay. Cầu đá cũng có những tiến bộ mới nh− kích th−ớc giảm xuống, bề rộng lớn hơn. Kết cầu vòm đ−ợc xây dựng dạng mới hình ellip nh− cầu Pont neuf. Hình 10: Cầu Pontneuf (Pháp) dạng vòm ngắn - Cuối thế kỷ 18, nền đại công nghiệp t− bản chủ nghĩa phát triển mạnh với các ngμnh luyện kim, chế tạo máy móc, khoa học kỹ thuật, các ph−ơng tiện giao thông mới ra đời nh− đ−ờng sắt, đ−ờng thuỷ. Với các ph−ơng pháp thí nghiệm mới, lý luận về sức bền vật liệu, cơ học kết cấu, nhiều hệ thống cầu mới xuất hiện với nhịp lớn hơn vμ chịu tải trọng lớn hơn nhiều. ở thời kỳ nμy đã xuất hiện cầu kim loại. Cầu vòm bằng những thanh sắt đ−ợc xây dựng đầu tiên ở Anh từ năm 1776 đến 1779, đó lμ cầu Ironbridge. Năm 1755-1799 ở Pháp đã có bản thiết kế các cầu vòm gang. Cầu Neva đ−ợc xây dựng từ năm 1842-1850 có 7 nhịp, mỗi nhịp dμi 45-47m. Hình 11: Cầu Ironbridge (Anh) lμ cầu kim loại đầu tiên năm 1776-1779 - Đồng thời với sự ra đời của cầu vòm gang, cầu treo bằng thép cũng bắt đầu phát triển, nhất lμ ở các n−ớc Anh, Pháp, Mỹ. Một số cầu treo lớn nh−: cầu qua vịnh Menai (Mỹ) xây dựng năm 1826 nhịp 177m, cầu Freiburg (Pháp) năm 1834 nhịp 265m, cầu qua sông Kiev (Ukrania) năm 1847-1853 dμi 710m, mỗi nhịp 134m. Hình 12: Cầu Menai (Mỹ) xây dựng năm 1826m, nhịp 177m → Trong thời kỳ cầu vòm gang, cầu treo có ý nghĩa lớn nh−ng ch−a giải quyết đ−ợc những tồn tại lớn nh−: độ võng lớn, nhịp ch−a dμi, không chịu đ−ợc tải trọng lớn vì lý luận tính toán còn hạn chế, chất l−ợng không cao. Hình 13: Cầu Tacoma bị sụp đổ do việc tính toán còn hạn chế - Khi vật liệu thép ra đời, cầu dμn thép phát triển nhiều. N−ớc Nga lμ n−ớc đầu tiên áp dụng lý thuyết vμo tính toán cầu. Đến nửa thế kỷ 19, đây lμ giai đoạn phát triển nhanh nhất của khoa học lý thuyết, đã thúc đẩy ngμnh xây dựng cầu phát triển. Thời kỳ nμy đã thiên về lý luận, cầu có dạng biên cong, gãy khúc, phức tạp về mặt chế tạo cũng nh− thi công. Hình 14: Cầu Firth of Ford (Scotland) nhịp 521m lớn hơn nhịp cầu treo cùng thời ⇒ Tóm lại, trong thế kỷ 19 đã có những tiến bộ rõ rệt về mặt lý luận, cấu tạo, vật liệu cũng nh− ph−ơng pháp xây dựng đã tạo điều kiện cho sự phát triển v−ợt bậc về kỹ thuật lμm cầu cho thế kỷ 20. - Đến thế kỷ 20 cùng với b−ớc tiến lớn trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, các nền công nghiệp phát triển đã lμm cho ngμnh xây dựng cầu không ngừng phát triển vμ đạt những thμnh tựu lớn. Năm 1917 đã xây dựng cầu mút thừa nhịp dμi nhất thế giới 549m ở Canada. Năm 1932 cầu Sydney Harbor (úc) lμ cầu vòm thép nhịp 503m, đ−ợc đặt ở vị trí nhạy cảm vμ đẹp nhất so với các cầu lớn khác vμ đã trở thμnh biểu t−ợng của n−ớc úc. Hình 15: Cầu Quebec (Canada) dμn mút thừa có nhịp 549m lớn nhất thế giới Hình 16: Cầu Sydney rất nổi tiếng, biểu t−ợng của n−ớc úc Hình 17: Cầu Golden Gate nhịp 1280m, xay dựng năm 1937 Hình 18: Cầu Brooklyn (New York) - Khi kết cấu bêtông ứng suất tr−ớc ra đời tạo ra khả năng mới cho sự phát triển của cầu bêtông ở nhiều n−ớc trên thế giới cùng với lý thuyết ngμy cμng hoμn chỉnh vμ phát triển không ngừng. Do vậy, ngμnh xây dựng cầu đạt đ−ợc những b−ớc tiến khổng lồ. Hình 20: Cầu Stormasunset có nhịp 301m, năm 1998 Hình 19: Cầu Gateway năm 1986 - Cùng với sự phát triển của kết cấu bêtông, kết cấu thép vẫn đ−ợc sử dụng mạnh mẽ nhờ những −u điểm của nó. Hình 21: Cầu Verrezano có nhịp 1289m năm 1964, lớn nhất ở Mỹ hiện nay Hình 22: Cầu dây văngTatara có nhịp 890m lớn nhất thế giới, năm 1998 Hình 23: Cầu Akashi Kaiyo có nhịp 1991m lớn nhất thế giới, năm 1998 - Trong những năm gần đây, nhiều dự án rất lớn về cầu đã hoμn thμnh. Điển hình, cầu treo lớn nhất thế giới Gefyra đang đ−ợc xây dựng bắc qua vịnh Corinh sẽ nối ở tây bắc Hy Lạp với Antirion ở Pelponnesia, đây lμ dự án khổng lồ t−ởng chừng không thể thực hiện đ−ợc nh−ng đã khởi công năm 1998 có tổng chi phí đầu t− lμ 800 triệu euro vμ hoμn thμnh năm 2004. Cầu Millau lμ cầu dây văng cao nhất thế giới với chiều dμi 2.5km vμ tháp cao nhất lμ 340m cũng hoμn thμnh năm 2004 tại Pháp. Hình 24: Cầu Gerfyra khánh thμnh nhân Olympic Athens năm 2004 Hình 25: Cầu Millau cao nhất thế giới, năm 2004 - Ngoμi ra còn có thể kể đến các dự án đã vμ sắp đ−ợc xây dựng nh− cầu dμi nhất thế giới khoảng 12km nối giữa Shanghai vμ Chongminh đã đ−ợc khởi công. Dự án cầu treo bắc qua eo biển Gibraltar đã đ−ợc xây dựng mô hình với chiều dμi nhịp kỷ lục lên đến 5000m, dự án cầu Messina (Italia) có nhịp chính đến 3300m khởi công năm 2005. Hình 26: Cầu đ−ờng sắt Tây Tạng cao nhất thế giới, năm 2006 Hình 27: Cầu Shanghai – Chongminh dμi 12km, trị giá 1.2 tỷ USD Hình 28: Cầu Messina mhịp chính 3300m, khởi công năm 2005 Hình 29: Cầu Giraltar nhịp chính 5000m, trị giá 15 tỷ USD. Tổng chiều dμi cáp gấp 30 lần đ−ờng kính trái đất Dự án ban đầu 3100+8400+4700m - Sau đây xin giới thiệu 1 số cầu có nhịp lớn điển hình về loại cầu. Hình 30: Cầu vòm bêtông Wanxian nhịp 420n lớn nhất thế giới , năm 1997 Hình 31: Cầu vòm thép Lupu nhịp 550n lớn nhất thế giới , năm 2003 Hình 32: Cầu dầm thép Ponte Costa e Shilva (Braxin) nhịp 300m, năm 1974 Hình 33: Cầu Minato (Nhật) có 3 nhịp dạng mút thừa, nhịp chính 510m. Cầu dμi 983m, rộng 22.5m với trọng l−ợng thép 35900 tấn. Hình 34: Cầu East Span (Croatia) có nhịp lớn 2 thế giới. Sơ đồ 390m+244m, hoμn thμnh năm 1980. Khối l−ợng bêtông 20500m3; thép dự ứng lực 130t, thép th−ờng 4500t. Hình 35: Cầu có nhịp vòm 366m, lớn thứ 11 trên thế giới, năm 1977. Hình 36: Cầu Tsing Ma có nhịp lớn thứ năm thế giới, nhịp chính dμi 1377m, hoμn thμnh năm 1997 - Ngoμi ra cũng xin nói thêm, có các loại cầu quy mô không lớn những để lại ấu dấn riêng cho mình. Các loại kết cấu th−ợng vμ hạ bộ chỉ còn tính “t−ơng đối”. Hình 37 - Thời kỳ cổ x−a, ng−ời Việt đã biết lμm cầu tre, cầu gỗ, cầu đá, cầu gạch có dạng đơn giản, vòm bán nguyệt bắc qua sông suối nhỏ. Hình 38: Cầu tre nông thôn Việt Nam Trong n−ớc Hình 39: Chùa Cầu (Hội An) có trụ bằng đá, mặt cầu bằng gỗ Hình 40: Cầu Thê Húc cổ kính Hình 41: Cầu Long Biên (Hμ Nội) xây dựng 1902 - Thời kỳ Pháp thuộc vμ cuộc kháng chiến chống Pháp đã hình thμnh hệ thống giao thông đ−ờng bộ, đ−ờng sắt trong cả n−ớc. Về cầu thép có cầu Long Biên (Hμ Nội) nhịp 130m với hình dáng con rồng nối bờ sông Hồng, cầu Hμm Rồng (Thanh Hoá) kết cấu 1 vòm thép 3 khớp dμi 160m, cầu Trμng Tiền (Huế). Hình 42: Cầu Tr−ờng Tiền - Thời kỳ năm 1954 đến năm 1975, miền Bắc lập lại hoμ bình, ta đã khôi phục vμ mở rộng hệ thống giao thông. Ta đã thiết kế đ−ợc cầu bêtông cốt thép th−ờng, ứng suất tr−ớc nh− cầu Phù Lỗ nhịp 18m. Vμo những năm 1970, trình độ thiết kế vμ thi công cầu Việt Nam đã lμm đ−ợc cầu khung T bêtông ứng suất tr−ớc có nhịp đeo v−ợt khẩu độ 63m nh− cầu Rμo, cầu Niệm (Hải Phòng). Tuy nhiên do công nghệ còn hạn chế nên cầu Rμo bị sập đã lμm cho ngμnh xây dựng cầu chững lại để nghiên cứu cẩn thận hơn. - Thời kỳ năm 1975 đến năm 1986, ta đã tự thiết kế cầu bêtông cốt thép ứng suất tr−ớc nhịp 24m vμ 33m, cầu khung dầm nhịp 63m, hợp tác xây dựng cầu Thăng Long đ−ợc xem lμ lớn nhất Đông Nam á. Hình 43: Cầu Thăng Long (Hμ Nội) kết cấu 2 tầng, hoμn thμnh 1985 - Từ năm 1986 đến nay, trong trμo l−u hội nhập kinh tế quốc tế, nhiều dự án công trình cầu lớn đã, đang vμ sẽ đ−ợc đầu t− xây dựng. Nhiều cầu lớn đã đ−ợc xây dựng xong nh− cầu Phú L−ơng (Hải D−ơng) dμi 491m với 2 nhịp chính 102m đ−ợc xem lμ mốc đánh dấu b−ớc đột phá công nghệ đúc hẫng. Hình 44: Cầu dây văng Đakrông do ta thiết kế vμ đ−ợc xây dựng lại năm 2000 Hình 45: Cầu Phú L−ơng theo công nghệ của Nhật Bản đánh dấu quá trình hội nhập Hình 46: Cầu Sông Gianh Hình 47: Cầu Hiền L−ơng theo công nghệ đúc đẩy Hình 48: Cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long) có nhịp chính đến 350m, hoμn thμnh năm 2000 - Nhiều cầu lớn đang đ−ợc xây dựng nh− cầu Thanh Trì (Hμ Nội), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh), cầu Cần Thơ,... Hình 49: Cầu Kiền (Hải Phòng) vừa hoμn thμnh 2004, đ−ợc thi công theo công nghệ lắp hẫng Hình 51: Cầu Cần Thơ có nhịp lớn nhất Việt Nam 550m đang đ−ợc xây dựng Hình 50: Cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh) có 1 mặt dây với nhịp lớn nhất thế giới cùng loại 435m Hình 51: Dự án cầu Nhật Tân (Hμ Nội) Ph−ơng h−ớng phát triển xây dựng cầu ƒ Ph−ơng pháp thi công cầu tiên tiến hiện đại lμ đi theo các h−ớng chủ yếu sau: ™ Công nghiệp hoá xây dựng. ™ Tổ chức thi công theo ph−ơng pháp tiên tiến khoa học. ™ Tận dụng điều kiện tại chỗ nh− vật liệu địa ph−ơng, nhân lực kết hợp với biện pháp thi công tiên tiến, ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật với kinh nghiệm sẵn có. ƒ Ph−ơng h−ớng phát triển của thi công cầu luôn gắn liền với sự phát triển chung của ngμnh cầu vμ nói chung phát triển theo các h−ơng sau đây: ™ Nghiên cứu sử dụng vật liệu mới: bêtông chất l−ợng cao (HPC: High Performance Concrete), thép chất l−ợng cao (HPS: High Performance Steel), polyme cốt sợi (FRP: Fiber Reinforced Polymer),... ™ Tìm kết cấu mới, kết cấu tối −u. ™ Nghiên cứu các ph−ơng pháp tính toán truyền thống để tính toán cho các kết cấu mới, các ph−ơng pháp tính toán mới,... ™ áp dụng mạnh mẽ công nghệ thông tin: thiết kế tối −u, tự động hoá thiết kế,... ™ Định hình hoá: dầm, mố trụ,... ™ Công nghiệp sản xuất vμ cơ giới hoá thi công. Thank s for Your Regards! Questions?