Trong cấu trúc mặt đường bộ, lớp móng (Base và Sub-base) đóng vai trò là bộ phận chịu lực chính, tiếp nhận tải trọng từ lớp mặt và truyền xuống nền đất một cách đồng đều. Trong số các loại vật liệu làm móng, cấp phối đá dăm (CPĐD) là loại vật liệu phổ biến nhất nhờ vào khả năng chịu lực tốt, quy trình thi công tương đối thuận tiện và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, để một lớp móng CPĐD đạt được cường độ và độ ổn định mong muốn, việc tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật từ khâu lựa chọn vật liệu đến kỹ thuật lu lèn là điều bắt buộc.
Sự phát triển của hạ tầng giao thông tại Việt Nam trong những năm qua, đặc biệt là hệ thống đường cao tốc, đòi hỏi các kỹ sư và đơn vị thi công phải nâng cao năng lực kiểm soát chất lượng. Một sai sót nhỏ trong việc kiểm soát độ ẩm hoặc phân tầng vật liệu có thể dẫn đến hiện tượng lún không đều, nứt vỡ lớp mặt bê tông nhựa phía trên, gây lãng phí ngân sách và mất an toàn giao thông. Do đó, việc hiểu rõ bản chất cơ học và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp móng CPĐD là chìa khóa để kiến tạo nên những cung đường bền vững.
Tại Cauduong.net, chúng tôi tin rằng tri thức kỹ thuật là nền tảng của mọi công trình vĩ đại. Bài phân tích này sẽ đi sâu vào các khía cạnh chuyên môn dựa trên tiêu chuẩn TCVN 8859:2011 và các tiêu chuẩn quốc tế liên quan như AASHTO. Chúng tôi sẽ mổ xẻ từ nguyên lý tương tác giữa các hạt cốt liệu cho đến những giải pháp khắc phục sự cố tại hiện trường, mang đến một tài liệu tham khảo đầy đủ và chuẩn xác nhất cho cộng đồng kỹ sư cầu đường.
Mục tiêu của bài viết không chỉ dừng lại ở việc liệt kê các bước thi công mà còn giải thích “tại sao” các bước đó lại quan trọng. Thông qua việc phân tích dòng lực, cơ chế liên kết hạt và ảnh hưởng của thành phần hạt, người đọc sẽ có được cái nhìn thấu đáo về một trong những hạng mục quan trọng nhất của công trình đường bộ. Đây là cam kết của Cauduong.net trong việc cung cấp dữ liệu chính xác và có chiều sâu kỹ thuật.
Khái niệm và Tổng quan về Cấp phối đá dăm
Định nghĩa và phân loại
Cấp phối đá dăm là hỗn hợp vật liệu hạt rời có thành phần hạt tuân thủ nguyên lý cấp phối chặt (nguyên lý Fuller), được tạo ra bằng cách nghiền các loại đá nguyên khai. Đặc điểm quan trọng nhất của CPĐD là sự phối hợp giữa các hạt có kích thước khác nhau để tạo ra một cấu trúc có độ rỗng tối thiểu và độ ma sát nội cao nhất sau khi được lu lèn chặt.
Theo tiêu chuẩn hiện hành tại Việt Nam, CPĐD thường được chia thành hai loại chính dựa trên kích thước hạt lớn nhất và yêu cầu về chất lượng đá nguyên khai: CPĐD Loại I (được nghiền từ đá nguyên khai) và CPĐD Loại II (có thể sử dụng đá nghiền hoặc sỏi cuội nghiền). Loại I thường được dùng cho lớp móng trên (Base) vì có cường độ cao hơn, trong khi Loại II thường dùng cho lớp móng dưới (Sub-base) để tối ưu hóa chi phí mà vẫn đảm bảo khả năng truyền lực.
Vai trò của lớp móng CPĐD trong kết cấu áo đường
Lớp móng CPĐD đóng vai trò như một “tấm đệm” vững chắc giữa lớp mặt và nền đường. Nó có nhiệm vụ phân tán áp lực từ bánh xe xuống một diện tích lớn hơn trên bề mặt nền đất yếu phía dưới, ngăn chặn sự biến dạng dư và hiện tượng trồi lún. Ngoài ra, lớp móng này còn có chức năng thoát nước và ngăn chặn tác động của mao dẫn, bảo vệ các lớp kết cấu phía trên khỏi sự xâm nhập của độ ẩm từ dưới đất lên.
Cấu tạo và Các yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu
Thành phần hạt và nguyên lý liên kết
Sức chịu tải của CPĐD không đến từ chất liên kết hóa học (như xi măng hay nhựa đường) mà đến từ lực ma sát giữa các hạt và sự cài răng lược (interlocking) của các góc cạnh đá. Một cấp phối tốt phải có đủ lượng hạt mịn để lấp đầy khoảng trống giữa các hạt lớn nhưng không được quá nhiều để tránh gây hiện tượng “bơi” hạt hoặc nhạy cảm với nước.
Việc kiểm soát thành phần hạt qua các mắt sàng (như sàng 37.5mm, 25mm, 4.75mm, và 0.075mm) là cực kỳ quan trọng. Nếu thiếu hạt mịn, lớp móng sẽ khó đạt được độ chặt yêu cầu, dẫn đến độ rỗng cao và dễ bị lún dưới tác động của tải trọng động. Ngược lại, nếu quá nhiều hạt mịn (đặc biệt là hạt sét), lớp móng sẽ bị giảm ma sát khi ẩm ướt, gây ra hiện tượng mất ổn định nghiêm trọng.
Các chỉ tiêu cơ lý bắt buộc
Vật liệu CPĐD trước khi đưa vào công trình phải trải qua các thí nghiệm khắt khe. Chỉ số CBR (California Bearing Ratio) là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá sức chịu tải. Ngoài ra, độ hao mòn Los Angeles (LA) cho biết độ bền cơ học của đá, đảm bảo các hạt không bị vỡ vụn dưới sức nặng của xe lu và tải trọng xe cộ sau này. Chỉ số dẻo (PI) của phần hạt mịn cũng cần được kiểm soát chặt chẽ (thường PI < 6) để đảm bảo vật liệu không bị dẻo hóa khi gặp nước.
Thông số kỹ thuật vật liệu (Tham khảo TCVN 8859:2011)
- Độ hao mòn Los Angeles (LA): ≤ 35% đối với Loại I; ≤ 40% đối với Loại II.
- Chỉ số CBR (tại độ chặt K98, ngâm nước 4 ngày): ≥ 100% (móng trên), ≥ 30% – 60% (móng dưới).
- Giới hạn lỏng (LL): ≤ 25%.
- Chỉ số dẻo (PI): ≤ 6.
- Hàm lượng hạt thoi dẹt: ≤ 15% đối với Loại I.
Nguyên lý hoạt động và Cơ chế chịu lực
Dòng lực và sự phân bố ứng suất
Khi tải trọng bánh xe tác động lên mặt đường, ứng suất được truyền qua các điểm tiếp xúc giữa các hạt đá dăm. Nhờ cấu trúc cài răng lược, ứng suất này lan tỏa theo hình nón xuống dưới. Độ chặt của lớp cấp phối càng cao, diện tích lan tỏa càng rộng, làm giảm áp lực tác dụng trực tiếp lên nền đất. Điều này giải thích tại sao việc lu lèn đạt độ chặt K95 hoặc K98 là yếu tố sống còn của công trình.
Ảnh hưởng của độ ẩm tối ưu (OMC)
Trong quá trình thi công, nước đóng vai trò là chất bôi trơn giúp các hạt đá dễ dàng sắp xếp lại vị trí để đạt được cấu trúc chặt khít nhất. Tuy nhiên, chỉ có một giá trị độ ẩm duy nhất gọi là độ ẩm tối ưu (OMC) mới cho phép đạt được khối lượng thể tích khô lớn nhất với công đầm nén nhất định. Nếu quá khô, ma sát giữa các hạt quá lớn khiến xe lu không thể ép chặt chúng. Nếu quá ướt, áp lực nước lỗ rỗng sẽ đẩy các hạt rời xa nhau, gây ra hiện tượng “cao su” mặt đường.
Quy trình thi công lớp móng CPĐD tiêu chuẩn
Bước 1: Chuẩn bị mặt bằng và khảo sát
Trước khi rải CPĐD, lớp nền hoặc lớp móng dưới phải được nghiệm thu về cao độ, độ dốc ngang và độ chặt. Mọi vị trí lồi lõm hoặc cục bộ bù vênh phải được xử lý triệt để. Việc vệ sinh bề mặt sạch sẽ, không để lẫn rác rưởi hay bùn đất là điều kiện tiên quyết để đảm bảo sự liên kết giữa hai lớp vật liệu.
Bước 2: Vận chuyển và rải vật liệu
Vật liệu CPĐD được vận chuyển từ trạm trộn hoặc bãi tập kết bằng xe ben. Điểm lưu ý quan trọng nhất ở bước này là chống phân tầng (segregation). Khi đổ đá thành đống lớn hoặc rải bằng máy không đúng kỹ thuật, các hạt lớn có xu hướng lăn ra ngoài, hạt mịn ở lại giữa, tạo ra các “túi đá hộc” hoặc “túi bụi”. Điều này sẽ tạo ra các điểm yếu cục bộ trong kết cấu móng.
Sử dụng máy rải (Paver) là giải pháp tối ưu nhất để đảm bảo độ đồng nhất và cao độ thiết kế. Trường hợp rải bằng máy san, công nhân cần đi theo để bù phụ thủ công tại các vị trí phân tầng ngay lập tức.
Bước 3: Tưới nước và lu lèn
Sau khi rải, vật liệu được kiểm tra độ ẩm. Nếu thấp hơn OMC, cần tưới thêm nước bằng vòi phun sương để thấm đều. Quy trình lu lèn thường bắt đầu từ mép vào giữa (đối với đường thẳng) hoặc từ thấp lên cao (đối với đường cong có siêu cao).
Sơ đồ lu thường gồm 3 giai đoạn:
- Lu sơ bộ: Sử dụng lu nhẹ (8-10 tấn) đi 2-3 lượt để ổn định sơ bộ bề mặt.
- Lu chặt: Sử dụng lu rung tải trọng lớn hoặc lu bánh lốp để đạt độ chặt yêu cầu. Đây là giai đoạn quan trọng nhất, số lượt lu phải được xác định qua đoạn thi công thử.
- Lu hoàn thiện: Sử dụng lu bánh thép nặng đi chậm để xóa các vết bánh xe và làm nhẵn bề mặt.
Bước 4: Kiểm tra và Nghiệm thu
Sau khi hoàn thành lu lèn, đơn vị tư vấn giám sát sẽ tiến hành kiểm tra độ chặt hiện trường bằng phương pháp rót cát (Sand Cone) hoặc các thiết bị đo nhanh. Ngoài độ chặt, các thông số về cao độ (sai số ±10mm), độ dốc ngang và độ bằng phẳng (kiểm tra bằng thước 3m) cũng phải nằm trong phạm vi cho phép của thiết kế.
Bảng Tổng Hợp Thông Số Thi Công Và Kiểm Tra
| Hạng mục kiểm tra | Tần suất kiểm tra | Yêu cầu kỹ thuật | Phương pháp thử |
|---|---|---|---|
| Thành phần hạt | 1 mẫu / 200 m3 | Nằm trong biểu đồ cấp phối | Sàng lọc tiêu chuẩn |
| Độ chặt lu lèn (K) | 1 điểm / 100m – 200m / làn | K ≥ 0.98 (hoặc theo thiết kế) | Rót cát (TCVN 8857) |
| Độ ẩm khi lu lèn | Thường xuyên tại hiện trường | OMC ± 2% | Tủ sấy hoặc phương pháp nhanh |
| Độ bằng phẳng | Dọc theo tuyến | Khe hở thước 3m ≤ 5mm – 10mm | Thước thẳng 3.0m |
Sự cố thường gặp và Biện pháp khắc phục
Hiện tượng phân tầng vật liệu
Đây là lỗi phổ biến nhất, nguyên nhân do quá trình đổ rót vật liệu từ độ cao quá lớn hoặc máy san hoạt động quá nhiều lượt làm tách rời hạt lớn và hạt mịn. Biện pháp: Phải loại bỏ vùng bị phân tầng, thay thế bằng vật liệu mới có cấp phối chuẩn hoặc trộn thêm hạt mịn/hạt thô tại chỗ trước khi lu lèn.
Hiện tượng “cao su” (Pumping)
Xảy ra khi độ ẩm quá cao hoặc nền đất dưới lớp móng bị bão hòa nước. Khi lu đi qua, mặt đường phập phồng như cao su. Biện pháp: Tuyệt đối không được lu tiếp. Phải xới lên để phơi khô hoặc thay bằng vật liệu mới có độ ẩm phù hợp. Nếu do nền đất yếu, phải xử lý nền trước khi thi công lại lớp móng.
Bề mặt bị bong bật, rời rạc
Thường do lu lèn khi vật liệu quá khô hoặc thiếu hạt mịn trầm trọng. Biện pháp: Tưới thêm nước đều khắp bề mặt, bổ sung một lớp mỏng hạt mịn (nếu cần) và tiến hành lu lại bằng lu bánh lốp để các hạt liên kết chặt chẽ hơn.
Kết luận
Lớp móng cấp phối đá dăm tuy có vẻ đơn giản nhưng lại đòi hỏi sự tinh tế và kỷ luật trong thi công. Từ việc chọn lựa những viên đá có cường độ đạt chuẩn, phối trộn theo tỷ lệ Fuller tối ưu, cho đến việc căn chỉnh từng phần trăm độ ẩm và sơ đồ lu lèn, tất cả đều quyết định đến vận mệnh của công trình giao thông. Một lớp móng tốt không chỉ giúp mặt đường chịu được tải trọng xe siêu trường siêu trọng mà còn giúp giảm thiểu chi phí bảo trì trong suốt vòng đời dự án.
Trong bối cảnh công nghệ vật liệu ngày càng tiến bộ, việc ứng dụng các thiết bị đầm nén thông minh và hệ thống kiểm soát cao độ bằng GPS đang trở thành xu hướng. Tuy nhiên, những nguyên lý cơ bản về cơ học hạt và sự tận tâm của người kỹ sư trên công trường vẫn luôn là giá trị cốt lõi. Cauduong.net hy vọng bài phân tích chuyên sâu này sẽ giúp ích cho quý độc giả trong việc thực hiện và giám sát các dự án hạ tầng đạt chất lượng cao nhất.
