Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu giải pháp gia cố bề mặt nền đất mặt bằng bãi, đường giao thông với xi măng khu vực Đông Nam Bộ

ĐOÀN MẠNH CƯỜNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CỐ BỀ MẶT NỀN ĐẤT MẶT BẰNG BÃI, ĐƯỜNG GIAO THÔNG VỚI XI MĂNG

KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ

Chuyên ngành : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM Mã số: 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐOÀN MẠNH CƯỜNG MSHV: 1770401 Ngày, tháng, năm sinh: 29/10/1973 Nơi sinh: Hải Phòng

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm Mã số:60580204

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu giải pháp gia cố bề mặt nền đất mặt bằng bãi, đường giao thông với xi măng khu vực Đông Nam Bộ

Research solutions to stabilization the surface of the soil foundation of yards and roads with cement in Southeast area

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Chương 1: Tổng quan công nghệ gia cố nền đất với xi măng và hiệu quả của sự gia tăng cấp độ bền của đất

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán lớp kết cấu áo đường

Chương 3: Thí nghiệm đất, nước, xi măng và phụ gia hoạt tính, đất gia cố xi măng Chương 4: Ứng dụng nền đất gia cố xi măng trong thiết kế kết cấu áo đường

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 12/02/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/06/2019

PGS.TS LÊ ANH TUẤN

Trước tiên, Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể quý Thầy, Cô trong Bộ môn Địa Cơ Nền Móng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy giúp em trong 02 năm học để có đầy đủ nền tảng kiến thức để thực hiện đề tài nghiên cứu này

Em xin cảm ơn chân thành đến Thầy PGS.TS Võ Phán, Thầy đã truyền đạt kiến thức, hướng dẫn tận tâm, định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu

Sau cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp về sự quan tâm, giúp đỡ, động viên, ủng hộ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu này

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019

Học viên

Đoàn Mạnh Cường

Luận văn trình bày việc nghiên cứu gia cố đất sét pha tại chỗ tại các tỉnh Đông Nam Bộ, cụ thể đất sét pha tại Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai bằng xi măng với tỉ lệ 9%; 11%; và 13% theo tiêu chuẩn qui định để làm lớp móng của kết cấu áo đường giao thông Toàn bộ quá trình nghiên cứu được thực hiện bằng việc thí nghiệm thành phần hoá học, tạp chất hữu cơ, tính chất cơ lý của: nước ; xi măng; đất sét pha và xác định cấp độ bền nén, cấp độ bền kéo khi ép chẻ, mô đun đàn hồi của hỗn hợp đất gia cố xi măng với các tỉ lệ 9%; 11%; và 13% Sử dụng giá trị mô đun đàn hồi từ kết quả thí nghiệm mẫu đất gia cố xi măng trên, tính toán và kiểm toán lớp đất gia cố xi măng tỉ lệ 9%; 11%; và 13% thay thế cho lớp móng cấp phối đá dăm trong kết cấu áo đường theo tiêu chuẩn qui định[12] Tiếp theo là sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng tính lún của nền đất sét pha tác động bởi tải trọng: 1/ là kết cấu áo đường có lớp móng dưới là cấp phối đá dăm loại II, và 2/ là kết cấu áo đường có lớp móng dưới là cấp phối đá dăm loại II đã được thay thế bằng lớp đất sét pha gia cố 13% xi măng

Kết quả việc gia cố nền đất với xi măng làm tăng cấp độ bền của đất, các mẫu đất gia cố xi măng 9% mô đun đàn hồi tăng lên 4,5 lần; các mẫu đất với xi măng 11% mô đun đàn hồi tăng lên 5 lần, các mẫu đất với xi măng 13% mô đun đàn hồi tăng lên 7 lần Nền đất sét pha gia cố xi măng 11% thay thế được lớp móng dưới cấp phối đá dăm loại II kết cấu áo đường cấp cao A2, nền đất sét pha gia cố xi măng 13% thay thế được lớp móng dưới cấp phối đá dăm loại II kết cấu áo đường cấp cao A1 Độ lún của nền đất sét pha tác động bởi tải trọng là kết cấu áo đường có lớp móng dưới là cấp phối đá dăm loại II đã được thay thế bằng lớp đất sét pha gia cố 13% xi măng nhỏ hơn so với tác động bởi tải trọng kết cấu áo đường có lớp móng dưới là cấp phối đá dăm loại II

The thesis presents the research on reinforcing clayed soil in place in the Southeast provinces, specifically clay in Nhon Trach, Dong Nai province with cement with a rate of 9%; 11%; and 13% according to the prescribed standards to build the foundation of the roadway pavement structure The whole process of research is done by experimenting with chemical composition, organic impurities, physical properties of: Water; Cement; Clayed soil and determination of compressive strength level, tensile strength when pressed, elastic modulus of soil cement mixture with the ratio of 9%; 11%; and 13% Using the modulus of elastic modulus from the results of the test of cement reinforced soil, calculating and auditing the cement reinforcement soil at the rate of 9%; 11%; and 13% replaced the macadam foundation foundation layer in the pavement structure according to the prescribed standard [12] Next is to use Plaxis 2D software to simulate the settlement of the clay foundation impacted by the load: 1/ is the pavement structure with the lower foundation layer of macadam grade II, and 2/ the pavement structure with lower foundation is macadam grade II which has been replaced by 13% cement reinforced clay

The result of reinforcement of soil with cement increases soil durability, soil samples reinforcement of 9% elastic modulus increases 4.5 times; soil samples with 11% cement elastic modulus increased 5 times, soil samples with cement 13% elastic modulus increased 7 times 11% cement reinforced clay foundation replaced the lower foundation layer of macadam grade II pavement structure of high-grade A2, 13% cement reinforced clay foundation replaced the foundation layer under macadam grade II pavement structure of high-grade A1 The settlement of clay soil affected by the load is the pavement structure with the lower foundation layer of macada grade II which has been replaced by reinforced clay layer of 13% of cement smaller than the impact by structural load of road coat with lower foundation is graded macadam grade II

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là đề tài nghiên cứu thực sự của tác giả, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Võ Phán

Tất cả số liệu, kết quả tính toán, phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực Tôi cam đoan chịu trách nhiệm về sản phẩm nghiên cứu của mình

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019

Học viên

Đoàn Mạnh Cường

Ký hiệu Diễn giải A1 Đường cấp cao A1

A2 Đường cấp cao A2 B1 Đường cấp thấp B1 B2 Đường cấp thấp B2 c Lực dính của đất Ctt Lực dính tính toán

D Đường kính vệt bánh xe tính toán Dmax Kích thước hạt vật liệu lớn nhất Eo Mô đun đàn hồi yêu cầu của nền Ech Mô đun đàn hồi chung

Eyc Mô đun đàn yêu cầu

Etb Mô đun đàn hồi chung trung bình Edc tb Mô đun đàn hồi chung trung bình điều chỉnh

H/D Bề dày tương tối của áo đườngp áp lực tính toán lên mặt đường Kdvcd Hệ số cường độ về độ võng Ktrcd Hệ số cường độ về cắt trượt Kkucd Hệ số cường độ về kéo uốn

R Cường độ chịu kéo uốn tính toán

ku ứng suất chịu kéo uốn

φ Góc ma sát trong

1.1.Mục đích của công nghệ gia cố nền đất với xi măng 03

1.2 Công nghệ thi công gia cố đất với xi măng 04

1.3 Qui trình thi công gia cố đất với xi măng , 08

1.4 Hiệu quả của nền đất gia cố đất với xi măng làm tăng cấp độ bền của đất 14

1.5 Sơ lược lịch sử phát triển 15

1.6 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN LỚP KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 18

2.1.Bề dày cấu tạo các lớp trong kết cấu áo đường 18

2.2 Tính toán cường độ và bề dày kết cấu áo đường 19

2.3 Tính toán cường độ kết cấu áo đường và kết cấu áo lề có gia cố theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép 26

2.4.Tính toán cường độ kết cấu áo đường và kết cấu áo lề có gia cố theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu liền khối 30

2.6 Kết luận chương 2 41

CHƯƠNG 3.THÍ NGHIỆM ĐẤT, XI MĂNG, NƯỚC, ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG 43

3.1 Vật liệu cần thí nghiệm 43

3.2 Nội dung thí nghiệm 43

3.2.1 Thí nghiệm đất trước khi gia cố 43

3.2.2 Thí nghiệm xi măng và phụ gia hoạt tính 46

4.1 Thiết kế kết cấu áo đường có tầng mặt cấp cao A1 57

4.1.1 Số liệu ban đầu 57

4.1.2 Trình tự tính toán thiết kế 57

4.2 Thiết kế kết cấu áo đường có tầng mặt cấp cao A2 65

4.2.1 Số liệu ban đầu 65

4.2.2 Trình tự tính toán thiết kế 65

4.3 Ứng dụng phần mềm Plaxis 2D, mô phỏng tính toán lún hệ nền đất và kết cấu áo đường 70

4.4 Kết luận chương 4 80

CHƯƠNG 1 3

Hình 1-1 : Đường giao thông và nền đất 3

Hình 1-2 : Ví dụ cấu tạo các lớp kết cấu áo đường giao thông 4

Hình 1-3 : Các thiết bị chính thi công gia cố đất xi măng 7

Hình 1-4: Sơ đồ trình tự thi công gia cố đất xi măng 13

CHƯƠNG 2 18

Hình 2-1: Toán đồ để xác định mô đun đàn hồi chung của hệ 2 lớp Ech 29

Hình 2-1: Sơ đồ hệ 3 lớp về hệ 2 lớp 39

Hình 2-3: Toán đồ ứng suất kéo uốn đơn vị ở các lớp của tầng mặt 33

Hình 2-4: Toán đồ ứng suất kéo uốn đơn vị ở các lớp liền khối của tầng móng 34

Hình 2-5: Toán đồ xác định ứng suất trượt từ tải trọng bánh xe ở lớp dưới của hệ 2 lớp (H/D =0-2,0) 38

Hình 2-6: Toán đồ xác định ứng suất trượt từ tải trọng bánh xe ở lớp dưới của hệ 2 lớp (H/D =0-4,0) 38

Hình 2-7: Toán đồ tìm ứng suất cắt hoạt động Tav do trọng lượng bản thân mặt đường 40

CHƯƠNG 3 43

Hình 3-1: Máy nén, ép chẻ, xác định mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố xi măng 50

Hình 3-2: Các mẫu đất gia cố xi măng 50

Hình 3-3:Mẫu đất gia cố xi măng lau khô bề mặt chuẩn bị thí nghiệm 50

Hình 3-4: Thí nghiệm ép chẻ mẫu đất gia cố xi măng 50

Hình 3-5: Thí nghiệm nén mẫu đất gia cố xi măng 50

Hình 4-1: Mô hình mô phỏng nền đất sét pha được tác động tải trọng bởi kết cấu áo

đường 73

Hình 4-2: Tạo lưới phần tử mô phỏng nền đất sét pha 73

Hình 4-3: Các thông số và đặc trưng đầu vào nền đất sét pha 73,74 Hình 4-4: Mực nước ngầm trong nền đất sét pha 74

Hình 4-5:Tải trọng kết cấu áo đường 74

Hình 4-6:Các bước tính toán 75

Hình 4-7: Thông tin tính toán hiển thị trên màn hìn 75

Hình 4-8a: Lưới biến dạng của nền đất 76

Hình 4-8b: Tổng chuyển vị của nền đất 76

Hình 4-9: ứng suất theo phương đứng 77

Hình 4-10: ứng suất theo phương ngang 77

Hình 4-11: Tải trọng kết cấu áo đường 13,8kN/m2 đã thay thế lớp cấp phối đá dăm bằng lớp đất gia cố xi măng 13% 78

Hình 4-12: Lưới biến dạng của nền đất 78

Hình 4-13: ứng suất theo phương đứng 79

Hình 4-14: ứng suất theo phương ngang 79

CHƯƠNG 2 18

Bảng 2-1 : Bề dày tối thiểu và bề dày thường sử dụng 18

Bảng 2-2 : Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán 22

Bảng 2-3 : Xác định hệ số cường độ về độ võng phụ thuộc độ tin cậy 26

Bảng 2-4 : Trị số mô đun đàn hồi yêu cầu 26

Bảng 2-5 : Trị số tối thiểu mô đun đàn hồi 27

Bảng 2-6 : Hệ số điều chỉnh ß 30

Bảng 2-7 : Chọn hệ số cường độ về cắt trượt tuỳ thuộc độ tin cậy 36

Bảng 2-8 : Xác định hệ số K2 tùy thuộc số trục xe tính toán 40

CHƯƠNG 3 44

Bảng 3-1 : Chỉ tiêu cơ lý của đất gia cố 44

Bảng 3-2 : Kết quả thí nghiệm cơ lý đất sét pha 46

Bảng 3-3 : Kết quả thí nghiệm xi măng Nghi Sơn PCB40 47

Bảng 3-4 : Kết quả thí nghiệm thành phần hoá học của xi măng Nghi SơnPCB40.47 Bảng 3-5 : Phân loại vôi theo 2 chỉ tiêu cơ bản 48

Bảng 3-6 : Kết quả thí nghiệm nước 49

Bảng 3-7 :Biểu đồ thể hiện tỷ lệ xi măng - độ ẩm 51

Bảng 3-8 : Kết quả thí nghiệm nén cường độ 28 ngày mẫu đất gia cố xi măng 52

Bảng 3-9 : Kết quả thí nghiệm ép chẻ 28 ngày mẫu đất gia cố xi măng 53

Bảng 3-10 : Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố 9% xi măng 54

Bảng 3-11 : Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố 11% xi măng 55

Bảng 3-12 : Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi mẫu đất gia cố 13% xi măng 56

Bảng 4-2 : Dự kiến cấu tạo kết cấu thiết kế và các đặc trưng tính toán của mỗi lớp

kết cấu 58

Bảng 4-3 : Kết quả tính đổi 2 lớp một từ đáy lên để tìm Etb 59

Bảng 4-4 : Kết quả tính đổi 2 lớp một từ đáy lên để tìm Etb 60

Bảng 4-5 : Kết quả tính đổi 2 lớp một từ đáy lên để tìm Etb 62

Bảng 4-6 : Dự kiến cấu tạo kết cấu thiết kế và các đặc trưng tính toán của mỗi lớp kết cấu 66

Bảng 4-7 : Kết quả tính đổi tầng 2 lớp một từ đáy lên để tìm Etb 67

Bảng 4-8 : Thông số của kết cấu áo đường cấp cao A1 70

Bảng 4-9 : Thông số của kết cấu áo đường cấp cao A1, lớp đất gia cố xi măng 13% thay thế lớp cấp phối đá dăm loại II 71

Bảng 4-10 : Thông số đầu vào của lớp sét pha 72

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua, việc xây dựng cơ sở hạ tầng đặc biệt là giao thông đường bộ tại các địa phương là một mục tiêu quan trọng nhằm nâng cao đời sống dân cư và khai thác tiềm năng kinh tế của địa phương Tuy nhiên, các nguồn vật liệu truyền thống như đá và sỏi đỏ đạt chất lượng phục vụ cho xây dựng lớp móng trong kết cấu áo đường ô tô ngày càng khan hiếm, điều kiện khai thác ngày càng khó khăn Vì thế, xu hướng cải tạo đất tại chỗ làm nền móng đường thay thế các vật liệu truyền thống đang được nghiên cứu và ứng dụng thí điểm Do đặc điểm của điều kiện tự nhiên, trong phạm vi địa bàn các tỉnh Đông Nam bộ, các lớp đất trên mặt chủ yếu là sét pha và cát pha, loại vật liệu thích hợp cho việc gia cố bằng chất kết dính vô cơ Vì vậy, việc nghiên cứu cải tạo nguồn vật liệu đất tại chỗ bằng xi măng làm nền móng đường giao thông là việc làm có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh tế - kỹ thuật, góp phần vào việc phát triển hệ thống giao thông đường bộ tại các địa phương

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Trong luận văn này đề cập đến việc nghiên cứu gia cố đất sét pha tại chỗ tại các tỉnh Đông Nam bộ, mẫu đất sét pha tại Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai bằng xi măng với tỷ lệ thay đổi từ 9% đến 13% theo tiêu chuẩn qui định[12] để làm lớp móng của kết cấu áo đường giao thông

Các mục tiêu chính của đề tài bao gồm:

- Đánh giá sự gia tăng cấp độ bền của đất sau khi được gia cố với xi măng

- Nghiên cứu ứng dụng nền đất sau khi gia cố xi măng sẽ thay thế cho lớp móng dưới, hoặc móng trên trong kết cấu áo đường, bãi

3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán lớp kết cấu áo đường

- Thí nghiệm đất cần gia cố, chất kết dính vô cơ là xi măng, và hỗn hợp đất với xi măng

- Áp dụng kết quả mô đun đàn hồi của đất đã được gia cố xi măng từ thí nghiệm trên, tính toán thiết kế kết cấu áo đường bởi lớp đất gia cố xi măng thay thế cho lớp móng dưới cấp phối đá dăm

- Sử dụng phần mềm plaxis 2D, để mô phỏng tính toán so sánh lún của hệ nền đất và kết cấu áo đường trước và sau khi lớp đất bề mặt của nền đất đã được gia cố xi măng

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đề tài nghiên cứu đánh giá được tương quan độ bền nén, độ bền kéo, mô đun đàn

hồi, độ ổn định của nền đất thông thường và nền đất đã gia cố xi măng, giới thiệu về công nghệ thi công gia cố nền đất với xi măng

- Việc nghiên cứu công nghệ gia cố nền đất với xi măng giúp thêm cho người thiết kế có thêm sự lựa chọn tăng cường cấp độ bền, sức chịu tải của nền đất trong thiết kế nền đường, bãi Ngoài ra người thiết kế có thể chọn nền đất đã được gia cố xi măng để thay thế cho phần móng dưới hoặc một phần móng trên trong kết cấu áo đường, hoặc bãi

5 Hạn chế của đề tài

- Việc áp dụng thực tế trong các công trình tại Việt Nam còn hạn chế, mới chỉ áp

dụng cho công tác thi công đường nội bộ, bãi tập kết thiết bị, phương tiện, hàng hoá trong các khu công nghiệp Nên việc nghiên cứu còn bị ảnh hưởng hạn chế, chưa áp dụng trên phạm vi rộng

- Chưa nghiên cứu đến thành phần và hàm lượng xi măng tối ưu cho từng loại đất cụ thể

- Chưa nghiên cứu được sự thay đổi tính chất cơ lý của vùng đất lân cận xung quanh phần diện tích đất đã được gia cố

Đề tài dựa trên số lượng có hạn của các thí nghiệm gia cố đất, lần đầu tiên dự định nghiên cứu áp dụng việc thay thế nền đất đã gia cố thay cho lớp móng trong kết cấu áo đường, bãi còn thiếu kinh nghiệm, nên cần phải thêm nhiều thử nghiệm thực tế

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ GIA CỐ NỀN ĐẤT VỚI XI MĂNG VÀ HIỆU QUẢ CỦA SỰ GIA TĂNG CẤP ĐỘ BỀN CỦA ĐẤT

1.1 Mục đích của công nghệ gia cố nền đất với xi măng

Mục tiêu của việc gia cố nền đất với xi măng là làm tăng cấp độ bền, tăng cường sức chịu tải của nền đất Nền đất đã được gia cố có thể thay thế cho lớp móng dưới trong kết cấu áo đường, hoặc lớp móng trên của kết cấu bãi, đường cấp thấp, điều này sẽ làm giảm nhẹ tải trọng của kết cấu phần trên xuống nền đường, làm giảm độ lún cho nền đường do tải trọng bản thân của các lớp kết cấu trên Ngoài ra còn tận dụng được vật liệu có sẵn tại địa phương, ví dụ như nguồn đất đáp ứng được yêu cầu xây dựng, gia cố theo tiêu chuẩn có sẵn, hoặc các nền đào thay vì phải đào bỏ để đạt được cao độ đường cần thiết, giữ nguyên và sau khi gia cố chuyển đổi thành lớp móng sẽ tiết kiệm được rất nhiều chi phí

Đường giao thông và nền đất được mô tả như hình 1-1 dưới đây, nền đất sẽ được gia cố xi măng để tăng cấp độ bền đạt yêu cầu trở thành lớp móng dưới hoặc trên, hoặc thay thế một phần làm giảm chiều dày cho lớp móng trong kết cấu áo đường giao thông Hình 1-2 mô tả cấu tạo lớp kết cấu áo đường tiêu biểu, trong đó lớp cấp phối đá dăm loại II sẽ được thay thế bằng lớp đất bề mặt của nền đất sau khi đã gia cố xi măng, lớp đất gia cố này có chiều dày khoảng 30cm ~ 40cm

Hình 1-1 Đường giao thông và nền đất

1 Đường giao thông(bao gồm các lớp kết cấu) 2 Nền đất

Lớp bê tông nhựa bề mặt Lớp bê tông nhựa dướiLớp đá dăm gia cố xi măng Lớp cấp phối đá dăm Lớp đất gia cố xi măng

CẤU TẠO CÁC LỚP KẾT CẤU ĐƯỜNG GIAO THÔNG SAU KHI NỀN ĐẤT ĐƯỢC GIA CỐ XI MĂNG

Lớp đất nền

Lớp bê tông nhựa bề mặt Lớp bê tông nhựa dướiLớp đá dăm gia cố xi măng Lớp cấp phối đá dăm loại I CẤU TẠO CÁC LỚP KẾT CẤU ĐƯỜNG GIAO THÔNG

TRƯỚC KHI NỀN ĐẤT ĐƯỢC GIA CỐ XI MĂNG

Lớp cấp phối đá dăm loại II Lớp đất nền

Hình1-2 Ví dụ cấu tạo các lớp kết cấu áo đường giao thơng cấp cao A1

1.2 Cơng nghệ thi cơng gia cố đất xi măng 1.2.1 Vật liệu

Đất dùng để gia cố xi măng trước hết phải là các loại đất được phép dùng để đắp nền đường (theo tiêu chuẩn TCVN 9436:2012 Nền đường ơ tơ - Thi cơng và nghiệm thu) [13]

Các loại đất sau đây khơng dùng để gia cố:

- Đất bùn, đất lẫn than bùn (nhĩm A8 theo AASHTO M145)[14];

- Đất mùn lẫn hữu cơ cĩ thành phần hữu cơ quá 10%, đất cĩ lẫn cỏ và rễ cây, lẫn rác thải sinh hoạt (AASHTO T267 - 86)[15];

- Đất lẫn các thành phần muối dễ hịa tan quá 5% (xác định theo TCVN 7572 - 15:2006 )[16];

- Đất sét cĩ độ trương nở cao vượt quá 3%;

- Đất sét nhĩm A-7-6 (theo AASHTO M145)[14] cĩ chỉ số nhĩm từ 20 trở lên; - Độ pH <4 (xác định theo TCVN 4506 : 2012)[17];

- Không nên dùng loại đất có giới hạn chảy lớn hơn 45, chỉ số dẻo IP lớn hơn 27 và lượng hạt sét quá 30% để gia cố xi măng;

Xi măng thường dùng trong đất gia cố xi măng là các loại xi măng Pooclăng có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với các quy định tại TCVN 2682:2009 hoặc xi măng Pooclăng hỗn hợp có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với các quy định tại TCVN 6260:2009[3]

Yêu cầu xi măng dùng để gia cố đất có mác từ 30 MPa trở lên

- Tùy thuộc vào chức năng của các lớp kết cấu và trên cơ sở số liệu thí nghiệm có thể sử dụng các loại xi măng có mác nhỏ hơn 30 MPa (xi măng xuống cấp, xi măng địa phương) để gia cố đất Xi măng mác thấp chỉ nên dùng để gia cố với đất làm lớp dưới của móng hoặc làm móng của mặt đường cấp thấp Để đảm bảo điều kiện thi công, thời gian bắt đầu ninh kết của xi măng không được nhỏ hơn 2 giờ và thời gian ninh kết xong không lớn hơn 12 giờ

Thực tế hiện nay tại các công trình thực hiện nền đất gia cố xi măng, thường sử dụng xi măng loại hỗn hợp, phổ biến là PCB40 Cụ thể tại đề tài này thử nghiệm đất trộn với xi măng Nghi Sơn loại PCB40

Nước dùng để trộn và bảo dưỡng hỗn hợp đất gia cố phải thỏa mãn TCVN 4506:2012[2], nồng độ pH không nhỏ hơn 4 và không lớn hơn 12,5, hàm lượng ion sunphat (SO4-2) không quá 2700 mg/lít và hàm lượng muối không quá 10.000 mg/lít

1.2.2.Bảo quản vật liệu

- Xi măng được đưa đến công trường và bảo quản trong kho tại công trường đối với xi măng đóng bao, kèm theo giấy chứng nhận, kết quả thí nghiệm mẫu xi măng của nhà máy sản xuất, ghi rõ chủng loại, ngày sản xuất và ngày xuất xưởng Toàn bộ xi măng được bảo quản cẩn thận trong điều kiện không bị thấm nước

1.2.3 Thiết bị gia cố đất với xi măng

Tùy điều kiện cụ thể về địa hình, yêu cầu kỹ thuật, tiến độ thi công và về khả năng thiết bị để chuẩn bị các loại máy cho phù hợp:

- Các máy phay, máy xới, máy bừa;

- Máy phay hoặc các máy liên hợp;

- Một máy san có lắp thêm dàn lưỡi cày xới (nếu lấy đất tại chỗ có thể lẫn đá để thi công);

- Một xe xi-téc nước có dàn phun, dung tích lớn hơn 3000 lít và có thể khống chế được lượng nước phun, nếu dùng dàn phun của máy liên hợp thì xi-téc phải có vòi ống nối khớp với hệ dàn phun đó;

- Một lu bánh nhẵn loại ba bánh 12T đến 15T hoặc một lu lốp 15T đến 18T (tải trọng một bánh lốp từ 4T trở lên); có thể dùng một lu rung loại nặng;

Hình 1-3a Xe xới đất trộn xi măng

1.3 Qui trình thi công

1.3.1 Trình tự thi công đất gia cố bao gồm một số công việc chủ yếu sau:

1) Công tác làm tơi đất;

2) Rải và trộn chất gia cố hoặc phụ gia; 3) Đầm lèn hỗn hợp đất gia cố;

4) Bảo dưỡng hỗn hợp

1.3.2 Các bước thi công đất gia cố

1.3.2.1.Công tác chuẩn bị trước khi thi công:

- Kiểm tra các số liệu thiết kế và tính toán các số liệu trước khi thi công;

- Xác định phạm vi thi công, tạo điều kiện thoát nước tốt trong quá trình thi công và thi công lòng đường;

- Chuẩn bị vật liệu đất và chất gia cố; - Chuẩn bị xe máy thi công;

- Chuẩn bị các dụng cụ thí nghiệm kiểm tra thi công; - Tính toán, thiết kế tổ chức dây chuyền thi công;

- Định vị phạm thi công (định tim tuyến, phạm vi lòng đường và lề đường); - Dọn dẹp mặt bằng;

- Bố trí mặt bằng thi công (cần chú ý đảm bảo giao thông nếu là đường nâng cấp)

3 San tạo mui luyện cơ bản;

4 Rải (hoặc phun hóa chất gia cố) chất gia cố theo tỷ lệ thiết kế; 5 Trộn đất với chất gia cố;

6 Tưới nước (nếu cần) để hỗn hợp đạt độ ẩm tốt nhất; 7 San hỗn hợp đã trộn và tạo mui luyện;

8 Đầm lèn;

9 Găm đá dăm nếu thi công một lớp đất gia cố và làm mặt đường

Nếu thi công có 2 lớp:

10 Chuyển đất từ lề đường xuống để làm lớp trên; 11 Lặp lại các thao tác từ bước 3,4,5,6,7,8;

Nếu làm 2 lớp phải tính lượng đất cho 2 lớp

(Các bước còn lại thực hiện như với thi công lấy đất ở lòng đường các bước 8,9,10,11,12)

Trường hợp lấy đất từ mỏ làm nhỏ đất, trộn chất gia cố tại mỏ thực hiện các bước sau:

- Cường độ chịu nén (Rn); - Cường độ kéo khi uốn (Rku)

Kiểm tra độ phân rã của hỗn hợp cần xác định:

- Cường độ chịu nén (Rn) trong điều kiện bão hòa (ngâm nước 48 giờ hoặc 72 giờ); - Cường độ kéo khi uốn (Rku) trong điều kiện bão hòa (ngâm nước 48 giờ hoặc 72 giờ)

1.3.2.4 Chuẩn bị xe máy thi công:

Công tác chuẩn bị xe máy thi công cần được chuẩn bị đầy đủ như đã nêu ở trên

1.3.2.5 Chuẩn bị các dụng cụ thí nghiệm, kiểm tra phục vụ thi công:

- Chuẩn bị máy cao đạc và đặt mốc cao độ để kiểm tra bề dày rải đất và bề dày lu lèn chặt;

- Phễu rót cát hoặc dao vòng để xác định dung trọng ẩm của đất và đất gia cố vôi; - Thước dài 3m để kiểm tra độ bằng phẳng và thước kiểm tra mui luyện bề mặt đường

Khi cầy xới và làm tơi đất phải đảm bảo sao cho hàm lượng các hạt đất lớn hơn 5 mm không vượt quá 25% khối lượng trong đó loại lớn hơn 10 mm không quá 10% khối lượng

Để dễ cày xới và làm tơi đất sét khô, nên làm ẩm đất tới độ ẩm bằng 0.3 đến 0.4 độ ẩm giới hạn chảy hoặc tới độ ẩm thấp hơn độ ẩm tốt nhất 3% đến 4%

Trong trường hợp đất có độ ẩm cao hơn độ ẩm tốt nhất thì phải xáo xới nhiều lần để cho đất tơi vụn và chóng khô Trong trường hợp này, tốt nhất cho thêm bột vôi sống để hong đất với liều lượng theo tiêu chuẩn như sau: Muốn làm giảm từ 1% đến 2% độ ẩm của đất cần trộn thêm 1% bột vôi sống

Nên dùng các máy phay hoặc các máy liên hợp vừa và nhỏ để làm nhỏ đất và trộn đất gia cố chỉ dùng các máy rải liên hợp khác khi thỏa mãn các điều kiện sau:

+ Điều kiện địa hình cho phép, thuận lợi cho tổ chức thi công và đảm bảo giao thông

+ Các đường có độ dốc nhỏ hơn 6%

Khi rải và trộn hỗn hợp phải bảo đảm cho chất kết dính phân phối đều trong cả chiều dày lớp đất cần gia cố Nếu sử dụng chất phụ gia hoặc cấp phối vật liệu thì công tác này phải tiến hành trước khi rải chất kết dính Việc trộn hỗn hợp nên chia làm 2 giai đoạn: trộn khô và trộn ẩm Giai đoạn tưới nước để hỗn hợp đất có độ ẩm thiết kế chỉ nên tiến hành sau khi đã trộn khô

Sau khi kiểm tra thấy việc trộn hỗn hợp đã đạt yêu cầu về độ ẩm và độ đều theo chiều dày và chiều rộng mặt cắt ngang thì mới được tiến hành đầm lèn Công tác đầm lèn vật liệu đất gia cố thực hiện tương tự như đối với đầm lèn đất nền đường hoặc mặt đường cấp phối bằng lu bánh hơi hoặc bánh sắt nhẵn

Công tác đầm lèn đến độ chặt yêu cầu phải kết thúc trước khi hỗn hợp đất và chất kết dính đông kết với nhau Nếu chất kết dính là xi măng thì thông thường sau 4 giờ đến 5 giờ kể từ lúc làm ẩm (tức là khi trộn xi măng đất có độ ẩm tốt nhất) hỗn hợp sẽ bắt đầu đông kết, do đó việc lu lèn không tiến hành chậm hơn 3 giờ đến 4 giờ và kết thúc không được chậm hơn 6 giờ kể từ khi làm ẩm hỗn hợp

Nếu chất kết dính là vôi thì thời gian đông cứng chậm hơn nên quá trình công nghệ có thể kéo dài, xong việc đầm lèn cứng phải kết thúc trước 24 giờ kể từ khi trộn vôi với đất

- Đầm lèn lớp đất gia cố bằng lu nhẹ số lượt lu 2-4 lần/điểm sau đó lu bằng lu nặng khoảng 12 -16 lần/điểm Tốt nhất là dùng lu bánh lốp tự hành lu từ mép vào tim, vệt chồng lên nhau 20 cm đến 25 cm Kể từ trộn đất với xi măng và thời gian lu lèn xong không được quá 6 giờ

- Chiều dày đầm nén tùy thuộc vào công cụ đầm nén và chiều sâu tác dụng của lu thông thường không nhỏ hơn 10 cm và không lớn hơn 15cm

- Trong quá trình lu lèn nhất là khi sắp kết thúc cần phải kiểm tra hệ số đầm nén của lớp đất gia cố: hệ số đầm nén lớn hơn hoặc bằng 0.95;

Nếu trong thiết kế quy định phải thi công làm hai lớp sau khi đầm lèn xong lớp dưới có thể tiến hành thi công ngay lớp trên Trình tự thi công lớp sau cũng thực hiện tương tự như trên nhưng trong trường hợp này do đất dùng để gia cố phải đưa từ ngoài vào (hoặc là đất nền

đường cũ đưa ra ngoài nay lại đưa vào) nên việc thi công lớp trên có thể tiến hành theo phương pháp trộn trên đường hoặc trộn ở ngoài

Để tăng cường dính bám giữa lớp móng gia cố với lớp mặt, khi đạt 80% công lu thiết kế phải rải mặt bằng lớp đá nhỏ 0,5 cm đến 2 cm (tốt nhất nên dùng đá vôi) với liều lượng 8 lít/m2

đến 10 lít/m2 (tuỳ thuộc vật liệu lớp mặt) sau đó tiếp tục đầm lèn hỗn hợp cho đến độ chặt yêu cầu

Sau khi đầm lèn hỗn hợp đạt yêu cầu và độ chặt cần tiến hành ngay công tác dưỡng hộ lớp móng đất gia cố để giữ cho hỗn hợp đã đầm lèn luôn luôn có độ ẩm thiết kế trong suốt thời gian 28 ngày Biện pháp dưỡng hộ tốt nhất là ngay sau khi kết thúc đầm lèn phủ một lớp nhũ tương nhựa đường hoặc nhựa lỏng với liều lượng là 0,8 kg/m2 đến 1,2 kg/m2 Khi không có nhựa lỏng hoặc nhựa nhũ tương thì có thể dùng cát rải một lớp dày từ 4 cm đến 5 cm và tưới nước thường xuyên để làm ẩm

Khi hết thời gian dưỡng hộ thì tiến hành làm lớp mặt Đối với trường hợp móng đất gia cố được dưỡng hộ bằng cát ẩm thì trước lúc rải lớp mặt cần tưới một lớp nhựa lỏng với liều lượng 0,8 kg/m2

đến 1,2 kg/m2 trên bề mặt lớp đất gia cố để làm lớp dính bám và lớp cách nước Tùy điều kiện cụ thể có thể tiến hành làm lớp mặt sớm hơn thời gian quy định Trong trường hợp lớp vật liệu gia cố được dùng làm lớp mặt (lớp chịu lực) có thể tiến hành láng nhựa 2 lớp với tiêu chuẩn nhựa 4.5 kg/m2

ngay sau khi hỗn hợp đạt độ chặt yêu cầu Việc làm lớp mặt phải theo đúng các chỉ dẫn ở các quy trình tương ứng

Trường hợp trên lớp móng đất gia cố xi măng không làm ngay lớp mặt thì phải bảo dưỡng lớp đất gia cố xi măng hoặc các chất gia cố vô cơ khác cần ít nhất 7 ngày, tốt nhất là 28 ngày bằng lớp cát ẩm dày 5 cm đến 7 cm và phải thường xuyên tưới nước lên cát hoặc tưới bằng lớp màng mỏng như nhũ tương để chống bay hơi nước từ đất gia cố

Để đảm bảo yêu cầu về chất lượng của lớp vật liệu đã gia cố, ngoài việc thực hiện đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đã nói trên còn cần phải làm tốt các mối nối chỗ tiếp giáp giữa các đoạn thi công (chỗ tiếp giáp dọc khi thi công từng nửa bề rộng mặt đường, chỗ tiếp giáp ngang giữa các đoạn)

1.3.2.6 Sơ đồ trình tự các bước thi công gia cố đất với xi măng :

Lu lốp

Máy xới đất -xi măng Máy san Lu 3bánh sắt Xe tưới nước xi téc

Hình 1-4 Sơ đồ trình tự thi công gia cố đất ximăng

1 Máy san dùng để san gạt làm phẳng mặt bằng cần thiết trước khi thi công gia cố đất xi măng;

2 Máy xới đất tiến vào vị trí và tiến hành xới trộn đất và xi măng đã được rải với khối lượng theo tỉ lệ đã được thiết kế chọn ban đầu;

3 Máy san tiếp tục san phẳng bề mặt hỗn hợp đất xi măng đã được xới trộn để dễ dàng cho công tác lu lèn;

4 Xe tưới nước tưới bổ sung nước cho hỗn hợp đất xi măng để hỗn hợp có đủ độ ẩm cần thiết, ở đây cần tưới hỗn hợp đất xi măng đạt độ ẩm tối ưu của mẫu đất đầm nén tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm và kết hợp thêm lượng nước đủ để xi măng tiến hành thuỷ hoá Ngoài ra xe tưới nước tưới xung quanh vị trí thi công để chống bụi do công tác rải xi măng trên bề mặt đất vị trí cần gia cố;

5 Máy lu 3 bánh sắt xe lu tạo phẳng bề mặt hỗn hợp đất xi măng, ngoài ra còn làm ổn định

lớp kết cấu của hỗn hợp đất xi măng Sau đó tiến hành lu lốp lèn chặt hỗn hợp đất xi măng để hỗn hợp đất xi măng đạt được độ chặt yêu cầu, máy lu 3 bánh sắt sẽ thực hiện tiếp tục sau khi lu lốp hoàn thiện nhằm mục đích làm phẳng bề mặt đất gia cố xi măng phục vụ cho công tác thi công lớp kết cấu bên trên Số lượt lu và các bước thực hiện của lu 3 bánh sắt và lu lốp theo qui định đã trình bày ở phần trên

6 Tiến hành thí nghiệm và kiểm tra lớp đất gia cố xi măng theo qui định Kết thúc quá trình thi công đất gia cố xi măng, chuẩn bị và tiến hành thi công lớp kết cấu bên trên lớp đất gia cố xi măng

1.4 Hiệu quả của nền đất gia cố xi măng làm tăng cấp độ bền của đất

Đất được gia cố xi măng với tỷ lệ theo qui định của tiêu chuẩn[12] từ 5% đến 13%, sau khi quá trình gia cố xi măng kết hợp phần nước ẩm trong đất tạo thành chất dính kết, liên kết

các hạt đất với nhau trong hỗn hợp, cho đến khi chất dính kết hình thành và phát triển cường độ, lúc này hỗn hợp đất xi măng đã được gia tăng cường độ, sức kháng của đất gia cố tăng lên so với đất thông thường ban đầu, độ thấm nước sẽ giảm đi, cấp độ bền của đất sẽ thay đổi và tăng lên tuỳ theo tỷ lệ xi măng được sử dụng trong hỗn hợp, tỷ lệ này tuân theo qui định của tiêu chuẩn Tiến hành lấy mẫu đất thí nghiệm trong phòng, hoặc thí nghiệm tại hiện trường khu vực nền đất được gia cố, thí nghiệm nén mẫu xác định độ bền nén của đất, thí nghiệm uốn mẫu xác định độ bền kéo của đất, giá trị thu được sẽ xác định được cấp độ bền nén, và độ bền uốn của đất, ngoài ra còn xác định được giá trị mô đun đàn hồi của đất sau gia cố so sánh với giá trị ban đầu của đất thông thường

1.5 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.5.1 Ở nước ngoài

Tại Mỹ, năm 1954, công ty Prepakt Co đã phát triển phương pháp trộn tại chỗ và

dùng phương pháp cọc lưỡi khoan đơn và tiếp tục được nghiên cứu vào những năm

1960 (theo Jasperse và Ryan, 1992) Tại Châu âu, ở các nước Thụy Điển và Phần Lan đã nghiên cứu về cải tạo đất bằng xi măng, xi măng – vôi từ những năm 1960, 1970 của thế kỷ Tại Châu Á, từ những năm 1960, Nhật Bản đã nghiên cứu phát triển công nghệ cải tạo đất bằng trộn vôi và xi măng Đến năm 1974, công nghệ trộn vôi (DLM) đã được ứng dụng trên toàn lãnh thổ Nhật Bản và vùng Đông Nam Á Công nghệ trộn ướt, sử dụng xi măng (CDM) được ra đời từ năm 1975 Công nghệ trộn khô (DJM) bắt đầu được nghiên cứu từ năm 1976 và được thực nghiệm vào năm 1980 tại các viện Nghiên cứu công trình công cộng Nhật Bản và Nghiên cứu máy xây dựng Từ đó đến nay, đã có rất nhiều nghiên cứu về thiết bị, công nghệ, trong đó phải kể đến Jerashi và đồng sự (1985), Suzuki và đồng sự (1988),

Kitazume (1996) Đến nay hàng năm đã sử dụng hàng triệu mét khối xi măng để cải tạo đất[22]

1.5.2 Ở trong nước

Ở Việt Nam, cải tạo đất yếu bằng xi măng và vôi đã được nghiên cứu từ năm 1967 tại Đại học Bách khoa Hà Nội; Viện Kỹ thuật giao thông (1970), Viện khoa học kỹ thuật xây dựng (1980) tiến hành nghiên cứu một cách chi tiết hơn với đề tài “Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất - vôi, đất - xi măng và cốt thoát nước chế tạo sẵn” Đề tài đã được nghiệm thu vào năm 1985 Hồ Chất (1985) [23] đã nghiên cứu“Về khả năng gia cố đất bằng chất kết dính vô cơ trong điều kiện Việt Nam” và phân tích khả năng áp dụng phương pháp cho nhiều loại đất khác nhau dựa vào thành phần hạt và một số ảnh hưởng khi áp dụng nhiều loại đất, tỷ lệ chất kết dính, thời gian đông cứng và độ ổn định của đất gia cố; Tạ Đức Thịnh (2002) đã đưa ra được cơ sở lý thuyết của phương pháp luận gia cố nền đất yếu bằng cọc cát -xi măng -vôi, tác giả đã kiến nghị sử dụng lượng xi măng từ 7,5 đến 10% và lượng vôi từ 7 đến 9%; Đỗ Minh Toàn (2011), đã nghiên cứu cải tạo đất bằng xi măng ở Trà Vinh, Cần Thơ, Đồng Tháp và Tiền Giang với hàm lượng từ 3 đến 12% khối lượng đất khô và lượng vôi từ 6 đến 12% Kết quả cho thấy, đất được cải tạo bằng xi măng có cường độ kháng nén lớn hơn so với đất gia cố bằng vôi, cường độ kháng nén của đất sét pha lớn hơn đất sét, khi cho lượng vôi lớn hơn 9% thì cường độ mẫu lại giảm[23]

1.5.3 Một số công trình tại Việt Nam

1.5.3.1 Công trình gia cố nền đất tại Nhà máy Lixil, Khu công nghiệp Long Đức - Huyện Long Thành, Đồng Nai

- Diện tích đất gia cố trên 10.000 m2, chiều sâu gia cố 30cm, tỉ lệ xi măng sử dụng 4%

- Đất gia cố là đất đắp mới, đất sét pha, nguồn đất được khai thác tại địa phương

1.5.3.2 Công trình gia cố nền đất tại Nhà máy SMC, Khu công nghiệp Long Đức - Huyện Long Thành, Đồng Nai

- Diện tích đất gia cố gần 9.000 m2, chiều sâu gia cố 30cm, tỉ lệ xi măng sử dụng 3.5%

- Đất gia cố là đất đắp mới, đất sét pha, nguồn đất được khai thác tại địa phương

1.5.3.3 Công trình gia cố nền đất tại bãi tập kết xe ô tô, Khu công nghiệp Hiệp Phước - Huyện Nhà Bè, Hồ Chí Minh

- Diện tích đất gia cố gần 36.000 m2, chiều sâu gia cố 30cm, tỉ lệ xi măng sử dụng 3.5%

- Đất gia cố là đất đắp mới, đất sét, sét pha, nguồn đất được cung cấp từ mỏ đất tại Đồng Nai, Bình Dương

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

1.6.1 Nền đất được gia cố xi măng với tỷ lệ theo qui định của tiêu chuẩn [ 1 ] từ 5% đến 13%, sức kháng của đất gia cố tăng lên so với đất thông thường ban đầu, độ thấm nước sẽ giảm đi, tính ổn định nền đất tăng lên

1.6.2 Nền đất sét pha được gia cố xi măng dự định sẽ thay thế lớp móng dưới, móng trên trong kết cấu áo đường, kết cấu bãi với tỷ lệ xi măng xác định trong thí nghiệm ở chương 3, và tính toán, kiểm toán phần kết cấu áo đường mềm ở chương 4

1.6.3 Giới thiệu qui trình công nghệ gia cố bề mặt nền đất với xi măng theo tiêu chuẩn [12] có tính thực tế cao, mở rộng khắp các địa phương trong cả nước, áp dụng cho nhiều loại đất xây dựng

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN LỚP KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 2.1 Bề dày cấu tạo các lớp trong kết cấu áo đường

2.1.1.Nguyên tắc thiết kế bề dày

Bề dày tầng mặt và các lớp móng của kết cấu áo đường phải được xác định thông qua kiểm toán các trạng thái giới hạn về cường độ, bề dày của chúng phải theo đúng các yêu cầu về cấu tạo Ngoài ra, để bảo đảm điều kiện làm việc tốt và đảm bảo thi công thuận lợi, bề dày các lớp kết cấu thiết kế không được nhỏ hơn bề dày tối thiểu quy định, đồng thời thích hợp với việc phân chia lớp sao cho không vượt quá bề dày lớn nhất đầm nén có hiệu quả và không phải chia thành nhiều lớp để thi công

2.1.2 Bề dày tối thiểu và bề dày thường sử dụng cho mỗi lớp kết cấu

Bề dày tối thiểu được xác định bằng 1,5 lần cỡ hạt lớn nhất có trong lớp kết cấu và không được vượt quá trị số ở Bảng 2-1

Bảng 2-1: Bề dày tối thiểu và bề dày thường sử dụng

Loại lớp kết cấu áo đường Bề dày tối thiểu (cm)

Bề dày thường sử dụng (cm) Bê tông nhựa, đá dăm trộn

nhựa

Hạt lớn Hạt trung Hạt nhỏ

5 4 3

5 - 8 4 -6 3 – 4

nghiệp gia cố chất liên kết vô cơ theo phương pháp trộn

3 Các trị số trong ngoặc là bề dày tối thiểu khi rải trên nền cát (khi sử dụng các vật liệu nêu trên làm lớp đáy móng)

2.1.3 Bề dày đầm nén có hiệu quả lớn nhất:

Đối với bê tông nhựa là 8cm và đá dăm trộn nhựa là 10cm; đối với các loại vật liệu có gia cố chất liên kết là không quá 15cm và đối với các vật liệu hạt không gia cố chất liên kết là không quá 18cm

2.2 Tính toán cường độ và bề dày kết cấu áo đường

2.2.1 Các yêu cầu và nguyên tắc tính toán: 2.2.1.1 Yêu cầu tính toán

Sau khi căn cứ vào các quy định và chỉ dẫn ở để đưa ra các phương án cấu tạo kết cấu nền áo đường thì yêu cầu của việc tính toán là kiểm tra xem các phương án, cấu tạo đó có đủ cường độ không, đồng thời tính toán xác định loại bề dày cần thiết của mỗi lớp kết cấu và có thể phải điều chỉnh lại bề dày của mỗi lớp theo kết quả tính toán

Kết cấu nền áo đường mềm được xem là đủ cường độ nếu như trong suốt thời hạn thiết kế quy định, dưới tác dụng của ô tô nặng nhất và của toàn bộ dòng xe trong bất kỳ lớp nào (kể cả nền đất) cũng không phát sinh biến dạng dẻo, tính liên tục của các lớp liền khối không bị phá vỡ và độ võng đàn hồi của kết cấu không vượt quá trị số cho phép

2.Kiểm toán ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy các lớp vật liệu liền khối nhằm hạn chế sự phát sinh nứt dẫn đến phá hoại các lớp đó;

3.Kiểm toán độ võng đàn hồi thông qua khả năng chống biến dạng biểu thị bằng trị số mô đun đàn hồi Ech của cả kết cấu nền áo đường so với trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc Tiêu chuẩn này nhằm đảm bảo hạn chế được sự phát triển của hiện tượng mỏi trong vật liệu các lớp kết cấu dưới tác dụng trùng phục của xe cộ, do đó bảo đảm duy trì được khả năng phục vụ của cả kết cấu đến hết thời hạn thiết kế 2.2.1.3 Cơ sở của phương pháp tính toán:

Cơ sở của phương pháp tính toán theo 3 tiêu chuẩn giới hạn nêu trên là lời giải của bài toán hệ bán không gian đàn hồi nhiều lớp có điều kiện tiếp xúc giữa các lớp là hoàn toàn liên tục

dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (được mô hình hoá là tải trọng phân bố đều hình tròn tương đương với diện tích tiếp xúc của bánh xe trên mặt đường), đồng thời kết hợp với kinh

nghiệm sử dụng và khai thác đường trong nhiều năm để đưa ra các quy định về các tiêu chuẩn giới hạn cho phép

2.2.1.4 Về yêu cầu tính toán theo 3 điều kiện giới hạn

1.Đối với kết cấu áo đường cấp cao A1 và A2 đều phải tính toán kiểm tra theo 3 tiêu chuẩn cường độ nêu ở 2.2.1.2

2.Về thứ tự tính toán, nên bắt đầu tính theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi, sau đó kiểm toán theo điều kiện cân bằng trượt và khả năng chịu kéo uốn

3 Đối với áo đường cấp thấp B1 và B2 không yêu cầu kiểm tra theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn và điều kiện trượt

4 Khi tính toán kết cấu áo đường chịu tải trọng rất nặng (tải trọng trục trên 120 kN ở đường công nghiệp hoặc đường chuyên dụng) thì cần tính trước theo điều kiện chịu cắt trượt và điều kiện chịu kéo uốn, sau đó quy đổi tất cả các trục xe chạy trên đường về xe tiêu chuẩn 120 kN để tính theo độ võng đàn hồi

5 Khi tính toán kết cấu áo lề có gia cố thì phải tính theo các tiêu chuẩn như đối với kết cấu áo đường của phần xe chạy liền kề

2.2.1.5 Các thông số tính toán cường độ và bề dày áo đường mềm

Cần phải xác định được các thông số tính toán dưới đây tương ứng với thời kỳ bất lợi nhất về chế độ thuỷ nhiệt (tức là thời kỳ nền đất và cường độ vật liệu của các lớp áo đường yếu nhất):

- Tải trọng trục tính toán và số trục xe tính toán;

- Trị số tính toán của mô đun đàn hồi Eo, lực dính c và góc nội ma sát  tương đương với độ ẩm tính toán bất lợi nhất của nền đất Độ ẩm tính toán bất lợi nhất được xác định tuỳ theo loại hình gây ẩm của kết cấu nền áo đường

- Trị số tính toán của mô đun đàn hồi E, lực dính c và góc nội ma sát  của các loại vật liệu làm áo đường; cường độ chịu kéo uốn của lớp vật liệu

Xét đến các điều kiện nhiệt ẩm, mùa hè là thời kỳ bất lợi vì mưa nhiều và nhiệt độ tầng mặt cao Do vậy khi tính toán cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi, chỉ tiêu của bê tông nhựa và các loại hỗn hợp đá nhựa được lấy tương ứng với nhiệt độ tính toán là 300C Tuy nhiên, tính toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn thì tình trạng bất lợi nhất đối với bê tông nhựa và hỗn hợp đá dăm nhựa lại là mùa lạnh (lúc đó các vật liệu này có độ cứng lớn), do vậy lúc này lại phải lấy trị số mô đun đàn hồi tính toán của chúng tương đương với nhiệt độ 10-150C Khi tính toán theo điều kiện cân bằng trượt thì nhiệt độ tính toán của bê tông nhựa và các loại hỗn hợp đá nhựa nằm phía dưới vẫn lấy bằng 300

C, riêng với lớp nằm trên cùng lấy bằng 600C.2.2.2 Tải trọng trục tính toán và cách quy đổi số trục xe khác về

số tải trọng trục tính toán

2.2.2.1.Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn:

Khi tính toán cường độ của kết cấu nền áo đường theo 3 tiêu chuẩn nêu ở mục 2.2.1.2, tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn của ô tô có trọng lượng 100 kN đối với tất cả các loại áo đường mềm trên đường cao tốc, trên đường ô tô các cấp thuộc mạng lưới chung và cả trên các đường đô thị từ cấp khu vực trở xuống Riêng đối với kết cấu áo đường trên các đường trục chính đô thị và một số đường cao tốc hoặc đường ô tô thuộc mạng lưới chung có điều kiện xe chạy đề cập dưới đây thì tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn được quy định là trục đơn trọng lượng 120 kN Các tải trọng tính toán này được tiêu chuẩn hoá như ở Bảng 2-2

Bảng 2-2: Các đặc trưng của tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn

Tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn, P (kN)

áp lực tính toán lên mặt đường, p (MPa)

Đường kính vệt bánh xe, D (cm)

2.2.2.2.Tải trọng trục tính toán trên đường có nhiều xe nặng lưu thông

1 Trên những đường có lưu thông các loại trục xe nặng khác biệt nhiều so với loại trục tiêu chuẩn ở Bảng 2-2 (như các đường vùng mỏ, đường công nghiệp chuyên dụng…) thì kết cấu áo đường phải được tính với tải trọng trục đơn nặng nhất có thể có trong dòng xe Trong trường hợp này tư vấn thiết kế phải tự điều tra thông qua chứng chỉ xuất xưởng của xe hoặc cân đo để xác định được các đặc trưng p và D tương ứng với trục đơn nặng nhất đó để dùng làm thông số tính toán Cách cân đo xác định p và D có thể tham khảo thực hiện Quy trình 22 TCN 251- 98 Đối với các xe có nhiều trục thì việc xác định ra tải trọng trục nặng nhất tính toán có thể tham khảo ở tiêu chuẩn

2 Nếu tải trọng trục đơn của xe nặng nhất không vượt quá 20% trị số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn ở Bảng 2-1 và số lượng các trục này chiếm dưới 5% tổng số trục xe tải và xe buýt các loại chạy trên đường thì vẫn cho phép tính toán theo tải

trọng trục tiêu chuẩn tức là cho phép quy đổi các trục đơn nặng đó về trục xe tiêu chuẩn để tính toán; ngược lại thì phải tính với tải trọng trục đơn nặng nhất theo chỉ dẫn trong tiêu chuẩn

3 Trên các đường cao tốc hoặc đường ô tô các cấp có lưu thông các trục đơn của xe nặng vượt quá 120 kN thoả mãn các điều kiện để cập ở điểm 2 nêu trên thì được dùng tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn là 120 kN (tức là nếu trên đường có các trục đơn nặng trên 120 kN và dưới 144 kN với số lượng chiếm dưới 5% tổng số trục xe tải và xe buýt chạy trên đường thì lúc đó được chọn tải trọng trục tính toán là 120 kN)

2.2.2.3 Quy đổi số tải trọng trục xe khác về số tải trọng trục tính toán tiêu chuẩn (hoặc quy đổi về tải trọng tính toán của xe nặng nhất)

Mục tiêu quy đổi ở đây là quy đổi số lần thông qua của các loại tải trọng trục i về số lần thông qua của tải trọng trục tính toán trên cơ sở tương đương về tác dụng phá hoại đối với kết cấu áo đường:

1.Việc quy đổi phải được thực hiện đối với từng cụm trục trước và cụm trục sau của mỗi loại xe khi nó chở đầy hàng với các quy định sau:

- Cụm trục có thể gồm m trục có trọng lượng mỗi trục như nhau với các cụm bánh đơn hoặc cụm bánh đôi (m =1, 2, 3 );

- Chỉ cần xét đến (tức là chỉ cần quy đổi) các trục có trọng lượng trục từ 25 kN trở lên;

- Bất kể loại xe gì khi khoảng cách giữa các trục  3,0m thì việc quy đổi được thực hiện riêng rẽ đối với từng trục;

- Khi khoảng cách giữa các trục  3,0m (giữa các trục của cụm trục) thì quy đổi gộp m trục có trọng lượng bằng nhau như một trục với việc xét đến hệ số trục C1 như ở biểu thức (2.1) và (2.2)

2 Theo các quy định trên, việc quy đổi được thực hiện theo biểu thức sau:

1 .( )

; (2.1) trong đó:

N là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán sẽ thông qua đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên cả 2 chiều (trục/ngày đêm);

ni là số lần tác dụng của loại tải trọng trục i có trọng lượng trục pi cần được quy đổi về tải trọng trục tính toán Ptt (trục tiêu chuẩn hoặc trục nặng nhất) Trong tính toán quy đổi thường lấy ni bằng số lần của mỗi loại xe i sẽ thông qua mặt cắt ngang điển hình của đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm cho cả 2 chiều xe chạy;

C1 là hệ số số trục được xác định theo biểu thức (2-2):

C1=1+1,2 (m-1); (2.2) Với m là số trục của cụm trục i ;

C2 là hệ số xét đến tác dụng của số bánh xe trong 1 cụm bánh: với các cụm bánh chỉ có 1 bánh thì lấy C2 =6,4; với các cụm bánh đôi (1 cụm bánh gồm 2 bánh) thì lấy C2 =1,0; với cụm bánh có 4 bánh thì lấy C2 =0,38

2.2.4 Số trục xe tính toán trên một làn xe và trên kết cấu áo lề có gia cố 2.2.4.1.Định nghĩa

Số trục xe tính toán Ntt là tổng số trục xe đã được quy đổi về trục xe tính toán tiêu chuẩn (hoặc trục xe nặng nhất tính toán) sẽ thông qua mặt cắt ngang đoạn đường thiết kế trong một ngày đêm trên làn xe chịu đựng lớn nhất vào thời kỳ bất lợi nhất ở cuối thời hạn thiết kế tuỳ thuộc loại tầng mặt dự kiến lựa chọn cho kết cấu áo đường

Xác định Ntt theo biểu thức (2-3):

Ntt = Ntk.fl (trục/làn.ngày đêm); (2-3) trong đó:

Ntk: là tổng số trục xe quy đổi từ k loại trục xe khác nhau về trục xe tính toán trong một ngày đêm trên cả 2 chiều xe chạy ở năm cuối của thời hạn thiết kế Trị số Ntk được xác định theo biểu thức (2-1) nhưng ni của mỗi loại tải trọng trục i đều được lấy số liệu ở năm cuối của thời hạn thiết kế và được lấy bằng số trục i trung bình ngày đêm trong khoảng thời gian mùa mưa hoặc trung bình ngày đêm trong cả năm (nếu ni trung bình cả năm lớn hơn ni trung bình trong mùa mưa) ;

fl: là hệ số phân phối số trục xe tính toán trên mỗi làn xe Hệ số fl của các làn xe trên phần xe chạy:

1.Trên phần xe chạy chỉ có 1 làn xe thì lấy fl = 1,0;

2.Trên phần xe chạy có 2 làn xe hoặc 3 làn nhưng không có dải phân cách thì lấy fl =0,55;

3.Trên phần xe chạy có 4 làn xe và có dải phân cách giữa thì lấy fl =0,35; 4.Trên phần xe chạy có 6 làn xe trở lên và có dải phân cách giữa thì lấy fl=0,3;

5 ở các chỗ nút giao nhau và chỗ vào nút, kết cấu áo đường trong phạm vi chuyển làn phải được tính với hệ số fl = 0,5 của tổng số trục xe quy đổi sẽ qua nút

2.2.4.2 Số trục xe tính toán trên kết cấu lề có gia cố:

Số trục xe tính toán Ntt để thiết kế kết cấu áo lề gia cố trong trường hợp giữa phần xe chạy chính và lề không có dải phân cách bên được lấy bằng 35  50% số trục xe tính toán của làn xe cơ giới liền kề tuỳ thuộc việc bố trí phần xe chạy chính

Trường hợp phần xe chạy chỉ có 2 làn xe trở xuống thì nên lấy trị số lớn trong phạm vi quy định nêu trên; còn trường hợp phần xe chạy có 4 làn xe trở lên và có dải phân cách giữa thì lấy trị số nhỏ

2.3.Tính toán cường độ kết cấu nền áo đường và kết cấu áo lề có gia cố theo tiêu chuẩn độ võng đàn hồi cho phép

2.3.1 Điều kiện tính toán

Theo tiêu chuẩn này kết cấu được xem là đủ cường độ khi trị số mô đun đàn hồi chung của cả kết cấu nền áo đường (hoặc của kết cấu áo lề có gia cố) Ech lớn hơn hoặc bằng trị số mô đun đàn hồi yêu cầu Eyc nhân thêm với một hệ số dự trữ cường độ về độ võng Kdv

cd được xác định tuỳ theo độ tin cậy mong muốn Ech  Kdv

cd Eyc ; (2.4)