Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Ứng dụng bệ phản áp vào ổn định nền đường với kích thước tối ưu nhât

Từ những vấn đề nêu trên đặt ra việc nghiên cứu tính toán bệ phản áp trong nền đất yếu nói riêng, nền đất tự thiên nói chung với những giả thiết hợp lý hơn với thực tế làm việc của nền đ

TRẦN ĐỨC THƯỞNG

ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP VÀO ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG

VỚI KÍCH THƯỚC TỐI ƯU NHẤT

Chuyên nghành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã Số: 60 58 02 11

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN ĐỨC THƯỞNG MSHV: 7140776 Ngày, tháng, năm sinh: 28/07/1987 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã ngành: 60 58 02 11

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng bệ phản áp vào ổn định nền đường với kích thước tối ưu nhất II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 NHIỆM VỤ:

- Nghiên cứu cách tính toán tối ứng nhất cho bệ phản áp - Nghiên cứu kích thước tối ưu nhất cho chiều cao đất đắp - Mô phỏng sự làm việc của bệ phản áp bằng phần mềm Geoslope ver2007 để

phân tích và đánh giá sự làm việc của bệ phản áp trong việc gia cố nền đường

2 NỘI DUNG: - Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan về bệ phản áp - Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tính toán cho bệ phản áp - Chương 3: Ứng dụng bệ phản áp để ổn định nền đường cho tuyến đường

quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang - Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/08/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS VÕ PHÁN

Tp HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

PGS.TS VÕ PHÁN PGS.TS LÊ BÁ VINH PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM

Luận văn Thạc sĩ hoàn thành đảm bảo nội dung và tiến độ là nhờ sự hướng

dẫn tận tình và nhiệt huyết của PGS.TS VÕ PHÁN Tác giả xin bày tỏ lòng tri ân chân thành nhất đến PGS.TS VÕ PHÁN và các thầy trong bộ môn đã tạo điều

kiện tốt nhất cho em học tập và nghiên cứu, luôn tận tâm giảng dạy cung cấp cho em nhiều kiến thức, tài liệu quý báu

Xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa, Ban Lãnh Đạo khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Phòng Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và

tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng xin bày tỏ lòng ghi ơn và tri ân sâu sắc nhất đến gia đình đã

luôn động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện Luận văn

HỌC VIÊN

TRẦN ĐỨC THƯỞNG

Tóm tắt:

Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là các vùng đồng bằng sông Cửu Long Ở vùng đồng bằng, đất yếu là chủ yếu Những vùng này dân cư đông đúc và chiếm một vị trí quan trọng Sự mất ổn định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra trên những vùng đất yếu này, rõ ràng nguyên nhân chủ yếu từ nền đất yếu và biện pháp xử lý chưa phù hợp Nghiên cứu về bệ phản áp cho việc tăng độ ổn định nền cũng là yếu tố hết sức cần thiết

Liên quan đến bệ phản áp ổn định cho nền đường, bên cạnh các ưu điểm

thường được dùng để tăng độ ổn định của khối đất đắp của nền đường hoặc nền đê trên nền đất yếu Phương pháp đơn giản song có giới hạn là phát sinh độ lún phụ của bệ phản áp và diện tích chiếm đất để xây dựng bệ phản áp Chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp được thiết kế từ các chỉ tiêu về sức kháng cắt của đất yếu, chiều dày, chiều sâu lớp đất yếu và trọng lượng của bệ phản áp Bệ phản áp cũng

điểm cũng như nhược điểm đó Đề tài còn nêu lên các ưu điểm và hạn chế của bệ phản áp trong gia cố nền đường Từ đó, cung cấp cho những ai quan tâm đến lĩnh vực thiết kế và thi công các tuyến đường khác tại địa phương

Summary:

Our country has more territories from soft soil formations, especially the Mekong River delta In the plains, the land is mostly weak These areas are densely populated and occupied an important position Instability damage persists embankment on soft soil, apparently the main cause of weak soil and treatments are not appropriate Research on counter pressure pad for reinforcing foundations are also essential elements

Concerning counter-pressure pads for road base reinforcement, besides the advantages commonly used to increase the stability of the embankment of the road-dike or background on soft ground The simplest method is limited but there arise secondary settlement tanks, pressure and land area to build counter-pressure pad The height and width of the platform is designed to counter pressure from the indicators of weak soil shear strength, thickness, depth and weight of soft soil of counter pressure pad Trays counter pressure is also used to protect dykes and sand sparkling effervescent circuit protection to clarify the advantages and disadvantages

The theme also highlights the advantages and limitations of counter-pressure pad in reinforced embankment From there, providing those interested in the field of design and construction of other roads in the area

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thưc hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức thực nghiệm, thu thập các số liệu, nghiên cứu khảo sát tình hình thực tế dưới sự hướng dẫn của

thầy PGS.TS Võ Phán

Các số liệu, mô hình tính toán và những kết quả trong luận văn là trung thực, được xuất phát từ thực tiễn, các số liệu, cơ sở lý thuyết được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh mục tài liệu tham khảo

Học viên thực hiện

Trần Đức Thưởng

2 Mục tiêu nghiên cứu 01

1.2 Nền đất yếu 04

1.2.1 Khái niệm đất yếu 04

1.2.2 Nền đất yếu ở Việt Nam 04

1.2.3 Hiện tượng mất ổn định của nền đường đắp trên đất yếu 05

1.3 Tải trọng của nền đường đắp tác dụng lên nền đất tự nhiên 06

1.4 Trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn của nền đất 06

1.4.1 Cân bằng đàn hồi và cân bằng dẻo 06

1.4.1.1 Đất là vật liệu đàn - dẻo lý tưởng 06

1.4.1.2 Đất là vật liệu cứng - dẻo lý tưởng 09

1.4.2 Lý thuyết biến dạng tuyến tính 10

1.4.3 Lý thuyết cân bằng giới hạn 15

1.4.3.1.Cơ sở của lý thuyết cân bằng giới hạn 15

1.4.3.2 Hệ phương trình cơ bản 15

1.4.3.3 Các lời giải của hệ phương trình cơ bản 16

1.4.4 Lý thuyết đàn - dẻo dùng cho khối đất .17

1.4.4.1 Tải trọng giới hạn đàn hồi 18

1.4.4.2 Bài toán hỗn hợp đàn - dẻo về khối đất 18

1.4.4.3 Lý thuyết Cam – Clay 19

1.4.5 Các phương pháp dùng mặt trượt giả định 19

1.4.7 Phương pháp xác định ứng suất theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất đạt giá trị

nhỏ nhất trong nền đất 23

1.5 Giải pháp tăng cường sức chịu tải (tải trọng giới hạn) của nền đất yếu 23

1.6 Giới thiệu về bệ phản áp 24

1.6.1 Các đặc trưng yêu cầu về bệ phản áp 26

1.6.2 Phân tích ưu nhược điểm của bệ phản áp trong gia cố nền đường 27

1.6.2.1 Ưu điểm 27

1.6.2.2 Nhược điểm 27

1.6.3 Tính toán bệ phản áp trên nguyên lý làm tăng độ chôn sâu của nền đắp 27

1.6.4 Tính toán bệ phản áp theo dạng làm xoải taluy nền đường đắp 30

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN CHO BỆ PHẢN ÁP .34

2.1 Đặt vấn đề 34

2.2 Khảo sát quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu với tải trọng bệ phản áp 35

2.2.1 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn và chiều rộng tải trọng bệ phản áp 35

2.2.2 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp 37

2.3 Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới tải trọng nền đường đắp 39

2.3.1 Trường hợp không xét góc ma sát trong của đất yếu 39

2.3.1.1 Xây dựng toán đồ thiết kế bệ phản áp 39

2.3.1.2 Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp hợp lý .41

2.3.2 Trường hợp xét góc ma sát trong của nền đất yếu 46

2.4.2 Xây dựng toán đồ thiết kế bệ phản áp rộng vô hạn 50

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP ĐỂ ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG CHO TRUYẾN ĐƯỜNG QUỐC LỘ 61B, TỈNH HẬU GIANG 52

3.1 Giới thiệu công trình Quốc lộ 61B .52

3.2 Điều kiện tự nhiên 53

3.2.1 Vị trí khu vực 53

3.2.2 Địa hình khu vực 53

3.2.3 Điều kiện khí hậu 53

3.2.4 Điều kiện địa chất 53

3.3 Tính toán cho tuyến đường quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang 55

3.3.1 Tính toán tải trọng giới hạn và chiều rộng tải trọng bệ phản áp cho công trình 55 3.3.2 Tính toán tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp .57

3.3.3 Chiều rộng hợp lý và cường độ hợp lý 59

3.4 tính toán tác dụng của bệ phản áp lên độ ổn định của nền đất đắp, độ lún lệch của đất nền bằng phần mềm Geoslope cho tuyến đường quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang 60

3.4.1 Xác định kích thước ban đầu của bệ phản áp .64

3.4.2 Phân tích ảnh hưởng của của bệ phản áp lên mức độ ổn định của công trình theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn và chọn lựa kích thước bệ phản áp hợp lý 67

3.4.3 Tác dụng của bệ phản áp lên sự phân bố độ lún của nền đất yếu dưới công trình đắp 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

Bảng 1.3 Các tải trọng (1-3)/q và (1+3)/q cho trường hợp tải trọng phân bố theo

tam giác ……… 32

Bảng 2.1 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ tải trọng bệ phản áp 35 Bảng 2.2 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ tải trọng bệ phản áp 36

Bảng 2.3 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với tải trọng bệ phản áp 39

Bảng 2.4 Chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp 41

Bảng 2.5 Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ma sát trong, f() 47

Bảng 2.6 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ của tải trọng bệ phản áp rộng vô hạn 49

Bảng 2.7 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ của tải trọng bệ phản áp rộng vô hạn (q/c) và góc ma sát trong () 51

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát địa chất các lớp đất lân cận được tổng hợp theo bảng dưới 53

Bảng 3.2 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ tải trọng bệ phản áp 56 Bảng 3.3 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ tải trọng bệ phản áp 57 Bảng 3.4 Chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp 59

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ lý trung bình của lớp bùn sét ……… 61

Bảng 3.6 Các hệ số ổn định min với các kích thước bệ phản áp thay đổi ………… 68

Hình 1.4 Ứng suất tác dụng trên phân tố đất ……… …… … 08

Hình 1.5 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ……… ……… ……… 10

Hình 1.6 Sơ đồ tính toán của bài toán phẳng ……… …….…… 11

Hình 1.7 Các quy định về mức độ phát triển của vùng biến dạng dẻo ……….….… 13

Hình 1.8 Vòng Mohr ứng suất tiếp xúc với đường Coulomb ……….… 15

Hình 1.9 Sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt ……….…… 16

Hình 1.10 Sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt theo đề nghị của Berezansev cho đất có trọng lượng ……….……… …… 20

Hình 1.11 Các dạng bệ phản áp 25

Hình 1.12 Vùng biến dạng dẻo dưới nền đường đắp 26

Hình 1.13 Sơ đồ bố trí bệ phản áp 27

Hình 1.14 Bệ phản áp theo sơ đồ làm tăng độ chôn sâu nền đường ……… 28

Hình 1.15 Sơ đồ phạm vi tồn tại của mặt trượt nguy hiểm nhất ……… 30

Hình 1.16 Bệ phản áp theo sơ đồ làm xoải chân taluy nền đường ……… 31

Hình 1.17 Sơ đồ thiết lập đường thẳng cân bằng giới hạn F1 và đường quan hệ giữa hiệu và tổng ứng suất chính trên trục đối xứng của tải trọng F2 ……… 31

Hình 2.1 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp (phi0 và phi5 - trường hợp 2.2.1 và 2.2.2) ……… ……… ….… 36

Hình 2.2 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp (phi0 và phi5 - trường hợp 2.2.1 và 2.2.2) 38

Hình 2.3 Toán đồ xác định tải trọng giới hạn của nền đất yếu 40

Hình 2.4 Quan hệ giữa chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp 42

Hình 2.5 Đường chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp 44

Hình 2.6 Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với tải trọng bệ phản áp rộng vô hạn 49

Hình 2.7 Toán đồ xác định tải trọng giới hạn của nền đất yếu 51

Hình 3.1 Mặt bằng tuyến đường quốc lộ 61B 52

Hình 3.6 Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn khi không có bệ phản ……… 64 Hình 3.7 Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn của nền đất dưới nền đắp khi không có bệ phản áp với H=3,0 m ……… 65 Hình 3.8 Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn với bệ phản áp có kích thước (hpa=1,0 m & bpa=5,0 m) ……… …… 66 Hình 3.9 Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn của nền đất dưới nền đắp khi có bệ phản áp với H=3,0 m và bệ phản áp có (hpa = 1, 0m & bpa=5,0 m) ……….….… 67 Hình 3.10a Phạm vi cung trượt khi min1,0 cho nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn khi không có bệ phản áp ……… 69 Hình 3.10b Phạm vi cung trượt khi min1,0 cho nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn khi không có bệ phản áp ……… 69 Hình 3.11 Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn với bệ phản áp có kích thước (hpa=1,20 m & bpa=7,0 m) ……… ………… 71 Hình 3.12 Kích thước bệ phản áp tối ưu cho nền đường đắp có H=3,0 m với phạm vi xuất hiện vùng biến dạng dẻo trong nền đất yếu hầu như không có ………….…… 72 Hình 3.13 Sự phân bố độ lún tức thời mặt nền đất dưới nền đắp cao H=3,0m khi không có (a) và khi có bệ phản áp (b) với kích thước hpa = 1,2m & bpa=7,0m …… 73 Hình 3.14 Sự phân bố độ lún ổn định mặt nền đất dưới nền đắp có H=3,0m khi không có (a) và khi có bệ phản áp (b) với kích thước hpa = 1,2m & bpa= 7,0m ……… 75

c: KN/ m2 Lực dính đơn vị D: m Chiều sâu chôn cọc

Eu KN/ m Module biến dạng trong điều kiện không thoát nước

N : KN/ m2 Tổng các lực gây trượt N Hệ số sức chịu tải theo trọng lượng thể tích Nc Hệ số sức chịu tải theo lực dính đơn vị Nq Hệ số sức chịu tải theo tải trọng bên m : Hệ số điều kiện làm việc

mw Hệ số nén tương đối nước lỗ rỗng

o: g/cm3 Thông số xác định theo bảng 1.3

 độ Góc ma sát trong của đất

dn KN/ m3 Dung trọng của đất nền đắp

 Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của đất nước, mạng lưới đường giao thông được đầu tư xây dựng rất lớn Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là vùng đồng bằng sông Cửu Long Vùng này dân cư đông đúc và chiếm một vị trí quan trọng Sự mất ổn định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra trên những vùng đất yếu này, rõ ràng nguyên nhân chủ yếu từ nền đất yếu Có thể nói rằng sự hiểu biết chưa đầy đủ về nền đất yếu và biện pháp gia cố là nguyên nhân thiết kế nền đường đắp bị mất ổn định hoặc gây lãng phí tốn kém Nghiên cứu về bệ phản áp trong ổn định nền đường nói riêng hay nền đất nói chung, xác định việc tính toán để đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công là vấn đề đầu tiên quan trọng

Bệ phản áp là một giải pháp lâu đời được sử dụng nhiều, thực tế đã chứng minh hiệu quả tăng cường ổn định, đặc biệt làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu Với công nghệ thi công đơn giản và tận dụng được vật liệu tại chỗ, bệ phản áp đã được xây dựng với nền đường đắp qua vùng đất yếu và sửa chữa nền đường mất ổn định Tuy nhiên, tính toán thiết kế bệ phản áp của nền đường đắp còn dựa vào kinh nghiệm và các phương pháp gần đúng Do đó, có thể dùng cách tính về tải trọng giới hạn của nền đất chịu tải trọng móng mềm để khảo sát ảnh hưởng của bệ phản áp, hợp lý hoá thiết kế kích thước, khắc phục nhược điểm để có thể vận dụng tiết kiệm và hiệu quả vào thực tế Từ những vấn đề nêu trên đặt ra việc nghiên cứu tính toán bệ phản áp trong nền đất yếu nói riêng, nền đất tự thiên nói chung với những giả thiết hợp lý hơn với thực tế làm việc của nền đất chịu tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp sẽ góp phần bổ sung lý thuyết nghiên cứu, góp phần tích cực vào thực tế xây dựng nền đường đắp và mạng lưới giao thông ngày nay

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định việc tính toán trong nền đất tự thiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp là hết sức cần thiết, giải quyết về vấn chất lượng cho các mạng lưới giao thông của vùng nói riêng và trên các vùng đất yếu của cả nước nói

chung Đồng thời xác định chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp tối ưu nhất cho công trình đắp ổn định

3 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu các phương pháp tính toán tối ưu nhất về bệ phản áp cho việc ổn định nền đất yếu ở đồng bằng song Cửu Long, đồng thời thiết lập được đông thời xác lập được chiều cao và chiều rộng cho bệ phản áp tối ưu nhất

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học:

Đề tài nghiên cứu, tính toán sự làm việc của bệ phản áp và chiều cao đất đắp cho ta cái nhìn khoa học về sự làm việc của bệ phản áp đối với nền đất yếu Phân tích áp lực đất tính toán và nội lực phát sinh bên trong nền đất và bệ phản áp

Ngoài ra, đề tài còn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Geoslope) mô phỏng gần sát với điều kiện làm việc của bệ phản áp ngoài thực tế cho ta có thể kiểm soát được trạng thái ứng xử của đất và các nguyên nhân tác động lên chúng bằng cách đưa các thông số đầu vào phù hợp, là một công cụ hỗ trợ đắc lực giúp tìm ra lời giải chính xác hơn, đồng thời xác định được chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp tối ưu

4.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài làm rõ ưu nhược điểm của bệ phản áp trong việc ổn định cho nền đất yếu làm cơ sở cho việc ứng dụng hiện tại và trong tương lai phục vụ cho nhu cầu xây dựng mạng lưới giao thông nơi thị trấn, thành phố, nơi tập trung đông dân cư… Dùng phần mềm Geoslope mô phỏng, dự đoán các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình thi công làm giảm nguy cơ gây hại đến công trình

5 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu:

Đề tài chỉ mô phỏng, phân tích, tính toán sự làm việc của bệ phản áp trong phạm vi giới hạn địa chất của công trình và một số vùng lân cận Dựa trên hồ sơ khảo sát địa chất, các số liệu quan trắc xem như là tương đối chính xác để làm cơ sở nghiên cứu cho bài toán phân tích cho nền đường

Đề tài không đi sâu nghiên cứu về biện pháp thi công cho bệ phản áp

Hình 1.1 Trắc ngang của nền đường đắp

(1 - nền đất tự nhiên; 2 - nền đường đắp)

Trong hình 1.1 ký hiệu: B và H là chiều rộng và chiều cao nền đắp; 1/m là độ dốc ta luy nền đắp Hiện nay, bề rộng nền đường ô tô được thiết kế B 6,0 m [6]; thông thường độ dốc ta luy đắp được chọn 1/1,5 Chiều cao nền đường đắp tối thiểu phải từ 1,2 ÷ 1,5 m kể từ chỗ tiếp xúc với đất yếu [1]

Các hướng dẫn và yêu cầu thiết kế, thi công nền đường ô tô ở Việt Nam trong tiêu chuẩn: Đường ô tô - Yêu cầu thiết kế - TCVN 4054:2005 và các tài liệu khác [2], [3] Nói chung nền đường cần đảm bảo các yêu cầu sau: - Nền đường phải đảm bảo ổn định toàn khối, tức là không để xảy ra các hiện tượng: trượt lở mái ta luy; trượt trồi lún sụp nền đắp trên nền đất yếu… - Nền đường phải đảm bảo có một cường độ nhất định và đảm bảo ổn định về cường độ Theo [4], [5], cho thấy trong

quá trình xây dựng và sử dụng, nền đường có thể bị phá hoại, không đạt được các yêu cầu trên với nhiều nguyên nhân khác nhau

1.2 Nền đất yếu

1.2.1 Khái niệm đất yếu

Theo [6], [7], [8], thì đất yếu là các loại đất có thể có các nguồn gốc khác nhau (khoáng vật hoặc hữu cơ) và điều kiện hình thành khác nhau (trầm tích ven biển, vịnh biển, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu thổ hoặc hình thành do đất tại chỗ ở những vùng đầm lầy có mực nước ngầm cao, có nước tích đọng thường xuyên…) nhưng đều có các đặc trưng dưới đây:

- Cường độ chống cắt nhỏ và thường tăng lên theo độ sâu; - Biến dạng nhiều (lún nhiều) khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài và biến dạng tuỳ thuộc thời gian chất tải;

- Tính thấm nước kém (hệ số thấm nhỏ) và thay đổi theo sự biến dạng của đất yếu; - Hệ số rỗng lớn;

- Đất ở trạng thái bão hoà hoặc gần bão hoà nước Theo [1] thì ở nước ta định nghĩa đất yếu như sau: - Loại có nguồn gốc khoáng vật, thường là sét hoặc á sét trầm tích, hàm lượng hữu cơ có thể tới 10 ÷ 12% Ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét thì e  1,5, á sét thì e  1), lực dính đơn vị theo kết quả cắt nhanh không thoát nước Cu < 15 kPa, góc ma sát trong = 0 ÷ 10o, hoặc theo kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường cu < 35 kPa Ngoài ra, còn có đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1, độ bão hòa G > 0,8) - Loại có nguồn gốc hữu cơ, thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 ÷ 80%

Nói chung, khái niệm đất yếu được hiểu giống nhau ở các nước [8]

1.2.2 Nền đất yếu ở Việt Nam

Theo [5], cho thấy Việt Nam có diện tích không nhỏ thành tạo đất yếu, đặc biệt là các vùng đồng bằng alluvi của sông Hồng, sông Cửu Long và đồng bằng ven biển miền Trung Đất yếu thường gặp là các loại đất sét mềm, bùn và than bùn Ngoài ra ở một số vùng còn gặp loại đất có ở nhiều tính chất của loại đất lún sập như đất ba

zan ở Tây Nguyên, và thỉnh thoảng còn gặp các vỉa cát chảy là những loại đất yếu có các đặc trưng riêng biệt Thực tế của những năm xây dựng các công trình cho thấy móng của nhiều công trình công nghiệp, dân dụng, giao thông, thuỷ lợi… đặt trên nền đất yếu

1.2.3 Hiện tượng mất ổn định của nền đường đắp trên đất yếu

Ổn định của đất là tương quan giữa độ bền, khả năng chịu tải của đất đối với các lực và các đặc trưng gây phá hoại trong đất do tải trọng bản thân của đất và tải trọng ngoài gây ra Ổn định tổng thể của nền đường và nền đất yếu dưới nền đường có thể bị mất nếu các điểm phân tố mất ổn định đã xảy ra trong một vùng đáng kể [5] Xét theo điều kiện ổn định của nền đất yếu dưới nền đường đắp có thể nêu lên hai trường hợp mất ổn định thường gặp sau:

- Mất ổn định theo dạng phình trồi: đây là trường hợp nền đường chưa bị xé

rách nhưng bị võng xuống và đẩy đất yếu phình lên hai bên chân ta luy, như hình 1.2a Với trường hợp này vùng phá hoại (chứa các điểm mất ổn định) trong nền đất yếu đã xuất hiện nhưng chưa đạt tới mức có thể gây ra một mặt trượt liên lục xé rách nền đất yếu và nền đường

Hình 1.2 Các dạng mất ổn định của nền đường đắp trên nền đất yếu

(a - dạng phình trồi; b - dạng trượt trồi)

- Mất ổn định theo dạng trượt trồi: trong trường hợp này đã xảy ra một mặt

trượt liên tục làm xé rách nền đường và đẩy đất yếu trượt trồi lên phía chân ta luy,

như hình 1.2b Vùng phá hoại trong nền đất yếu đã vượt quá mức giới hạn tương ứng cho ổn định tổng thể của nền đường trên đất yếu Nguy cơ mất ổn định càng lớn khi đất yếu phân bố ngay trên bề mặt thoáng và dễ xảy ra trong và ngay sau quá trình đắp nền đường (khi đất yếu chưa kịp cố kết) [8], [9] Các tiêu chuẩn trên thế giới đều đưa ra yêu cầu đầu tiên khi xây dựng nền đắp trên đất yếu là không được để xảy ra mất ổn định Vì đất yếu có độ bền thường nhỏ hơn nhiều so với đất đắp nền đường, nên khi đánh giá mức độ ổn định tổng thể của nền đường trên đất yếu người ta thường dựa vào sức chịu tải - tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp [5]

1.3 Tải trọng của nền đường đắp tác dụng lên nền đất tự nhiên

Người ta thường tách riêng phần móng đặt trên nền đất tự nhiên để xem xét và gọi ứng suất tiếp xúc hay ứng suất đáy móng là tải trọng trực tiếp tác dụng lên nền đất Đối với nền đất tự nhiên chịu tác dụng tải trọng nền đường đắp, thì tải trọng nền đường đắp được xem là tải trọng móng mềm [2], [10], [11], [12] Trị số áp lực tại mỗi điểm trên mặt thoáng chính bằng trọng lượng cột đất ở trên đó Do nền đường đắp thường có chiều dài lớn hơn rất nhiều so với chiều rộng và nền đất tự nhiên là bán không gian vô hạn, cho nên có thể xét bài toán phẳng để nghiên cứu Khi đó tải trọng nền đường đắp tác dụng lên nền đất, như hình 1.1 là tải trọng thẳng đứng (ứng suất đáy nền đường đắp) phân bố có dạng hình thang, tức là hình dạng mặt cắt của nền đường

1.4 Trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn của nền đất

1.4.1 Cân bằng đàn hồi và cân bằng dẻo 1.4.1.1 Đất là vật liệu đàn - dẻo lý tưởng

- Để làm cơ sở cho sự phân tích ổn định của khối đất, đất được giả thiết có quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như hình 1.3 sau:

Khi chịu tải, quan hệ ứng suất  và biến dạng  là tuyến tính trong phạm vi Oa và khi ứng suất đạt đến trị số ứng với điểm a thì đường quan hệ ứng suất - biến dạng song song với trục biến dạng (đường ab) Vật liệu có đặc tính như vậy được gọi là vật thể đàn - dẻo lý tưởng: giai đoạn đầu là đàn hồi và sau là chảy dẻo (biến dạng dẻo)

Hình 1.3 Mô hình đàn - dẻo lý tưởng

Sự cân bằng của đất ứng xử trong giai đoạn đàn hồi gọi là sự cân bằng đàn hồi (cân bằng bền) Sự cân bằng với trạng thái ứng suất biến dạng ứng với điểm a (hoặc đoạn ab) trong hình là sự cân bằng dẻo (cân bằng giới hạn)

- Theo thuyết bền Mohr – Coulomb đối với đất nêu lên rằng: “cường độ chống

cắt của đất tăng tuyến tính với ứng suất pháp và đất tại một nơi nào đó trong khối đất sẽ bị phá hoại nếu vòng tròn Mohr tại nơi ấy tiếp xúc với đường Coulomb của đất” Vòng tròn Mohr tiếp xúc với đường Coulomb được quy ước gọi là vòng tròn

Mohr giới hạn Một điểm nào đó ở trong nền đất ở trạng thái cân bằng bền thì:

(1.1)

Trong đó:

,  - các thành phần ứng suất tiếp và ứng suất pháp trên mặt đang xét; s - cường độ chống cắt của đất;

c, - lực dính đơn vị và góc ma sát trong của đất

Ở trạng thái cân bằng giới hạn thì:

ctg

ctg



 ktgc0

f (1.3) với: f(k) - gọi là giá trị bền, giá trị này không thể lớn hơn 0, bởi vì khi f(k) = 0 thì điểm ở trong đất đã bắt đầu mất ổn định

Tuy vậy, theo thì điều kiện bền Mohr - Coulomb phù hợp với đất cát Với đất sét, điều kiện này áp dụng cũng tương đối phù hợp, nhưng phải xem xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng, mà áp lực này lại là một hàm của thời gian, vì vậy cường độ chống cắt cũng là một hàm của thời gian

- Theo lý thuyết đàn hồi, khi đất ứng xử trong giai đoạn đàn hồi, trạng thái ứng suất tại một điểm nào đó trong khối đất (bài toán phẳng) được đặc trưng bằng ba thành phần ứng suất x, z, xz theo các phương trong hệ trục x0z, hình 1.4 Các thành phần ứng suất phải thoả mãn hai điều kiện: điều kiện cân bằng tĩnh và điều kiện liên tục

Hình 1.4 Ứng suất tác dụng trên phân tố đất

Từ điều kiện cân bằng tĩnh ta có:







0

zx

xz

xzx

xzz







(1.4)

trong đó:  - trọng lượng thể tích của đất Từ điều kiện liên tục ta có:

2



Với: 2 – Toán tử Laplacce, 2

22

22

z





- Khi đất ứng xử chảy dẻo, tức ở trạng thái cân bằng giới hạn các thành phần ứng suất thoả mãn điều kiện cân bằng tĩnh (1.4) và điều kiện cân bằng giới hạn (điều kiện phá hoại Mohr - Coulomb) Từ phương trình (1.3) biểu thị bằng các ứng suất x, z, xz ta có:

22

2









222

sin2

4)(









tgc

xz

xzx

z

Như vậy, dù phân tố đất tại điểm nào đó ở trạng thái cân bằng bền hoặc ở trạng thái cân bằng giới hạn bài toán xác định ứng suất là tĩnh định: có đủ ba phương trình để xác định ba thành phần ứng suất x, z, xz Sử dụng phương trình (1.4) và (1.5) để xác định ứng suất trong khối đất đang ở trạng thái cân bằng bền, dùng phương trình (1.4) và (1.6a) hoặc (1.6b) để xác định ứng suất và hệ thống mặt trượt trong khối đất bị phá hoại

1.4.1.2 Đất là vật liệu cứng - dẻo lý tưởng

Trong trường hợp giai đoạn đàn hồi rất ngắn, tức điểm a trong hình trên xem như nằm trên trục tung (trục ) hình 1.5a vật liệu được xem như cứng - dẻo lý tưởng Khi ứng suất đạt đến độ cứng của đất, đất bị phá hoại kiểu “giòn” và chuyển sang giai đoạn chảy dẻo hệ phương trình (1.4) và (1.6a) hoặc (1.6b) để xác định thành phần ứng suất tại điểm đã bị phá hoại “giòn”

Hình 1.5 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

(a - mô hình cứng - dẻo lý tưởng; b - mô hình biến dạng phi tuyến)

Mô hình cứng - dẻo lý tưởng không thích hợp với đất và hiện bị phê phán nhiều Tuy nhiên, vẫn được dùng khi chỉ cần tính toán phân tích sự phá hoại đất vì tính toán đơn giản và kết quả tính toán cũng phù hợp với thực nghiệm [12] Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu xét đến tính biến dạng phi tuyến của đất, như hình 1.5b Kết quả đạt được khá phù hợp với cách ứng xử của nhiều loại đất

1.4.2 Lý thuyết biến dạng tuyến tính

Lý thuyết biến dạng tuyến tính nghiên cứu cách ứng xử của đất khi đất còn làm

việc trong giai đoạn 0a, ở hình 1.3, giai đoạn biến dạng tuyến tính Hệ phương trình

cơ bản của lý thuyết biến dạng tuyến tính: Xét một phân tố đất tại điểm M trong

khối đất trong hệ toạ độ Descartes, như hình 1.4 Trạng thái ứng suất tại M được xác định bằng các thành phần ứng suất x, z, xz (xét trong bài toán phẳng) thoả mãn điều kiện cân bằng tĩnh, hệ phương trình (1.4)

Với điều kiện tương thích của biến dạng, các thành phần ứng x, z, xz phải thoả mãn phương trình (1.5)

Như vậy, ba phương trình có thể xác định được ba ẩn hàm x, z, xz khi biết điều kiện biên của bài toán Điều kiện tăng tải một chiều, các bài toán đàn hồi, ví dụ bài toán Boussinesq, bài toán Flamant, bài toán bàn nén… trong lý thuyết đàn hồi đều được ứng dụng trong cơ học đất

- Để xác định ranh giới của khu vực biến dạng dẻo, dựa vào điều kiện Mohr – Coulomb (bài toán phẳng), từ phương trình (1.6b) biến đổi ta được:





















tgc

xz

xzx

z

24)(

arcsin

22

Vế phải của biểu thức (1.7) là biểu diễn góc lệch  Khi  =  thì mọi điểm trong đất nằm trên đường ranh giới của khu vực biến dạng dẻo và khu vực đàn hồi, khi  <  thì thuộc khu vực đàn hồi, khi  >  thì thuộc khu vực biến dạng dẻo Xét trường hợp một móng băng có chiều rộng b, chiều sâu đặt móng h Dưới đáy móng có tải trọng phân bố đều p tác dụng Tải trọng của lớp đất trong phạm vi chôn móng q = h Vì móng hình băng cho nên bài toán quy về bài toán phẳng như hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ tính toán của bài toán phẳng

Tại một điểm M ở độ sâu z, trên biên vùng biến dạng dẻo, ứng suất thẳng đứng 0

Z

 do trọng lượng bản thân gây ra

)(

0

zh

Ứng suất nằm ngang xo do trọng lượng bản thân gây ra

00

trong đó: k - hệ số áp lực ngang Vì trạng thái cân bằng giới hạn của đất tương ứng với trạng thái dẻo của vật rắn, tức lúc đó sự thay đổi hình dạng của vật không kèm theo sự thay đổi về thể tích, cho nên hệ số nở hông  = 0,5 và như vậy hệ số áp lực ngang k = /(1 - ) = 1,0 Dựa trên lập luận đó người ta giả thiết một cách gần đúng rằng k = 1,0

và x0 = Z0 = (h + z)

Như vậy x0 , Z0 đều là ứng suất chính, vì vậy người ta nói rằng ứng suất do trọnglượng bản thân đất gây nền phân bố theo quy luật thuỷ tĩnh [1]

Ứng suất chính do tải trọng gây ra tại M tính theo công thức:

hz

hp







Trong đó; 2 – góc nhìn Muốn tìm phương trình biểu diễn ranh giới khu vực biến dạng dẻo phải áp dụng điều kiện cân bằng giới hạn Morh - Coulomb biểu diễn dưới dạng ứng suất chính 1, 2 và biến đổi ta được:







tgc

2sin

21

21





Thay phương trình (1.10) vào (1.11) và sau khi sắp xếp lại ta có:







tgchh

p







sin)2sin(

Phương trình (1.12) cho ta trị số z, là chiều sâu của những điểm nằm trên đường ranh giới của khu vực biến dạng dẻo Chiều sâu z thay đổi tùy theo góc nhìn 2 Để tìm chiều sâu lớn nhất của khu vực biến dạng dẻo thì phải xuất phát từ điều kiện:

01sin

)2cos(













hpd

dz

Từ đó, giải phương trình (1.13) được trị số của 2

  

2

Chiều sâu lớn nhất của khu vực biến dạng dẻo zmax















tgcchz

tgc

2

max

Tải trọng giới hạn tương ứng với các chiều sâu lớn nhất zmax của khu vực biến dạng dẻo:

cchz

ctg















2max

N P Puzyrevsky đã chứng minh công thức (1.16) và sử dụng để tìm tải trọng po tương ứng với zmax = 0, nghĩa là khu vực biến dạng dẻo vừa mới xuất hiện ở hai mép đáy móng Tải trọng tính trong trường hợp này là tải trọng an toàn Thực tế cho thấy tải trọng này nhỏ hơn tải trọng giới hạn thứ nhất pgh1 - là tải trọng giới hạn đàn hồi [14]

- Nhận thấy khi khu vực dẻo dần phát triển, thì điểm chảy dẻo của khu vực đó (tương ứng với zmax) chạy trên một vòng tròn có quỹ tích đi qua hai mép đáy móng với góc nhìn 2 (đường nét đứt trong hình 1.7a)

Hình 1.7 Các quy định về mức độ phát triển của vùng biến dạng dẻo

(a – theo N P Puzyrevsky; b - theo N N Maslov; c – theo I V Iaropolxki) N N Maslov quy định không cho khu vực dẻo phát triển vào phạm vi dưới đáy móng bao gồm giữa hai đường thẳng đứng đi qua mép đáy móng, như hình 1.7b khi đó:

zmax = 2Rsin = btg           (1.17) I V Iaropolxki, tải trọng giới hạn là tải trọng ứng với lúc khu vực cân bằng giới hạn phát triển tới độ sâu lớn nhất, như hình 1.7c, khi đó: 









24.2cos

2

)sin2(max





tgcbb

Lúc này các khu vực cân bằng giới hạn đã nối liền nhau, do đó tải trọng tính theo công thức Iaropolxki có thể coi là tải trọng giới hạn (tải trọng phá hoại), tương ứng với trạng thái của nền đất lúc bắt đầu mất ổn định Tải trọng tính theo công thức của Maslov có thể coi là tải trọng cho phép [15]

- Phương pháp xây dựng những đường đẳng trị K0 theo G M Sakhunhian Với K0 là hệ số ổn định chống trượt tại một điểm tính toán trong nền đất, có trị số bằng:

)(

20 Aatg

trong đó:

211







Nếu K0 > 1 thì tại điểm xét không phát sinh biến dạng dẻo; K0 < 1 thì phát sinh biến dạng dẻo; K0 = 1 điểm đang xét nằm trên ranh giới vùng biến dạng dẻo Vùng biến dạng dẻo (nếu có) là vùng giới hạn bởi đường K0 = 1 và có chiều rộng là bd Phương pháp này không có sự khác biệt về nguyên tắc so với cách làm theo công thức (1.7)

- Theo tài liệu [22] đã kiểm tra ổn định nền đường bằng ứng suất cắt hoạt động

a, được tính:





cos1sin

22

2121







Tại một điểm trong nền đất nếu a < c thì ổn định, ngược lại xuất hiện biến dạng dẻo Trường hợp tải trọng nền đường phân bố theo dạng hình thang cân với các độ dốc ta luy của nền đường đắp khác nhau, giả thiết bỏ qua trọng lượng bản thân nền đất tự nhiên, tính được tải trọng an toàn và tải trọng giới hạn ứng với trường hợp vùng biến dạng dẻo có chiều rộng bẳng nửa bề rộng trung bình của tiết diện tải trọng Khi xét đến trọng lượng bản thân nền đất tự nhiên, ứng suất cắt hoạt động sẽ là:

a= a-z.tg             (1.22)

với: z - là độ sâu điểm xem xét

Sau đó dựa vào điều kiện a = c và có thể dùng phương pháp đồ giải để vẽ ranh giới vùng biến dạng dẻo

Nói chung, các phương pháp nêu trên dựa vào lý thuyết đàn hồi để xác định ứng suất sau đó xác định vùng biến dạng dẻo trong đất, rồi khống chế phát triển của khu vực này để xác định tải trọng giới hạn lên nền đất Tuy vậy, các khu vực biến

dạng dẻo rất nhỏ, khi nó không gây nên sự biến đổi quá lớn về trạng thái ứng suất của đất nền, cũng như không gây nên sự phát triển quá lớn của các khu vực biến dạng dẻo thì có thể chấp nhận đất là nửa không gian biến dạng tuyến tính Thực tế, để áp dụng được lý thuyết này người ta quy định chiều sâu phát triển tối đa của khu vực biến dạng dẻo là 1/4 chiều rộng tải trọng [13]

1.4.3 Lý thuyết cân bằng giới hạn

Lý thuyết cân bằng giới hạn được xây dựng trên các cơ sở sau: - Dùng mô hình cứng - dẻo, hình 1.5a;

- Công nhận thuyết phá hoại Mohr – Coulomb; - Giả thiết rằng khi khối đất bị phá hoại thì mọi điểm của khối đất đều cùng đạt trạng thái ứng suất giới hạn

1.4.3.2 Hệ phương trình cơ bản

Một điểm M trong khối đất có trạng thái ứng suất được đặc trưng bằng vòng Mohr ứng suất Trong bài toán phẳng biết x, z, xz hoặc 1, 2 tại M thì vòng Mohr ứng suất được xác định hoàn toàn Khi điểm M đạt trạng thái giới hạn, theo lý thuyết phá hoại Mohr – Coulomb, vòng Mohr ứng suất tiếp xúc với đường Coulomb, hình 1.8

Hình 1.8 Vòng Mohr ứng suất tiếp xúc với đường Coulomb

























sin22

2

na

Zxz

Xzx

xzxzx

zxzz

xzx

trong đó: n = c/tg ; X, Z - là thành phần lực đơn vị thể tích theo phương x và phương z Khi không có lực thấm và động đất thì X = 0 và Z =  Hệ phương trình (1.23) có ba phương trình chứa ba ẩn số x, z, xz

1.4.3.3 Các lời giải của hệ phương trình cơ bản

- Lời giải của L Prandtl: Năm 1920, hệ phương trình (1.23) được giải lần đầu tiên cho đất không trọng lượng ( = 0) Tải trọng giới hạn ứng với sơ đồ hình băng (móng băng cứng chiều rộng b, có đáy móng trơn nhẵn) khi có tải trọng hông (tải trọng bên) q =  h, được xác định theo biểu thức:

 ecctgctg

cq

sin1

sin1



trong đó: e - cơ số logarit tự nhiên;

pgh - tải trọng giới hạn của nền đất

Hình 1.9 Sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt

Công thức (1.24) trên ứng với sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt trình bày ở hình 1.9 Trong khu vực I, đường trượt là những đoạn thẳng làm với phương đứng một góc (/4 - /2) Trong khu vực II, có hai họ đường trượt,

trong đó họ thứ nhất là những đường xoắn logarit có điểm cực tại mép móng và xác định theo phương trình r = retg, còn họ thứ hai là những đoạn thẳng xuất phát từ cực Trong khu vực III, đường trượt là những đoạn thẳng làm với phương đứng một góc (/4 + /2)

Khi ≈ 0, theo Prandtl, trong trường hợp bài toán phẳng, tải trọng giới hạn sẽ bằng:

Mặc dù vậy, lý thuyết cân bằng giới hạn vẫn mô phỏng một cách gần đúng sự làm việc của nền khi mất ổn định [10] Kết quả tính toán có giá trị quan trọng trong việc xây dựng các công thức, các phương pháp bán kinh nghiệm hiện nay phù hợp với thực tế khách quan khá phức tạp khi khối đất bị phá hoại [13]

1.4.4 Lý thuyết đàn - dẻo dùng cho khối đất

Khác với lý thuyết cân bằng giới hạn, lý thuyết đàn - dẻo xét đến ứng xử đàn hồi trước khi đất đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn Mô hình đất được xét là mô hình đàn - dẻo, như mô tả ở hình 1.3

Thí nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi khối đất bị phá hoại không phải các điểm của khối đất đều đạt trạng thái cân bằng giới hạn - tức là cân bằng dẻo mà còn có những miền trong đó đất đang còn ứng xử đàn hồi Lý thuyết này đã xét đến thực tế ứng xử khách quan của khối đất

1.4.4.1 Tải trọng giới hạn đàn hồi

Nền đất chịu tải trọng hình băng phân bố đều, như hình 1.6, xét trường hợp tải trọng bên q = 0 và nền đất có = 0, ≈ 0 và c ≠ 0, theo N P Puzyrevski thì tải trọng giới hạn đàn hồi p0 xác định theo lý thuyết biến dạng tuyến tính:

ctgcq



2.max





1.4.4.2 Bài toán hỗn hợp đàn - dẻo về khối đất

Hiện nay chưa có lời giải giải tích chính xác cho những bài toán hỗn hợp đàn – dẻo đặt ra trong kỹ thuật nền móng, thường phải dùng phương pháp số

Nhận thấy, phương pháp đàn - dẻo phần nào tính được tương tác giữa vùng biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo mà những phương pháp khác không làm được Tuy nhiên, các phương pháp này rất khó vì tính rất phức tạp về mặt toán học [13] như:

- Khi vùng biến dạng dẻo đã phát triển thành miền thì cần xét đến sự phân bố lại ứng suất trong miền chưa bị biến dạng dẻo (miền đàn hồi);

- Khi cho rằng vùng biến dạng dẻo đã hình thành và vẽ được giới hạn vùng này thì căn cứ tiêu chuẩn nào để kết luận khối đất nền đã đạt trạng thái cân bằng giới hạn

1.4.4.3 Lý thuyết Cam - Clay

Theo [2], [13], thì lý thuyết Cam - Clay dựa trên cơ sở đất ứng xử như vật liệu đàn - dẻo, nghiên cứu về đất ở trạng thái giới hạn, dựa trên mô hình toán do các nhà khoa học ở Trường Đại học Cambridge đề xuất và phát triển Tiêu chuẩn phá hoại đất xét đến quá trình ứng xử của đất trước khi phá hoại và khi phá hoại Lý thuyết Cam - Clay nói chung cho rằng đất và vật liệu nội ma sát có quy luật nén dạng logarit Mặt bao trạng thái được xem như mặt hóa mềm và như mặt thế dẻo

Sự khác nhau giữa các mô hình Cam - Clay hiện nay là xác định phương trình toán học của những đường hóa mềm [2]

1.4.5 Các phương pháp dùng mặt trượt giả định

Đặc điểm của các phương pháp dùng mặt trượt giả định là không căn cứ trực tiếp vào tình hình cụ thể của tải trọng và tính chất cơ lý của nền đất quy định mặt trượt cho nền đất

1.4.5.1.Phương pháp mặt trượt giả định mặt phẳng

Điển hình là các phương pháp của W Rankine, G E Pauker, N M Gerxevanov… Nói chung việc giả định trước mặt trượt phẳng hoặc gẫy khúc là chưa hợp lý, thực tế mặt trượt xảy ra phức tạp hơn nhiều [13]

1.4.5.2 Phương pháp mặt trượt trụ tròn

Đển hình là các phương pháp của K E Petterson, V Fellenius, M M Grisin, A W Bishop, V A Florin… Phương pháp dựa trên giả thiết mặt trượt trụ tròn có nguyên lý đơn giản, có thể áp dụng cho các trường hợp khi đất trong phạm vi cung trượt không đồng nhất, hoặc khi mặt đất không phải là mặt phẳng nằm ngang mà là mặt nằm nghiêng hoặc gồ ghề [14]

Phương pháp phân mảnh cổ điển hoặc Bishop với mặt trượt tròn khoét xuống vùng đất yếu được sử dụng làm phương pháp cơ bản để tính toán đánh giá mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu trong tiêu chuẩn ngành giao thông [1]

1.4.5.3 Phương pháp mặt trượt theo lý luận cân bằng với nền đồng nhất

Theo lý thuyết cân bằng giới hạn, với nền không có trọng lượng ( = 0), L Prandtl đã xác định được mặt trượt khi khối đất nền ở trạng thái cân bằng giới hạn, hình 1.9 Khối đất trượt được phân làm ba vùng: vùng chủ động tam giác (vùng I)

ngay dưới đáy móng và có xu thế dịch chuyển xuống dưới theo móng; vùng bị động Rankine (vùng III) dạng tam giác có xu thế dịch chuyển lên trên; vùng trung gian (vùng II) kẹp giữa vùng chủ động và bị động Các vùng I, vùng II và vùng III được xem như vật thể rắn

- Phương pháp của K Terzaghi (1943) Để xét đến độ nhám của đáy móng thực

tế Terzaghi lấy góc = (góc  là góc ma sát trong của đất) Đây là cách hiểu khác với mặt trượt tính toán theo Prandtl với đáy móng nhẵn Terzaghi cũng bỏ qua ảnh hưởng của trọng lượng đất đến dạng mặt trượt như Prandtl đã giải bài toán

Để xét đến trọng lượng đất nền Terzaghi xét sự cân bằng tĩnh của phần khối đất trượt Từ điều kiện cân bằng tĩnh của hệ lực, Terzaghi đưa ra công thức ở dạng có ba hệ số không thứ nguyên với móng băng như sau:

cNqNbNPgh    q  c

21

trong đó: N , Nq, Nc - là các hệ số không thứ nguyên, phụ thuộc vào , xác định theo bảng lập sẵn

- Phương pháp của V G Berezansev

Trường hợp bài toán phẳng Đối với móng nông (b/h < 0,5), theo Berezansev thì các dạng đường trượt và lõi đất có dạng hình tam giác cân với hai góc ở đáy bằng /4 như hình 1.10

Hình 1.10 Sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt theo đề nghị

của Berezansev cho đất có trọng lượng

Sự hình thành của “lõi đất” phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như độ nhám của đáy móng, độ sâu chôn móng, độ chặt của đất, tính chất của tải trọng… Thí nghiệm của De Beer, Krivorotov đối với đất cho thấy rằng dưới đáy móng nhẵn không hình

thành lõi đất Thí nghiệm của Berezansev trên nền cát, thì góc ở đỉnh nền cát bằng 60o - 90o, cát càng chặt thì góc đó càng nhỏ, tức chiều cao lõi đất càng lớn Thí nghiệm của Lê Quý An đối với đất sét cho thấy rằng trọng lượng riêng của đất trong phạm vi lõi đất lớn hơn hẳn so với đất xung quanh, chứng tỏ rằng đất trong lõi đã bị nén chặt Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả khác cũng cho thấy rằng sự tồn tại của lõi đất có tác dụng làm tăng sức chịu tải của nền đất [14]

Phương pháp của Berezansev đã được đưa vào quy phạm thiết kế cầu cống của Liên xô (SN200 - 62) để tính sức chịu tải của nền đất

- Phương pháp của Vesic (1973)

Trên cơ sở thí nghiệm trong phòng và nghiên cứu thực địa, Vesic nhận thấy góc hình nêm đất dưới móng gần trị số của Prandtl, tức  = /2+ /2 lớn hơn là trị số  =  mà Terzaghi đề nghị

Phương pháp của P D Ebdokimov (1964) Phương pháp này được TCVN của

nước ta [37] và SNiP – 85 quy định dùng Phương pháp này cũng dựa vào mặt trượt xác định theo lý thuyết lý thuyết cân bằng giới hạn của Novotorsev cho đất không trọng lượng và để xét đến lực dính của đất nền đã vận dụng nguyên lý về trạng thái ứng suất tương đồng của Caquot Ngoài ra, còn có các nghiên cứu của Phan Trường Phiệt và các tác giả khác

Nói chung, các nghiên cứu theo phương pháp mặt trượt theo lý luận cân bằng với nền đồng nhất trong bài toán phẳng, đưa về biểu thức dạng sau:

Pgh = Nb + Nq.q + Nc.c (1.31) trong đó:

b và q - chiều rộng đáy móng và cường độ tải trọng bên;  và c - trọng lượng thể tích và lực dính đơn vị của nền đất thiên nhiên; N, Nq và Nc - là các hệ số không thứ nguyên xét đến ảnh hưởng của .b, q và c, xác định theo bảng lập sẵn phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất 

Từ công thức (1.31) có thể nhận xét: - Sức chịu tải hay tải trọng giới hạn của nền đất phụ thuộc không những vào tính chất địa kỹ thuật của đất nền (c, và ) mà còn phụ thuộc vào đặc tính chất địa kỹ

thuật của đất nền (c,  và ) mà còn phụ thuộc vào đặc tính của công trình (b và q)

- Công nhận nguyên lý cộng tác dụng của các yếu tố c, q và .b Tuy nhiên, trong những điều kiện phức tạp của nền đất và tải trọng thì phương pháp dùng mặt trượt giả định vẫn được dùng để xác định sức chịu tải hay tải trọng giới hạn của nền đất

1.4.6 Phương pháp phân tích giới hạn

Theo [13], thì khi phân tích trạng thái giới hạn của nền đất thì có thể dùng hai định lý phân tích giới hạn Nhờ có hai định lý này ta không cần đi sâu vào phân tích dẻo mà không những xác định được tải trọng giới hạn (sức chịu tải) của nền đất mà cả trạng thái ứng suất giới hạn

- Định lý giới hạn dưới sử dụng trong xác định trạng thái ứng suất, có nội dung

là: “Tải trọng phá hỏng thực là tải trọng lớn nhất trong tất cả các tải trọng ở điều

kiện cân bằng”

Định lý này có nghĩa là có một trạng thái ứng suất tĩnh cho phép mà không vi phạm trạng thái ứng suất giới hạn, cấu thành giới hạn dưới cho tải trọng phá hoại Tải trọng phá hoại thực phải luôn luôn lớn hơn tải trọng của hệ cân bằng

Trạng thái ứng suất cho phép về mặt tĩnh học (hoặc một hệ cơ bản) là sự phân bố của ứng suất thoả mãn:

+ Các phương trình cân bằng lực tại mỗi điểm; + Điều kiện biên của ứng suất;

+ Điều kiện giới hạn không bị vượt quá tại bất kỳ điểm nào của vật thể - Định lý giới hạn trên sử dụng trong xác định trạng thái biến dạng, có nội

dung là: “Tải trọng phá hỏng thực là tải trọng nhỏ nhất trong tất cả các tải trọng ở

cơ chế phá hỏng và nếu tải trọng này được xác định dựa trên nguyên lý công ảo”

Một cơ chế phá hỏng cho phép của chuyển vị là sự phân bố của chuyển vị và biến dạng thoả mãn các điều kiện:

+ Chuyển vị phải liên tục (không có chỗ đứt đoạn hoặc trùng nhau khi trượt); + Các điều kiện biên của chuyển vị;

+ Ở chỗ nào có biến dạng thì ứng suất phải thoả mãn điều kiện bền Chú ý trong các định lý và định nghĩa của trạng thái ứng suất và biến dạng cho phép, mối quan hệ liên tục là không được đề cập

Trong cơ học đất, dạng mô hình của bài toán giới hạn (khi tính toán sức chịu tải của nền đất) được thể hiện qua các lời giải của Prandtl, Sokolovski, Berezansev… Khi tính toán áp lực ngang ở trạng thái giới hạn (tìm hệ số áp lực đất chủ động và bị động) thì được thể hiện qua các lời giải của Coulomb và Rankine

1.4.7 Phương pháp xác định ứng suất theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất đạt giá trị nhỏ nhất trong nền đất

Theo [16] nghiên cứu đất là môi trường hạt rời với các tính chất đặc biệt, không tuân theo quy luật đàn hồi, đàn - dẻo… để xác định trạng thái ứng suất trong nền đất Ngô Thị Thanh Hương đã đề xuất bổ sung điều kiện ổn định theo ứng suất tiếp lớn nhất đạt giá trị nhỏ nhất trong nền đất như sau:

min1 2

GZ

1.5 Giải pháp tăng cường sức chịu tải (tải trọng giới hạn) của nền đất yếu

Theo [8] và [16], thì giải pháp công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu có thể chia thành hai nhóm như sau:

Nhóm 1: các giải pháp tác động đến bản thân nền đắp như xây dựng nền đắp

theo giai đoạn; xây dựng bệ phản áp; gia tải trước; giảm tải trọng của nền đắp (đắp

bằng vật liệu nhẹ); bố trí thêm các lớp vải hoặc lưới địa kỹ thuật ở đáy và thân nền đường đắp…

Nhóm 2: các giải pháp tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đất đắp như

thay toàn bộ hoặc một phần đất yếu bằng vật liệu đắp tốt; hút chân không; cột balát, cọc cát và bấc thấm; cột đất gia cố vôi hoặc xi măng; điện thấm; đóng cọc

- Để lựa chọn các giải pháp áp dụng cho một công trình nền đắp cụ thể cần xem xét tới các tiêu chí dưới đây:

+ Khả năng thực hiện tại chỗ như điều kiện về vật liệu, thiết bị, tay nghề; + Tác động của quá trình thi công đến môi trường xung quanh;

+ Thời hạn thi công tối đa có thể có; + Có đáp ứng được các yêu cầu khai thác sử dụng lâu dài hay không; + Chi phí đắt hay rẻ

- Nguyên tắc lựa chọn giải pháp thường là: trước hết nên đề cập đến giải pháp đơn giản, tiếp đó là các giải pháp xử lý nông rồi mới đến các giải pháp xử lý sâu [8]

Như vậy, có rất nhiều giải pháp để lựa chọn xử lý nền đất yếu và tăng cường sức chịu tải hay tải trọng giới hạn

- Bệ phản áp là giải pháp thuộc nhóm 1, là các khối đất đá đắp ở hai bên công trình để chống trượt do xuất hiện vùng biến dạng dẻo dưới nền đất yếu khi làm nền đường, đê, đập ở phía trên Bệ phản áp còn dùng để phòng lũ, chống sóng, chống thấm mất nước Cấu tạo thường gặp bệ phản áp theo dạng làm tăng độ chôn sâu của nền đường và bệ phản áp theo dạng làm xoải ta luy nền đường

1.6 Giới thiệu về bệ phản áp

Bệ phản áp là một giải pháp lâu đời được sử dụng nhiều để làm tăng tải trọng giới hạn nền đất yếu dưới nền đường đắp, giải pháp này có nhiều tác dụng và ưu điểm Tuy vậy, tính toán thiết kế còn dựa vào kinh nghiệm và các phương pháp gần đúng Do đó, có thể dùng cách tính toán hợp lý về tải trọng giới hạn của nền đất chịu tải trọng móng mềm để thiết kế bệ phản áp của nền đường đắp trên đất yếu là việc làm mang ý nghĩa thực tế cao và cấp thiết

b'

Hình 1.11 Các dạng bệ phản áp

(a - dạng làm tăng độ chôn sâu; b - dạng làm xoải ta luy)

Bảng 1.1 Tác dụng, ưu và nhược điểm của giải pháp bệ phản áp

Tác dụng, ưu và nhược điểm Bệ phản áp Tăng mức độ ổn định của nền đắp trong giai đoạn

Khả năng gặp rủi ro trong thi công Ít Khả năng kiểm soát chất lượng thi công Dễ

Chú ý: Dấu “X” là đạt yêu cầu

1.6.1 Các đặc trưng yêu cầu về bệ phản áp

Vật liệu đắp bệ phản áp có thể sử dụng đất xấu, tại chỗ, thi công có thể không cần đầm lèn Giải pháp này thích hợp khi diện tích đất giành cho đường không bị hạn chế, thường là vùng thung lũng miền núi và trung du Thực tế, bệ phản áp không những được sử dụng trong giai đoạn thiết kế thi công mà còn dùng được cả trong giai đoạn vận hành khai thác nền đường để xử lý nền đường mất ổn định Hiện nay, kích thước bệ phản áp có thể xác định theo sự hình thành vùng biến dạng dẻo, lý luận cân bằng giới hạn để xác định mặt trượt và trạng thái giới hạn của nền đất, phương pháp mặt trượt trụ tròn …