Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu sự ổn định của nền đất yếu dưới nền đường khi thi công nền đường theo nhiều giai đoạn

Trong đề tài còn giới thiệu các quan điểm trong việc phân tích ổn định như phân tích theo ứng suất tổng, ứng suất hữu hiệu, cơ chế thoát nước, không thoát nước,… Địa chất được nghiên cứu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU SỰ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG KHI THI CÔNG NỀN ĐƯỜNG

THEO NHIỀU GIAI ĐOẠN

Chuyên ngành: XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

Mã ngành: 60 58 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2012

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS LÊ BÁ KHÁNH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

Chương 3: Tính toán sự gia tăng sức chống cắt của nền đất yếu khi thi công nền đường

theo nhiều giai đoạn Chương 4: Ứng dụng tính toán ổn định của nền đất yếu dưới nền đường Rừng Sác,

huyện Cần Giờ, Tp Hồ Chí Minh Kết luận và kiến nghị

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04-07-2011 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30-06-2012 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS VÕ PHÁN

LỜI CÁM ƠN

Trong thời gian học tập tại trường tôi đã nhận được những kiến thức quý báu để thực hiện luận văn và áp dụng trong công việc, đó là nhờ sự dạy dỗ tận tình của các thầy cô giáo Trước hết tôi muốn gởi lời cám ơn đến các thầy cô trong Bộ Môn Cầu Đường và Bộ Môn Địa Cơ Nền Móng, đặc biệt là PGS TS VÕ PHÁN, người đã giảng dạy đồng thời cũng là người trực tiếp hướng dẫn giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cám ơn đến các đồng nghiệp đã giúp tôi thu thập số liệu cho luận văn, các bạn bè đã quan tâm, chia sẽ với tôi trong thời gian học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn

Tôi đặc biệt cám ơn đến những người thân trong gia đình Sự động viên, chia sẽ và giúp đỡ của mọi người là niềm động lực lớn lao đối với tôi trong suốt thời gian học tập

Cuối cùng, xin gởi lời chúc những gì tốt đẹp nhất đến với tất cả mọi người Trân trọng!

Học viên

Trần Văn Hải

TÓM TẮT

Đề tài tập trung nghiên cứu sự ổn định của nền đất yếu dưới nền đường khi thi công nền đường theo nhiều giai đoạn thông qua hệ số an toàn theo hai phương pháp là phần tử hữu hạn và cân bằng giới hạn, bằng cách mô phỏng với hai chương trình máy tính là Plaxis và Slope/W Trong đề tài còn giới thiệu các quan điểm trong việc phân tích ổn định như phân tích theo ứng suất tổng, ứng suất hữu hiệu, cơ chế thoát nước, không thoát nước,… Địa chất được nghiên cứu ở đây là loại đất sét hữu cơ yếu ở trạng thái bão hòa nước, và vấn đề chính được giải quyết là tương quan giữa sự gia tăng sức chống cắt của đất nền đến hệ số an toàn ở các giai đoạn hay thời điểm khác nhau Bên cạnh đó là đánh giá sự phù hợp của các thông số chống cắt ở các loại thí nghiệm khác nhau đối với việc phân tích ổn định Từ đó kiến nghị phương pháp khảo sát và thiết kế phù hợp nhất đối với giải pháp thi công và loại địa chất này

ABSTRACT

Topic is devoted to study the stability of the soft ground under embankment during staged construction base on the safety factor with two methods as finite element and limit equilibrium, by simulating with two computer programs are Plaxis and Slope/W The subject also introduces the views of the stability analysis as the total stress analysis, effective stress analysis, the mechanism of drained, undrained, Geology is studied in saturated organic clays, and the main issues to be addressed is the correlation between the increase of shear strength in the ground to the safety factor during staged construction Besides, there is evaluating the suitability of the shear parameters in different types of experiments for the stability analysis Then propose best suited method to survey and design for this type of the construction and solution of geology

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

5 Giới hạn của đề tài 2

Chương1 TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỐNG CẮT VÀ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẤT YẾU 3

1.1 Khái niệm về đất yếu 3

1.2 Các yêu cầu về ổn định khi thiết kế nền đắp trên đất yếu 4

1.3 Những hư hỏng thường gặp 5

1.4 Một số trường hợp thực tế xây dựng nền đường đắp trên đất yếu 6

1.5 Sức chống cắt và sự ổn định của đất nền 7

1.6 Vấn đề đánh giá sức chống cắt của đất nền 9

1.7 Khảo sát địa kỹ thuật để xây dựng nền đường đắp trên đất yếu 9

1.8 Sự ổn định tùy theo chế độ thoát nước và điều kiện lực tác dụng 11

1.9 Phân tích theo phương pháp cân bằng giới hạn 12

1.10 Vấn đề hệ số an toàn theo giai đoạn xây dựng 14

1.11 Phân tích với sức chống cắt không thoát nước (USA) 15

1.12 Định nghĩa về sức chống cắt không thoát nước 16

1.13 So sánh phân tích ổn định theo ứng suất hữu hiệu và theo sức chống cắt không thoát nước trong quá trình xây dựng theo giai đoạn 17

1.13.1 Phân tích ứng suất hữu hiệu 17

1.13.2 Quan niệm so sánh 18

1.14 Phương pháp phân tích lịch sử chịu tải của nền đường đắp theo giai đoạn 21

1.15 Tính toán sức chống cắt không thoát nước dựa vào các thí nghiệm trong phòng

Chương 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT YẾU 27

2.1 Độ bền sức chống cắt và một số dạng mất ổn định 27

2.2 Sức chịu tải của đất nền 28

2.3 Tính toán sức chịu tải của đất nền 31

2.3.1 Các phương pháp xuất phát từ điều kiện cân bằng giới hạn và sử dụng lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính 31

2.3.2 Tính sức chịu tải của nền đất yếu theo tải trọng giới hạn 37

2.3.3 Các phương pháp khác 40

2.4 Kết luận chương 2 44

Chương 3 TÍNH TOÁN SỰ GIA TĂNG SỨC CHỐNG CẮT CỦA NỀN ĐẤT YẾU KHI THI CÔNG NỀN ĐƯỜNG THEO NHIỀU GIAI ĐOẠN 46

3.1 Ổn định của nền đất yếu trong trường hợp thi công một giai đoạn 46

3.2 Ổn định của nền đường đắp theo nhiều giai đoạn 47

3.2.1 Các loại phân tích và phạm vi 47

3.2.2 Ước tính sự tăng lên của sức chống cắt không thoát nước dựa trên các mối

liên hệ kinh nghiệm 48

3.3 Sự thay đổi các đặc trưng chống cắt trong giải pháp đắp theo nhiều giai đoạn 51

3.4 Tính toán thiết kế nền đường đắp theo nhiều giai đoạn 53

3.5 Phân tích bài toán bằng chương trình máy tính 59

3.6 Kết luận chương 3 62

Chương 4 ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG RỪNG SÁC, HUYỆN CẦN GIỜ, TP HỒ CHÍ MINH 63

4.1 Giới thiệu về công trình 63

4.2 Phân tích bài toán 66

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Họ và tên: TRẦN VĂN HẢI Ngày, tháng, năm sinh: 18-09-1984 Nơi sinh: Quảng Ngãi Địa chỉ liên lạc: 62/27 thị trấn La Hà, Huyện Tư Nghĩa, Tỉnh Quảng Ngãi

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Năm 2009: Tốt nghiệp trường Đại Học Tôn Đức Thắng Năm 2010 - nay: Học viên cao học trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia

Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Năm 2009: Làm việc tại công ty TNHH Thuận Việt

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề

Việc xây dựng nền đường đắp theo nhiều giai đoạn từ lâu đã được đề cập và hướng dẫn trong các quy trình, tiêu chuẩn mà ở đó còn tồn tại các vấn đề cần cân nhắc trong việc thiết kế, thi công Một trong những việc cần quan tâm là lựa chọn phương pháp tính toán, chỉ tiêu, thí nghiệm,… sao cho hợp lý, có độ tin cậy cao Điều này có ý nghĩa quan trọng trọng việc tối ưu hóa phương pháp thiết kế và thi công công trình

Đối với công trình xây dựng nền đường đắp trên nền đất yếu thì một trong những vấn đề quan trọng là độ ổn định, vì nó liên quan đến việc lựa chọn phương pháp khảo sát, thiết kế cũng như thi công Hiện nay có nhiều phương pháp hay nhiều quan niệm cho việc tính toán ổn định như tính toán theo ứng suất tổng, ứng suất hữu hiệu, theo mô hình thoát nước hay không thoát nước,…và nhiều chương trình máy tính mạnh mẽ về các bài toán địa kỹ thuật cho phép chúng ta phân tích bài toán nền móng công trình một cách rõ ràng hơn Tuy nhiên để áp dụng có hiệu quả chúng ta cần phải biết được các ưu khuyết điểm, sự thích hợp của những phương pháp hay những mô hình

Trên tinh thần đó tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu sự ổn định của nền đất yếu dưới

nền đường khi thi công nền đường theo nhiều giai đoạn” nhằm đánh giá trạng

thái ổn định của nền đất yếu dưới nền đường ở các thời điểm cần thiết để từ đó đề xuất các phương pháp khảo sát, thiết kế và thi công công trình một cách hợp lý nhất

2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là đánh giá độ tin cậy trong việc lựa chọn các thông số chống

cắt tương ứng với các phương pháp phân tích ổn định và xem xét tương quan của sự gia tăng sức chống cắt theo thời gian của nền đất yếu đối với sự ổn định tổng thể của công trình trong quá trình thi công Từ đó kiến nghị phương pháp khảo sát, thiết kế và thi công nhằm tránh được những hư hỏng liên quan đến sự ổn định trong thời gian thi công và khai thác công trình

3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của đề tài là căn cứ vào các thông số chống cắt có được

trong những thí nghiệm cắt cánh hiện trường, cắt trực tiếp và nén ba trục để mô phỏng, phân tích ổn định thông qua hệ số ổn định (FS) với hai phần mềm Plaxis v8.2 và Slope/W 2004 Sau đó so sánh, nhận xét các giá trị của FS và đối chiếu với trạng thái quan sát được ở ngoài thực địa, từ đó đánh giá độ tin cậy của các thông số của những loại thí nghiệm nêu trên Bên cạnh đó là đánh giá phương pháp dự tính sự tăng lên của sức chống cắt khi sử dụng các thông số của thí nghiệm cắt cánh hiện trường và cắt trực tiếp bằng cách đối chiếu giữa kết quả tính toán và kết quả khảo sát (thí nghiệm) sau thời gian dài

Đắp nền đường theo nhiều giai đoạn (nhiều đợt) là phương pháp xử lý đất yếu ít tốn kém nhất vì không cần phải xử lý đất nền bên dưới, đồng thời nó còn tận dụng được sự gia tăng sức chống cắt theo thời gian do quá trình cố kết, đặc biệt là các công trình cho phép thời gian thi công dài Vì vậy việc thiết kế và thi công hợp lý sẽ giảm thiểu các sự cố và mang lại hiệu quả kinh tế cao

Trên thực tế, các công trình thiết kết nền đường đắp trên đất yếu hầu hết là dựa vào quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu 22TCN 262 - 2000, trong đó có nêu ra các vấn đề về tính toán ổn định và sức chống cắt Vì vậy nghiên cứu này là cần thiết, qua đó đánh giá được tính phù hợp và cách áp dụng cho các vấn đề trên

5 Giới hạn của đề tài Đề tài chỉ nghiên cứu cho địa chất là loại đất sét yếu hữu cơ ở trạng thái hầu như

là bão hòa nước Chưa quan tâm nhiều đến trạng thái ứng suất trong quá trình thi công mà chỉ tập trung vào hệ số ổn định, và chủ yếu xét đến sự ổn định tổng thể của công trình mà

chưa quan tâm cụ thể về ổn định taluy, nền đường, các phân vùng,…

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ SỨC CHỐNG CẮT VÀ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẤT YẾU

Đất yếu là những loại đất có sức chịu tải nhỏ và tính nén lún lớn Khi xây dựng nền đường đắp trên nền đất yếu thì một trong những vấn đề đầu tiên cần phải quan tâm là độ ổn định của đất nền Nếu chọn giải pháp xây dựng đắp nền đường theo nhiều giai đoạn thì chúng ta cần phải quan tâm đến các tính chất ban đầu của đất yếu cũng như sự thay đổi của chúng ở mỗi giai đoạn trong quá trình thi công để chọn chiều cao đắp, tốc độ đắp…một cách hợp lý, vì nền đất yếu sẽ bị mất ổn định khi sức chống cắt của đất yếu không đủ chịu đựng được sức chống cắt do tải trọng

ngoài (đất đắp và xe cộ) gây ra 1.1 Khái niệm về đất yếu [2], [9] Đất yếu có thể chia thành ba loại: đất sét hoặc đất á sét bụi mềm, có hoặc không

có chất hữu cơ; than bùn hoặc các rất nhiều hữu cơ và bùn Ở nước ta thường gặp

các loại đất yếu là sét mềm, bùn và than bùn Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá về đất yếu, trong tài liệu [2] có nêu ra các đặc điểm

của đất yếu như sau: Đất yếu có khả năng chịu tải nhỏ (vào khoảng 0,5 - 1,0 daN/cm2), có tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e > 1), môđun biến dạng thấp ( khoảng E0 = 50 daN/cm2), sức kháng cắt nhỏ,…Nếu không có biện pháp xây dựng hoặc xử lý đúng đắn thì công trình sẽ không đạt yêu cầu

Tất cả các loại này đều được bồi tụ trong nước một cách khác nhau: bồi tích ven

biển, đầm lầy, cửa sông, ao hồ,…Trong các loại này đất sét mềm ở gần bờ biển

(đầm lầy, cửa sông,…) tạo thành họ đất yếu phát triển nhất Ở trạng thái tự nhiên độ ẩm của chúng thường bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e  1,5, đất á sét bụi e  1), lực dính không thoát nước cu  0,15 daN/cm2, góc nội ma sát  = 0, độ sệt IL > 0,5 (trạng thái dẻo mềm)

Loại có nguồn gốc hữu cơ (than bùn và đất hữu cơ) thường hình thành từ đầm lầy, nơi đọng nước thường xuyên hoặc có mực nước ngầm cao, các loại thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra trầm tích hữu cơ và trầm tích khoáng vật, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 – 80%

Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm rất cao, trung bình W% = 85 - 95% và có thể lên tới vài trăm phần trăm Than bùn là loại đất bị nén lún lâu dài, không đều và mạnh nhất Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân loại theo hàm lượng hữu cơ của chúng:

Hàm lượng hữu cơ từ 20 - 30%: đất nhiễm than bùn Hàm lượng hữu cơ từ 30 - 60%: đất than bùn

Hàm lượng hữu cơ trên 60%: than bùn Bùn là các lớp đất mới được hình thành trong môi trường nước ngọt hoặc nước biển gồm các hạt rất mịn (< 200μm) với tỉ lệ % cao Bản chất khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong Hàm lượng hữu cơ thường dưới 10%

Bùn được tạo thành chủ yếu do sự bồi lắng tại đáy các vũng, vịnh, hồ hay các cửa sông chịu ảnh hưởng của thủy triều Bùn luôn no nước và rất yếu về mặt chịu lực Cường độ của bùn rất nhỏ, biến dạng lớn, môđun biến dạng chỉ vào khoảng 1 - 5 daN/cm2 với bùn sét, từ 10 - 25 daN/cm2 với bùn á sét, bùn á cát, hệ số nén lún có thể lên tới 2 - 3 cm2/daN Với những tính chất như trên khi xây dựng nền bùn thường được nạo vét để thay đất tốt hoặc có giả pháp xử lý đặc biệt

1.2 Các yêu cầu về ổn định khi thiết kế nền đắp trên đất yếu [2], [15]

Nền đắp trên đất yếu phải đảm bảo ổn định, không được lún trồi và trượt sâu cả trong quá trình thi công đắp nền và khai thác, tức là phải đảm bảo cho nền đường luôn ổn định

Theo quy trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu 22TCN 2000 thì khi áp dụng phương pháp Bishop để kiểm toán ổn định do trượt sâu thì phải đảm bảo hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin = 1,4 Nếu tính theo phương pháp phân mảnh cổ điển thì Kmin = 1,2 hoặc Kmin = 1,1 (khi dùng kết quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước)

Cần chú ý đến việc quan trắc chuyển vị ngang trong quá trình đắp nền đường để dự đoán sự ổn định của nền đường và khống chế tốc độ đắp đất Nếu chuyển vị ngang tăng nhanh thì tạm hoãn việc đắp đất (hoặc dỡ bớt ) để tránh hiện tượng lún trồi hoặc trượt sâu có thể xảy ra Theo quy định, tốc độ lún ở đáy nền đắp (tại tim đường) không vượt quá 10mm/ngày đêm, tốc độ chuyển vị ngang ở hai bên nền đắp không vượt quá 5mm/ngày đêm

1.3 Những hư hỏng thường gặp [2], [9]

Khi đắp nền đường thì ứng suất trong đất sẽ tăng lên, nếu sự gia tăng tăng này vượt quá giới hạn thì nền sẽ bị mất ổn định Có hai dạng mất ổn định thường gặp sau:

Mất ổn định theo dạng phình trồi

Toàn bộ nền đắp lún võng vào nền đất yếu, đẩy trồi đất yếu tạo thành các bờ đất gần chân taluy.Nền đường chưa bị xé rách, vùng phá hoại (chứa các điểm mất ổn định) trong nền đất yếu đã xất hiện nhưng chưa đến mức có thể gây ra một mặt trượt liên tục xé rách nền đất yếu và nền đường

Hình 1.1 Mất ổn định dạng phình trồi Mất ổn định theo dạng trượt trồi

Dạng phá hoại này thường gặp trong xây dựng đường do dạng hình học của nền đắp Một cung trượt tròn sinh ra do nền đắp lún cục bộ, hậu quả là một bộ phận của nền đắp và nền thiên nhiên bị chuyển vị, có hình dạng thay đổi theo tính chất và các đặc trưng cơ học của vật liệu dưới nền đắp Trường hợp này xuất hiện một mặt trượt liên tục xé rách nền đường và đẩy đất yếu trượt trồi lên phía trên chân taluy Vùng phá hoại trong nền đấy yếu đã vượt quá mức giới hạn tương ứng cho ổn định tổng thể

Hình 1.2 Mất ổn định dạng trượt trồi

1.4 Một số trường hợp thực tế xây dựng nền đường đắp trên đất yếu [5] Vấn đề về ổn định trong thi công nền đường được nghiên cứu khá nhiều, có thể kể đến vài công trình điển hình mà GS Dương Học Hải và các cộng sự đã thu thập

một số các tài liệu thực tế về xây dựng nền đường đắp ở nước ta: 1 Trường hợp nền đắp ở đầu cầu Rong (Nghệ Tĩnh) với bề rộng nền 12m, taluy 1:1,5 dự kiến đắp cao 5m, nhưng đắp đến 4,8m thì bị trượt Đất yếu phía dưới là bùn sét bão hòa có c = 0,1 T/m2 và υ = 2o30’ (theo thí nghiệm cắt nhanh mẫu nguyên dạng trong phòng); γ = 1,7 T/m3; mực nước ngầm cách mặt đất 0,4m Sau khi nhóm tác giả tính toán lại theo phương pháp mặt trượt tròn (phân mảnh cổ điển) thì kết quả là chỉ cần đắp gần đến 1,0m là đã trượt Đây là một khoảng cách rất xa giữa tính toán và thực tế

2 Trường hợp thi công đắp đoạn đường qua đầm Vân Trì (đường Bắc Thăng Long – Nội Bài), nền đắp cao 2,8m (chưa đến độ cao thiết kế); bề rộng 20m; taluy 1:1,5 Đất yếu gồm 2 lớp:

- Lớp sét dẻo mềm ở phía trên dày 1,5m có γ = 1,85 T/m3; c = 1 T/m2 và υ = 3o36’ (cắt nhanh trong phòng)

- Lớp bùn sét phía dưới dày 5,5m có γ = 1,51 T/m3; c = 0,56 T/m2 và υ = 3o37’ (cắt nhanh trong phòng)

Theo kiểm toán Kmin = 1,009 tức là tương đương với trọng thái giới hạn trượt, thực tế thì hoàn toàn ổn định

Tại đây thí nghiệm cắt nhanh trong lớp bùn sét bằng phương pháp cắt cánh cho kết quả trong phạm vi cu = 1,8 – 2,0 T/m2 (gấp 4 lần sức chống cắt theo kết quả cắt trong phòng)

Cùng với các trường hợp tương tự khác, nhóm nghiên cứu đã rút ra nhiều nhận xét hữu ích Có thể kể đến vài điểm cần quan tâm sau:

1 Trị số lực dính c và góc nội ma sát υ của đất yếu theo kết quả cắt nhanh trực tiếp thường rất nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường 2 Kiểm toán theo phương pháp phân mảnh cổ điển với các thông số c, υ lấy theo kết quả cắt trực tiếp không thoát nước trong phòng thì kết quả không phù hợp với thực tế Cụ thể là với hệ số ổn định Kmin < 1 nền đắp vẫn ổn định, hoặc chiều cao đắp giới hạn tính toán quá nhỏ so với chiều cao đắp giới hạn thực tế

Với phương pháp kiểm toán trên, nếu dùng sức chống cắt tính toán xác định theo phương pháp cắt cánh hiện trường thì kết quả phù hợp với diễn biến thực tế hơn 3 Với nghiên cứu ở tuyến Cà Mau - Năm Căn, nhóm nghiên cứu nhận xét: - Hệ số ổn định cần đạt được trong quá trình thi công tối thiểu phải bằng 1,1 (Kmin = 1,1) Trong quá trình khai thác lâu dài thì hệ số này là 1,25 (Kmin = 1,25) Quy trình 22TCN 262-2000 khuyến cáo dùng Kmin = 1,2 trong quá trình thi công cho mỗi đợt đắp

1.5 Sức chống cắt và sự ổn định của đất nền [19]

Khi đắp nền đường trên đất cứng có sức chịu tải cao thì vấn đề ổn định nền đường chỉ còn là xem xét ổn định của bản thân nền đường, mà chủ yếu là tính toán ổn định taluy Nhưng đối với nền đường trên đất yếu vấn đề ổn định nền đường không những xem xét ổn định taluy mà còn phải tính toán ổn định nền đất yếu [9] Trong việc tính toán xây dựng nền đường đắp trên nền đất yếu có hai trường hợp: thi công một giai đoạn, khi sức chống cắt ban đầu của đất đủ để chịu tải trọng tối đa của nền đường và thi công nhiều nhiều giai đoạn, khi sức chống cắt ban đầu của đất không đủ để chịu tải trọng tối đa của nền đường, trong trường hợp này, cần phải chia thành nhiều đợt để thi công với yêu cầu là phải ước tính sự gia tăng sức chống cắt theo thời gian khi có tải trọng tác dụng để đưa ra tốc độ gia tải an toàn

Khi tính toán sự ổn định của nền đường trên đất yếu, cần phải cân nhắc lựa chọn các thông số ban đầu của đất và sự thay đổi giá trị của chúng do quá trình cố kết của đất để có thể tính toán chi tiết và có độ tin cậy cao hơn

Hình 1.3 Xây dựng nền đường đắp theo giai đoạn [9]

Vì vậy chương này giới thiệu tổng quan các phương pháp tính toán sự ổn định thường được sử dụng với trọng tâm là việc lựa chọn giá trị ban đầu của sức chống cắt và ước tính sự tăng lên của nó

Trên thực tế thì phương pháp phân mảnh dựa trên nguyên lý cân bằng giới hạn thường được sử dụng trong việc tính toán ổn định, đây là phương pháp thông dụng đơn giản, tuy nhiên cũng cần quan tâm đến các kỹ thuật nâng cao để đánh giá sự ổn định Vấn đề chính là đánh giá sức chống cắt của mặt phá hoại và tính toán kết quả hệ số an toàn như thế nào, có hai loại phân tích thường được xét đến là:

- Phân tích theo ứng suất tổng - Phân tích theo ứng suất hữu hiệu Phân tích theo ứng suất tổng giả định nền đất làm việc trong điều kiện không thoát nước và do đó sử dụng các thông số sức chống cắt không thoát nước Phân tích theo ứng suất hữu hiệu xem nền đất làm việc trong điều kiện thoát nước hoặc không thoát nước, sử dụng ứng suất hữu hiệu và các thông số sức chống cắt hữu hiệu

1.6 Vấn đề đánh giá sức chống cắt của đất nền [19]

Khi thiết kế đường đắp cao trên nền đất yếu, các chỉ tiêu về sức chống ngoài hiện trường thường là không đủ Hơn nữa, sẽ có sự thay đổi sức chống cắt từ sự thay đổi các điều kiện ứng suất trong các giai đoạn xây dựng Ứng xử chịu cắt của đất yếu chịu tác động nhiều vào áp lực nước lỗ rỗng, trạng thái ứng suất hữu hiệu và lịch sử ứng suất Thực tế thì kết quả từ nhóm thí nghiệm hiện trường và thí nghiệm trong phòng có một vài sự khác biệt trong việc đánh giá sức chống cắt của đất Với nhóm thí nghiệm hiện trường như cắt cánh, xuyên tĩnh, nén ngang,…thường được ưa chuộng hơn vì giá cả và tránh được sự xáo trộn của đất nguyên dạng Tuy nhiên, các phương pháp này chỉ có thể được sử dụng để xác định sức chống cắt trong điều kiện giống như lúc thí nghiệm và kết quả thường phải được hiệu chỉnh so với các thí nghiệm trong phòng với nhiều điều kiện cụ thể Mặt khác, việc lấy mẫu đem đi thí nghiệm trong phòng mô tả được hầu hết các điều kiện ứng suất, và sự thay đổi giá trị của sức chống cắt theo các điều kiện ứng suất Vì vậy cả hai nhóm thí nghiệm hiện trường và trong phòng thường được sử dụng kết hợp

Tốc độ thí nghiệm ngoài hiện trường thường quá cao so với sự thẩm thấu của loại đất yếu và đất hữu cơ mà các thí nghiệm cho thấy có thể xem như hoàn toàn không thoát nước Than bùn là một ngoại lệ vì có tính thấm (có thể cao), các thí nghiệm cho thấy phần nào có thoát nước Hầu hết các thí nghiệm trong phòng, điều kiện thoát nước có thể kiểm soát được và do đó các thông số sức chống cắt không thoát nước cũng như sức chống cắt hữu hiệu đều có thể ước tính được

1.7 Khảo sát địa kỹ thuật để xây dựng nền đường đắp trên đất yếu

Trong việc đánh giá sức chống cắt của đất nền phải kể đến tầm quan trọng của công tác khảo sát và thống kê địa kỹ thuật vì vấn đề xác định các chỉ tiêu cơ lý của nền đất yếu sẽ ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán Khảo sát địa kỹ thuật nền đất yếu là một công tác khó khăn và phức tạp, chúng ta phải lựa chọn các phương pháp khảo sát thăm dò một cách hợp lý, phù hợp với điều kiện thực tế làm việc của công trình để chọn các chỉ tiêu tính toán Tài liệu [9] có nêu ra các nguyên nhân chủ

yếu dẫn đến xác định và lựa chọn không đúng các chỉ tiêu tính toán của nền đất yếu như sau:

1 Xác định không đúng phương pháp thí nghiệm đối với điều kiện làm việc thực tế của đất nền trong quá trình xây dựng và sử dụng

- Vấn đề thoát nước của các mẫu đất trong quá trình thí nghiệm Nếu đất nền làm việc trong điều kiện nén chặt rất chậm vì trên mặt nền có những lớp đất có hệ số thấm rất nhỏ, hầu như không thấm nước thì các chỉ tiêu về độ bền của đất (c và υ) phải xác định theo phương pháp thí nghiệm cắt đất trong điều kiện không thoát nước Nhưng các số liệu thí nghiệm đưa vào tính toán cho công trình đã xác định theo phương pháp cắt đất cho thoát nước tự do Do đó giá trị các chỉ tiêu độ bền c và υ theo thí nghiệm lớn hơn nhiều so với thực tế

- Tốc độ lực cắt trong quá trình thí nghiệm không phản ánh đúng điều kiện làm việc thực tế của đất nền Nếu tốc độ tăng tải trong thực tế xây dựng công trình chậm, mà thí nghiệm cắt đất với tốc độ nhanh thì cũng nhận được các chỉ tiêu tính toán lớn hơn so với thực tế

- Xác định cấp tải trọng cần gia tải trong quá trình thí nghiệm, tìm môđun biến dạng tổng quát (E0) không phù hợp với trạng thái ứng suất gây lún thực tế trong các lốp đất chịu nén

2 Chưa chú ý đến vấn đề tập hợp và chỉnh lý các kết quả thí nghiệm

Có những trường hợp chúng ta cần tập hợp nhiều số liệu để thống kê, xử lý hay hiệu chỉnh cho phù hợp, mang tính đại diện tốt Các phương pháp thường được sử dụng là phương pháp hồi quy, phương pháp trung bình,…

3 Chưa chú ý đúng mức đến việc lấy mẫu đất Khi lấy mẫu nếu không thận trọng đúng mức thì kết cấu của mẫu đất dễ bị phá hoại một phần hay toàn bộ vì:

- Kỹ thuật lấy mẫu không đảm bảo; - Ảnh hưởng của áp lực nức trong các lỗ rỗng

Mức độ phá hoại kết cấu của đất có ảnh hưởng lớn đối với các kết quả thí

nghiệm Cùng một loại đất như nhau, do lấy mẫu theo các phương thức khác nhau

nên mức độ phá hoại vùng xung quanh mẫu cũng khác nhau Do đó kết quả nhận được sẽ khác nhau

Đối với các loại đất sét cần quan tâm hơn đến độ ẩm vì vai trò của độ ẩm với cường độ chống cắt có ý nghĩa quan trọng Ở các đất này cường độ chống cắt hoàn toàn phụ thuộc vào các lực dính chứ không phụ thuộc vào áp lực, do đó nếu đất có độ ẩm khắp nơi giống nhau, thì có thể cường độ chống cắt không thay đổi theo chiều sâu [3] Trong tài liệu [9] cũng có đề cập đến vấn đề này

1.8 Sự ổn định tùy theo chế độ thoát nước và điều kiện lực tác dụng [18]

Theo Ladd, vấn đề về ổn định có thể chia thành ba trường hợp tùy theo chế độ thoát nước hoặc nhận xét khả năng phá hoại trong quá trình xây dựng Hơn nữa nó còn hữu ích để phân biệt giữa chất và dỡ tải, là nguyên nhân ứng suất tổng hoạt động bên trong khối đất tăng lên hay giảm xuống Việc xây dựng theo giai đoạn là vấn đề về lực tác dụng và sức chống cắt của đất

Trường hợp 1 - Không thoát nước (ngắn hạn)

Trường hợp này có nghĩa là trạng thái ở đó cả việc xây dựng và sự phá hoại xảy ra nhanh chóng đủ để không tính đến sự thoát nước Sự thay đổi về quá trình thoát nước từ đó là không đáng kể, sức chống cắt không thoát nước ban đầu của đất quyết định sự ổn định trong quá trình xây dựng Trường hợp này tương ứng với việc đắp nền đường ở đợt đầu tiên hoặc chỉ đắp một đợt duy nhất (Hình 1.4a)

Trường hợp 2 - Thoát nước (dài hạn)

Đây là trường hợp ngược lại với trường hợp trên, áp lực nước lỗ rỗng do quá trình chất dỡ tải gây ra đã bị tiêu tán do tốc độ thi công chậm hoặc sau thời gian dài thi công xong, và lực cắt tạo ra bởi áp lực nước lỗ rỗng cũng bằng không Do đó, sự ổn định là tiêu chuẩn so sánh sức chống cắt thoát nước của đất tương ứng với sự cân bằng áp lực nước lỗ rỗng Tương ứng với trường hợp khối đắp thi công rất chậm theo từng lớp ở trên lớp đất yếu (hình 1.4b)

Brinch - Hansen (1962) đề xuất đổi tên ngắn hạn / dài hạn bằng UU (Unconsolidation - Undrain) và CD (Consolidation - Drain) cho các kiểu phá hoại vì

nó tương tự như thí nghiệm cắt không cố kết - không thoát nước và cố kết - thoát nước trong phòng thí nghiệm

Trường hợp 3- Thoát nước một phần

Trường hợp này áp dụng đối với giai đoạn xây dựng kể từ khi vấn đề chất tải tạo áp lực nước lỗ rỗng dư rõ ràng và từ từ làm giảm hàm lượng nước trong đất trong quá trình xây dựng Tuy nhiên, các phương pháp phân tích thường dùng để đánh giá sự ổn định trong quá trình xây dựng dựa trên các giả thiết khác nhau về điều kiện thoát nước đối với quá trình phá hoại Cụ thể, phá hoại sẽ xảy ra một cách chậm rãi cùng với sự thoát nước hoặc là xảy ra nhanh chóng tương ứng với điều kiện không thoát nước Nói cách khác, tải trọng sẽ gây ra một áp lực nước lỗ rỗng gần bằng không hay rất đáng kể? Vấn đề này liên quan đến quá trình tổ chức xây dựng và điều kiện địa chất, có hai trường hợp là cố kết - thoát nước (CD) và cố kết - không thoát nước (CU) Hình 1.4c tương ứng với việc đắp lớp thứ 2 sau khi nền đất cố kết dưới lớp đắp 1, là trường hợp cố kết - không thoát nước (CU)

Hình 1.4 Các chế độ thoát nước [13]

1.9 Phân tích theo phương pháp cân bằng giới hạn [18]

Kiểu phân tích này dùng phương pháp phân mảnh, có ba loại phân tích thường dùng là:

- Phân tích theo ứng suất có hiệu, ký hiệu là ESA - Phân tích theo ứng suất tổng, ký hiệu là TSA - Phân tích theo sức chống cắt không thoát nước, ký hiệu là USA

Hình 1.5 Phân tích ứng suất hữu hiệu với trường hợp CD

Trong Hình 1.5, một phân tích thông thường về ứng suất có hiệu để tính toán sức chống cắt, sd = tff , của mặt cắt có khả năng phá hoại theo công thức:

trong đó: c’ và υ’ được xác định theo đường bao phá hoại Mohr - Coulomb t và ff 'ff - ứng suất cắt và ứng suất hữu hiệu trên mặt phẳng phá hoại tại thời

điểm phá hoại

trong đó: ff và n - ứng suất tổng u - áp lực nước lỗ rỗng lúc phá hoại Ở Hình 1.5, là trường hợp của đất quá cố kết Giá trị u trong công thức (1.2) là ở trạng thái cân bằng, áp lực lỗ rỗng dài hạn làm cho đất có sức chống cắt thoát nước, sd tương ứng với trường hợp CD

Có nhiều tác giả thảo luận vấn đề tính toán sự ổn định, và phương pháp sử dụng hệ số an toàn FS được chấp nhận, theo Bishop (1955):

hay

Thường thì phương pháp phân tích theo ứng suất tổng cho hệ số FS nhỏ

1.10 Vấn đề hệ số an toàn theo giai đoạn xây dựng [18]

Khi thiết kế các giai đoạn xây dựng trong một dự án, các kỹ sư phải dự tính sức chống ban đầu của đất dính và sự tăng sức chống theo thời gian do đất đã cố kết dưới tải trọng tác dụng Phân tích theo ứng suất tổng dựa trên thí nghiệm UU trong phòng hay cắt cánh hiện trường là không thể dùng được trong quá trình dự đoán sức chống cắt của đất do có sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng Mặt khác, Bishop và Bjerrum cho rằng phân tích theo ứng suất hữu hiệu (ESA) là cơ sở vững chắc cho các vấn đề nào về sự ổn định và đặc biệt hiệu quả trong việc phát hiện ra xu hướng ổn định, điều mà không biểu hiện rõ ràng trong phương pháp dùng ứng suất tổng Điều này cũng thuận lợi trong việc xây dựng theo các giai đoạn, và cần lưu ý rằng

Ứng suất cắt cần thiết để duy trì trạng thái cân bằng

sự bất ổn lớn nhất là việc ước tính tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thông qua lý thuyết cố kết Do đó cần phải theo dõi sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng ngoài thực địa vào những thời điểm quan trọng trong quá trình xây dựng, tuy nhiên điều này tương đối khó khăn Nhiều nhà khoa học cho rằng việc xây dựng theo giai đoạn cần phải được xem như là một trường hợp cố kết - không thoát nước (CU)

Một cách tiếp cận khác để dự đoán sức chống cắt của đất được Casagrande nghiên cứu với đất sét, đó là giả định sự phá hoại không thoát nước khi tính toán các yếu tố an toàn trong quá trình xây dựng, gọi là phương pháp QRS Trong bất kỳ trường hợp nào thì phương pháp QRS đều được quy về cả hai phương pháp ứng suất có hiệu và ứng suất tổng Đó là lý do mà Ladd (1991) giới thiệu phương pháp thứ ba, đó là phương pháp phân tích sức chống cắt không thoát nước (USA), và một lý do quan trọng hơn là các kỹ thuật mới đã được phát triển để ước tính sức chống cắt không thoát nước tại chỗ của đất dính cho cả hai trường hợp UU và CU

1.11 Phân tích với sức chống cắt không thoát nước (USA) [18]

Phân tích với sức chống cắt không thoát nước (USA) về cơ bản xử lý ứng suất hữu hiệu tại chỗ như ứng suất cố kết, kết quả sau đó được sử dụng để ước tính sức chống cắt không thoát nước tại chỗ, ký hiệu là cu để phân biệt với su là sức chống cắt không thoát nước tại chỗ theo ứng suất tổng

Các ứng dụng rộng rãi nhất, và có lẽ là đầu tiên phương pháp USA được áp dụng trong các giai đoạn xây dựng được phát triển bởi Casagrande, nó cũng là kết quả nghiên cứu của ông vào những năm đầu của thập niên 1940 đối với đất sét trong các trường hợp UU, CU, CD của thí nghiệm nén ba trục Casagrande tiến hành cắt nhanh (quick - Q), cắt cho cố kết - nhanh (Consolidated quick - Qc) và cắt chậm (slow - S), và Loại thí nghiệm nén cố kết đẳng hướng (R = ICUC) gọi là Q, R, S Theo trích dẫn của Rutledge (1947), Casagrande cho rằng sự lựa chọn giữa việc sử dụng đường bao UU hoặc CU để đánh giá sự ổn định nền đất sét sẽ phụ thuộc vào độ dày, các đặc điểm cố kết và tốc độ gia tải

Vào đầu những năm 1970, với sự phát triển của hai phương pháp mới để ước tính sức chống cắt không thoát nước tại chỗ của đất sét, cụ thể là kỹ thuật nén lại được

phát triển tại viện địa kỹ thuật Na Uy và lịch sử chịu tải, chuẩn hóa các thuộc tính kỹ thuật của đất (SHANSEP) được phát triển tại viện MIT Cả hai đều cố gắng giảm thiểu các tác động tiêu cực đến sự xáo trộn cả mẫu, và ghi nhận tầm quan trọng của lịch sử chịu tải và xem xét ảnh hưởng của sự nén không thoát nước, tính bất đẳng hướng bằng cách theo dõi Ko cố kết - không thoát nước (CKoU) để kiểm tra các phương thức phá hoại khác nhau Các kỹ thuật nói trên cho phép đánh giá một cách hợp lý và đáng tin cậy hơn của phương pháp USA so với phương pháp gần đúng QRS Các kỹ thuật mới tạo cho phương pháp USA hợp lý và đáng tin cậy hơn so với QRS trong các giai đoạn xây dựng

Về bản chất, phương pháp USA dựa trên kỹ thuật nén lại hoặc SHANSEP, có liên quan đến các thành phần cơ bản sau:

1 Lịch sử chịu tải của đất, hay có thể gọi là trạng thái cố kết 2 Đánh giá những thay đổi trong lịch sử chịu tải trong việc đề xuất phương

án xây dựng, sử dụng lý thuyết cố kết trong thiết kế và đo áp lực trong suốt quá trình xây dựng

3 Kết hợp sức chống cắt không thoát nước để thống nhất ứng suất thông qua quá trình thí nghiệm CK0U với các kiểu phá hoại khác nhau

4 Tiến hành phân tích sự ổn định sau khi thiết lập hồ sơ tính toán cu từ các thông số nói trên

1.12 Định nghĩa về sức chống cắt không thoát nước [18]

Dựa trên kết quả nghiên cứu trước đó của Terzaghi và Skempton, Bishop và Bjerrum (1960) sử dụng một phân tích phá hoại trong điều kiện không thoát nước cho một mặt cắt thẳng đứng của đất sét đồng nhất và bão hòa để minh họa hai điểm cơ bản: (1) TSA dùng công thức su = 0,5 (σ1 – σ3)f = qf tác dụng lên bề mặt nứt nghiêng một góc α = 45o

so với phương ngang (tức là phù hợp với phân tích υ = 0) cho chiều cao phá hoại như là một phân tích ứng suất hữu hiệu dùng công thức τff = qf cosυ’ tác động lên mặt nghiêng α = 45o + υ’/2; và (2) vị trí của bề mặt tới hạn phụ thuộc vào góc ma sát được sử dụng trong phân tích và gần xấp xỉ với góc ma sát trong của đất, cụ thể hơn là ở vị trí của các mặt phá hoại Bởi vì khi phân tích

sức chống cắt không thoát nước cần dự đoán sức chống cắt không thoát nước có sẵn trên mặt cắt có khả năng phá hoại, tác giả định nghĩa là cu = τff = qf cosυ’ Về bản chất, vấn đề cần thảo luận liên quan đến vị trí của bề mặt trượt (hoặc đứt gãy) của sự phá hoại không thoát nước độc lập với cách người ta ước tính cu hiện có

Kết luận, phân tích theo ứng suất tổng (TSA) dùng su = qf để tính cho mặt phá hoại thích hợp với giả định υ = 0 (đất dính bão hòa nước), khi phân tích sức chống cắt không thoát nước (USA) dùng cu = qf cosυ’ áp dụng cho vị trí của mặt phá hoại

1.13 So sánh phân tích ổn định theo ứng suất hữu hiệu và theo sức chống cắt không thoát nước trong quá trình xây dựng theo giai đoạn [18]

1.13.1 Phân tích ứng suất hữu hiệu

Phân tích theo ứng suất hữu hiệu (ESA) thường được sử dụng để đánh giá sự ổn định trong quá trình tổ chức xây dựng với tải trọng đặt trên nền đất tự nhiên, thường được tiến hành như sau: (1) dùng phương pháp phân mảnh để tính toán sự phân bố của tổng ứng suất tác dụng (σn) dọc theo mặt cắt có khả năng phá hoại và ứng suất cắt để duy trì trạng thái cân bằng (τm); (2) Đo áp lực nước lỗ rỗng từ thí nghiệm piezometer để xác định ứng suất hữu hiệu do tải trọng tác dụng ( '

n ); (3) 'n được giả thiết bằng '

ff ở công thức (1.1); (4) giá trị của c’ và υ’ được xác định từ thí nghiệm CD hoặc CU ở độ nghiêng tối đa của vết nức ở mẫu thử, dẫn đến dự đoán sức chống cắt hiện có của mặt cắt có khả năng phá hoại; và (5) các hệ số an toàn về cơ bản được xác định thông qua công thức (1.3) là ,,

1.13.2 Quan niệm so sánh Hình 1.6 minh họa quá trình tổ chức xây dựng nền đường đắp sau khi đặt hệ

thống thoát nước bên dưới Sau khi giai đoạn một nền đất sét bên dưới trở thành

trạng thái cố kết trước khi đắp giai đoạn hai Hình 1.6b cho thấy ứng suất chủ động của một phân tố điển hình trên mặt cắt phá hoại nằm ngang, có thể mô phỏng bằng thí nghiệm cắt trực tiếp trong phòng thí nghiệm (Bjerrum và Landva, 1966) Giá trị của ứng suất tác dụng theo phương thẳng đứng ( '

vc ) được xác định từ ứng suất tổng theo phương đứng và từ các phép đo áp lực nước lỗ rỗng Giá trị của ứng suất cắt cố kết theo phương ngang (hc) sẽ bằng với ứng suất cắt huy động (m) có được từ trạng thái cân bằng tổng thể thông qua phương pháp phân mảnh

Hình 1.6 So sánh ứng suất hữu hiệu và sức chống cắt không thoát nước cho việc

đánh giá ổn định trong quá trình xây dựng nhiều theo giai đoạn

Phương pháp ESA thông thường xét đến ứng suất hữu hiệu lúc phá hoại, nghĩa là

     , và do đó, tính toán sức chống cắt bằng ff tại điểm 1, Hình 1.6b

Điều này tượng trưng cho sức chống cắt thoát nước của đất sét và hệ số an toàn tương ứng trở thành:

'd

m

cFS

cũng sẽ nhỏ hơn so với tính toán theo ESA Lý do chính để tiến hành phân tích sự ổn định trong quá trình xây dựng là để đề phòng sự phá hoại đột ngột Vậy tổng quát FS tính toán theo công thức (1.7) hay (1.8) sẽ hợp lý hơn? Có một sự nhầm lẫn đáng nói là tại vị trí của mặt phá hoại dự đoán, nguyên nhân cơ bản phát sinh do đánh giá quá cao giá trị của sức chống cắt (sd hay cu), đánh giá thấp ứng suất huy động (m) Có thể ví dụ việc đánh giá thấp

'vc do sự cố trong việc thoát nước theo phương đứng, m quá thấp do quá trình gia tải hoặc do hình dạng khối đất đắp,…

Bây giờ hãy xem xét liệu các nhà thiết kế nên giả định sự phá hoại xảy ra một cách từ từ ứng với điều kiện thoát nước CD hay xảy ra nhanh chóng ứng với điều kiện không thoát nước CU Mặt dù không thể dự đoán chính xác tốc độ dịch chuyển và tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình phá hoại, người ta có thể kết hợp lý thuyết cố kết đơn giản với việc quan sát thực địa để có thể dự đoán về khả năng tới hạn của đất Khi giai đoạn gia tải cho nền đất cố kết bình thường hệ số cố kết sẽ nằm trong khoảng 0,05 m2/ngày đến 0,003 m2/ngày cho loại đất sét có giới hạn lỏng từ 30% đến 90% Đối với bề dày “mỏng” dễ đứt gãy, có chiều cao thoát nước 5cm thì áp lực nước lỗ rỗng sẽ tiêu tán trong khoảng 30 phút đến 8 giờ Nhưng

khi có chuyển vị lớn xảy ra, quá trình phá hoại (thường liên quan đến loại đất giòn) xảy ra trong khoảng thời gian vài giây hoặc vài phút, đây là trường hợp điển hình mà điều kiện không thoát nước nên được ưu tiên áp dụng Đối với sự phá hoại của loại đất dẻo mềm, chuyển vị thường nhỏ hơn và mất nhiều thời gian để phát triển, có thể là vài giờ hoặc cả ngày Nhưng nền cũng chịu một áp lực đáng kể và áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán không được nhanh, cần xem là trường hợp không thoát nước Lập luận này không nên hiểu rằng hệ thống thoát nước không xảy ra trong vài giờ hoặc vài ngày trước khi phá hoại (mặt dù có thể đúng trong nhiều trường hợp) Nếu là trường hợp không thoát nước sẽ thuyết phục hơn khi có sự cố xảy ra dẫn đến chuyển vị đáng kể Hơn nữa cần phải nhấn mạnh rằng bất cứ khi nào ứng suất cắt trung bình dọc theo bề mặt có khả năng phá hoại đạt đến sức chống cắt thoát nước hiện có (tức là m→ cu) sau đó sự phá hoại không thoát nước sẽ bắt đầu độc lập với các điều kiện thoát nước trước Do đó, các nhà thiết kế thận trọng luôn xem xét đến khả năng này

Tóm lại, một phân tích theo ứng suất hữu hiệu thông thường có đo áp lực nước lỗ rỗng như minh họa trong Hình 1.6b, một hệ số “tức thời” an toàn tương ứng với các điều kiện ứng suất hữu hiệu - áp lực nước lỗ rỗng tồn tại trước khi phá hoại Nó vốn đã xem sự phá hoại sẽ xảy ra từ từ và sức chống cắt thoát nước của đất (sd) sẽ chống lại sự phá hoại Nói cách khác ESA xem giai đoạn xây dựng như trường hợp cố kết - thoát nước (CD) Do đó Ladd kết luận rằng hệ số an toàn chưa thể có độ tin cậy cao vì nó không xét đến nguy cơ của sự phá hoại không thoát nước và thường gây hiểu lầm bởi hầu hết sự phá hoại xảy ra trong quá trình xây dựng dưới các điều kiện không thoát nước Ngược lại, phân tích theo sức chống cắt không thoát nước (USA) xem giai đoạn xây dựng như cố kết - không thoát nước (CU), trong đó sự phá hoại xảy ra nhanh chóng để loại trừ sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng Và khi sức chống cắt không thoát nước (cu) của đất cố kết thường nhỏ hơn sức chống cắt thoát nước dưới tác dụng của tải trọng ngoài hiện trường thì USA sẽ cung cấp cho cả hai phương pháp sự ước lượng an toàn và đáng tin cậy hơn về hệ số an toàn

1.14 Phương pháp phân tích lịch sử chịu tải của nền đường đắp theo giai đoạn [18]

Trong bài viết của mình, Ladd (1991) trình bày kết quả từ các nghiên cứu thiết kế cho hai dự án trong đó so sánh UAS và ESA đã được thực hiện cho các điều kiện tương ứng để thống nhất cho các công trình có nền móng là loại đất sét chịu tác dụng của tải trọng Ở đây trường hợp “dài hạn” đã được lựa chọn để đơn giản hóa trong việc tính toán ứng suất cố kết cần thiết cho USA và ngăn cản việc tranh luận về cơ chế áp lực nước lỗ rỗng cho ESA USA giả thiết bề mặt phá hoại hình nêm (ví dụ Hình 1.6a) với tính bất đẳng hướng của cu để xử lý các tác động dẫn đến sự phá hoại thông qua sự biến dạng theo nghiên cứu của Koutsoftas và Ladd (1985) Tính toán của sự gia tăng sức chống cắt không thoát nước (cu) với quá trình cố kết liên quan đến hai điều: (1) Biến đổi trong lịch sự chịu tải bị hạn chế dẫn đến gia tăng ứng suất cố kết theo phương đứng ( '

vc ), giá trị này nhỏ hơn ứng suất cố kết (1c' ) ngoại trừ dưới tim đường, và (2) dữ liệu thí nghiệm CK0U được sử dụng liên quan đến cu, 'vcthay cho sự cắt trong thí nghiệm cắt phẳng hoặc nén ba trục, cắt trực tiếp Trong khi đó có thể thấy được ứng suất ngoài hiện trường chênh lệch so với điều kiện K0 Cũng trong bài báo của (Ladd, 1991) đã chỉ ra rằng những sự đơn giản hóa có xu hướng đánh giá thấp sức chống có sẵn, tức là cho hệ số an toàn quá thấp

1.15 Tính toán sức chống cắt không thoát nước dựa vào các thí nghiệm trong phòng [19]

Sức chống cắt không thoát nước, chuyển vị, ứng xử bên dưới và bên ngoài khu vực lực tác dụng trong các giai đoạn xây dựng có thể được mô phỏng bằng cách sử dụng ba loại thí nghiệm trong phòng Các thí nghiệm có thể dùng là:

- Thí nghiệm nén ba trục hoặc cắt phẳng cho khu vực ngay bên dưới nền đường - Thí nghiệm cắt trực tiếp cho khu vực nơi mà có bề mặt chịu cắt gần như nằm

ngang, thường là bên dưới mái dốc của nền đường - Thí nghiệm nén ba trục hoặc cắt phẳng cho khu vực hai bên nền đường

Các thí nghiệm đòi hỏi phải biết nhiều về lịch sử ứng suất của đất Và khi chúng được dùng để dự báo sự gia tăng sức chống cắt trong tương lai, một dự đoán chính xác lịch sử ứng suất trong tương lai cũng cần thiết cho sự mô phỏng

Dựa vào trạng thái của ứng suất trong đất hiện có và dự kiến sau này, việc kiểm tra sức chống cắt nên thực hiện trên các mẫu đất với ứng suất hiện tại và ứng suất dư kiến mà mẫu đất phải chịu, bằng cách này ta có thể thu được thông số S và m một cách hợp lý

Hình 1.7 Đơn giản hóa việc ước tính sự gia tăng sức chống cắt

do cố kết (Larsson và cộng sự, 1984)

Một cách tiếp cận đơn giản để dự đoán sự tăng sức chống cắt m của nền đất yếu phía dưới nền đường được đề xuất bởi Aas (1976), Larsson và cộng sự (1984) Bề mặt phá hoại được chia thành ba phân đoạn khác nhau Sự gia tăng sức chống cắt cho mỗi phân đoạn được đánh giá theo những cách khác nhau, như Hình 1.7 Đối với phần dốc của mặt trượt bên dưới nền đắp sự gia tăng sức chống cắt được ước tính từ kết quả thí nghiệm biến dạng phẳng hoặc nén ba trục và phần phẳng tiếp theo bên dưới nền đường đến điểm giữa của mái dốc được tính từ thí nghiệm cắt trực tiếp

Cách tiếp cận đơn giản nhất để ước lượng sức chống ban đầu và sự gia tăng của nó để đánh giá ổn định là sử dụng các dự liệu từ thí nghiệm cắt trực tiếp CK0U cho toàn bộ mặt phá hoại

1.16 Sự biến thiên của hệ số an toàn trong nền đường đắp cao đối với đất sét bão hòa [17]

Hình 1.8a mô tả nền đường được đắp trên lớp đất sét yếu bão hòa P là một điểm trên mặt phá hoại giả định APB, có dạng cung tròn Trước khi xây dựng nền đường,

áp lực nước lỗ rỗng tại P như sau:

Trong điều kiện lý tưởng, chúng ta giả định việc đắp nền đường là đồng đều, như trong Hình 1.8b Tại thời điểm t = t1, chiều cao của nền đường là H, và vẫn giữ nguyên sau đó (khi t > t1) Ứng suất cắt trung bình (τ) gia tăng trên bề mặt phá hoại do việc xây dựng nền đường cũng được thể hiện ở Hình 1.8b Giá trị của τ sẽ tăng tuyến tính với thời gian đến khi t = t1 và giữ nguyên không đổi sau đó

Áp lực nước lỗ rỗng tại điểm P (1.8a) sẽ tăng lên tương ứng với việc đắp nền đường, thể hiện ở Hình 1.8c Lúc t = t1, u = u1 > h γw Nguyên nhân là do sự thoát nước chậm của lớp đất nền Tuy nhiên, sau khi đắp xong nền đường (khi t > t1), áp lực nước lỗ rỗng sẽ giảm xuống dần dần theo thời gian do sự thoát nước của nền đường (và như thế nền đường cũng cố kết) Tại thời điểm t = t2 thì: u = h γw

Để đơn giản, nếu chúng ta giả định rằng đắp nhanh và không thoát nước trong suốt quá trình xây dựng nền đường, ứng suất cắt trung bình của nền đường sẽ giữ nguyên không đổi từ t = 0 đến t = t1, hay τf = cu (sức chống cắt không thoát nước) Điều này được thể hiện ở Hình 1.8d Khi t > t1, tức là đất nền ở trong quá trình cố kết, thì giá trị của sức chống cắt τf sẽ từ từ tăng lên Khi t ≥ t2 , là lúc quá trình cố kết đã kết thúc, sức chống cắt trung bình của đất nền sẽ là '''

chống cắt thoát nước) (Hình 1.8d) Hệ số an toàn của nền dọc theo mặt trượt giả định có thể xác định như sau:

FS = Sức chống cắt của đất nền, τf, dọc theo mặt trượt (Hình1.8d)

Ứng suất cắt, τ, dọc theo mặt trượt ( Hình 1.8b) Sự biến đổi tự nhiên của hệ số an toàn FS theo thời gian được thể hiện trên hình 1.8e Từ các hình này, ta thấy độ lớn của FS giảm dần trong thời gian đầu Ở thời điểm cuối của quá trình đắp (lúc t = t1), giá trị của hệ số an toàn là thấp nhất Sau đó giá trị FS tiếp tục tăng lên (tương ứng với sự thoát nước) và đạt đến giá trị ổn định ở thời điểm t = t2

Hình 1.8 Sự biến đổi của hệ số an toàn theo thời gian đối với nền đường đắp cao

trên nền đất sét yếu (Braja M Das, vẽ lại sau Bishop và Bjerrum)

1.17 Kết luận chương 1 và định hướng nghiên cứu

Vấn đề quan trọng trong thiết kế và thi công nền đường trên đất yếu theo nhiều giai đoạn là việc ước tính sự gia tăng sức kháng cắt cùng với sự cố kết của đất nền, và phương pháp phân tích ổn định phù hợp

Qua đánh giá và phân tích của các nhà nghiên cứu ở những phần trên cho thấy nên phân tích ổn định theo sức chống cắt không thoát nước với những lý do chủ yếu sau:

1 Phân tích ứng suất hữu hiệu dùng cách đo hoặc dự đoán áp lực nước lỗ rỗng thường không kể đến áp lực nước lỗ rỗng ở thời điểm phá hoại [18]

2 Hầu hết sự phá hoại xảy ra trong quá trình xây dựng dưới các điều kiện không thoát nước [18]

3 Bishop và Bjerrum cho rằng phân tích theo ứng suất hữu hiệu (ESA) là cơ sở vững chắc trong tính toán về ổn định [18], mà ESA vẫn có thể phân tích với điều kiện không thoát nước

4 Đối với nền đường thì thời gian thi công thường khoảng 12 đến 18 tháng, thời gian này thường ngắn so với thời gian đạt đến độ cố kết yêu cầu của nền đất sét yếu, vì vậy phân tích với điều kiện không thoát nước là hợp lý

5 Việc tính toán tốc độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thông qua lý thuyết cố kết là vấn đề còn bàn luận, hơn nữa việc theo dõi sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng ngoài thực địa tương đối khó khăn, vì vậy nhiều nhà khoa học cho rằng việc xây dựng theo giai đoạn cần xem như trường hợp cố kết - không thoát nước (CU)

Các thông số dùng để đánh giá, phân tích cũng phải phù hợp với phương pháp hay mô hình tính toán và cần phải có sự quan sát, theo dõi để khống chế tốc độ đắp hay điều chỉnh thiết kế

Định hướng nghiên cứu

Dựa vào những quan điểm ở các mục trên, định hướng nghiên cứu đề tài như sau: Sử dụng các chỉ tiêu (số liệu địa chất) ở thời điểm ban đầu để tính toán với các phương pháp giải tích, mô phỏng với chương trình máy tính, theo các điều kiện phù hợp với thực tế xây dựng công trình để dự đoán sự ổn định và sự thay đổi tính chất

cơ lý của đất nền trong tương lai Đồng thời sử dụng các số liệu có được trong thực tế thí nghiệm ở mỗi giai đoạn để so sánh, đối chiếu và xem xét sự phù hợp của các phương pháp và các thông số thí nghiệm đối với sự ổn định của nền đất yếu Từ đó nêu lên những nhận xét cho sự phân tích ổn định đối với đất nền

Chương 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT YẾU

Việc tính toán ổn định và biến dạng của nền đường đắp cũng như nền đất yếu dưới nền đường có vai trò quan trọng trong công tác thiết kế Các nhà khoa học đã nêu ra nhiều phương pháp để tính toán, mỗi phương pháp có những giả thuyết khác nhau, đồng thời cũng có các ưu điểm và khuyết điểm, cũng như là phạm vi sử dụng khác khau Sau đây xin đề cập đến các khái niệm cơ bản và một số phương pháp tính ổn định

2.1 Độ bền sức chống cắt và một số dạng mất ổn định [9]

Ổn định của đất nói chung là muốn nói đến tương quan giữa độ bền, khả năng chịu tải và sự làm việc bình thường của công trình dưới tác dụng của tải trọng ngoài và các yếu tố tác động trực tiếp có thể gây phá hoại cho công trình

Theo Coulomb thì độ bền sức chống cắt của đất trên một tiết diện bất kỳ của một phân tố đất được xác định bằng đại lượng sức chống cắt của đất theo biểu thức sau:

trong đó:  - ứng suất pháp

w - góc ma sát trong ứng với độ ẩm tự nhiên W phụ thuộc vào thành phần kết cấu, trạng thái và độ ẩm - độ chặt của đất

cw - lực dính ứng với độ ẩm tự nhiên W phụ thuộc vào thành phần, trạng thái và độ ẩm - độ chặt của đất

Sức chống cắt của đất bao gồm 2 thành phần: lực ma sát (tgw) và lực dính (cw) của đất

Theo K Terzaghi sức chống cắt của đất bão hoà nước được xác định theo các thành phần ứng suất hữu hiệu như sau:

f ( u) tg ' c'

trong đó:

 - ứng suất nén toàn bộ u - áp lực nước lỗ rỗng

’ - góc ma sát trong của đất ứng với áp lực hữu hiệu ’ =  - u c’ - lực dính của đất ứng với áp lực hữu hiệu ’ =  - u

Độ ổn định của đất trên một diện nào đó phụ thuộc vào tương quan giữa sức chống cắt của đất (fw) và ứng suất cắt () Độ ổn định của điểm phân tố được đánh giá theo điều kiện cân bằng giữa góc lệch max và góc ma sát trong của đất w trong đó:

max - góc lệch lớn nhất của một phân tố trong đất, được xác định theo biểu thức sau:

 - trọng lượng thể tích của đất Có các trường hợp xảy ra:

max < w : phân tố ổn định max = w : phân tố ở trạng thái cân bằng giới hạn max > w : phân tố mất ổn định (bị phá hoại)

2.2 Sức chịu tải của nền đất [11], [12]

Dưới tác dụng của tải trọng tăng dần, nền đất làm việc theo ba giai đoạn Đặc điểm của giai đoạn thứ nhất là độ lún S của đất nền và tải trọng P có quan hệ gần như đường thẳng Lúc này biến dạng của đất chủ yếu là biến dạng lún theo phương đứng, do kết quả của sự giảm thể tích lỗ rỗng giữa các hạt đất Giai đoạn này gọi là giai đoạn nén chặt của đất

Hình 2.1 Các giai đoạn làm việc của nền đất [11], [12]

Đặc điểm của giai đoạn thứ hai là độ lún S tăng nhanh dần, giữa S và P không còn là quan hệ đường thẳng nữa Đất không những bị nén chặt mà còn xuất hiện hiện tượng trượt lên nhau giữa các hạt đất Ban đầu sự trượt thường xảy ra đối với những điểm ở mép móng, tại những nơi đó đất đã đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn, nghĩa là ứng suất pháp và ứng suất tiếp (ứng suất cắt) thỏa mãn điều kiện:

trong đó: υ, c - góc ma sát trong và lực dính đơn vị của đất τgh, σ - ứng suất tiếp và ứng suất pháp trên mặt phẳng được xét Nếu tiếp tục tăng P, sự trượt sẽ phát triển ra nhiều điểm rồi hình thành một vùng trượt Vì vậy giai đoạn thứ hai gọi là giai đoạn hình thành các vùng trượt cục bộ (Hình 2.1c)

Theo V.G Berêzantev, ở đầu giai đoạn này, dưới đáy móng bắt đầu hình thành một lõi đất hình nêm Độ chặt của đất trong nêm lớn hơn vùng đất xung quanh Nếu tải trọng P tiếp tục tăng thì các vùng biến dạng dẻo sẽ lan rộng ra rồi nối liền với nhau, tạo nên một khu vực trong đó đất đã bị phá hoại (Hình 2.1d) Khu vực này giới hạn bởi mặt trượt

Khi tải trọng P bắt đầu lớn hơn trị số P thì độ lún của móng tăng nhanh đột ghIIngột Nêm đất dính liền với đáy móng coi như một chỉnh thể và cùng với móng di chuyển xuống phía dưới Cuối cùng đất trượt theo mặt trượt và trồi lên trên mặt, đất hoàn toàn bị phá hoại và mất khả năng chịu tải Giai đoạn thứ ba xảy ra nhanh chóng gọi là giai đoạn phá hoại nền

Tải trọng giới hạn thứ nhất P là tải trọng tương ứng với sự kết thúc của giai ghIđoạn nén chặt và sự xuất hiện của vùng biến dạng dẻo Còn tải trọng giới hạn thứ hai P là tải trọng tương ứng với ranh giới giữa giai đoạn trượt cục bộ và giai đoạn ghIIphá hoại nền

Có thể nhận xét rằng, về mặt cường độ thì tải trọng giới hạn thứ nhất P là tải ghItrọng an toàn, vì cho tới khi p đạt tới trị số đó, đất nền vẫn ở trạng thái nén chặt, chưa chỗ nào bị phá hoại, độ lún của nền cũng tương đối nhỏ Còn tính chất của tải trọng giới hạn thứ hai II

gh

P thì khác hẳn Chỉ cần p lớn hơn trị số đó là nền sẽ nhanh chóng bị phá hoại, khả năng chịu tải sẽ mất đi Vì vậy II

gh

P chính là tải trọng phá hoại của nền hay còn gọi là tải trọng cực hạn

Khi thiết kế công trình, cần phải tính toán sao cho tải trọng tác dụng lên công trình phải nhỏ hơn tải trọng cực hạn II

gh

P và lớn hơn một ít so với giới hạn ban đầu

Igh

P Một tải trọng như vậy thì nền có thể chịu được và đảm bảo hoạt động bình thường trong thời gian dài Tải trọng đó là sức chịu tải của đất nền

Mục đích của việc xác định sức chịu tải của đất nền là đi tìm giá trị PghII , từ đó xác định giá trị lực thiết kế cho công trình:

IIgh

PFS

- Hướng thứ hai, là dựa vào lí luận cân bằng giới hạn thuần túy để giải quyết vấn đề Các phương pháp theo hướng này cũng xác định giá trị của tải trọng cực hạn - Hướng thứ ba, áp dụng lý thuyết của vật thể biến dạng tuyến tính kết hợp với điều kiện cân bằng giới hạn để xác định tải trọng giới hạn ban đầu của nền đất Sau đây sẽ giới thiệu các phương pháp tính toán theo các hướng ở trên mà trong thực tế thường áp dụng

2.3 Tính toán sức chịu tải của đất nền [9]

Trong việc thiết kế nền đường đắp trên đất yếu thì vấn đề quan trọng là đảm bảo ổn định tổng thể cho nền đất yếu, tức là không để xảy ra phá hoại theo dạng trượt trồi hay phình trồi trong thời gian thi công và khai thác Mức độ ổn định của nền đất yếu dưới nền đường tùy thuộc vào mức độ cho phép tồn tại vùng phá hoại (vùng biến dạng dẻo) và vùng từ biến trong đất nền Tùy thuộc vào các cấp đường mà có những quy định về vùng biến dạng dẻo hay từ biến

Sơ đồ phân bố tải trọng của nền đường lên nền đất yếu thường có dạng hình thang cân hay tam giác cân, việc tính toán đối với dạng tải trọng này thường phức tạp hơn và ít được nghiên cứu hơn Để tính toán sức chịu tải của đất nền công trình nói chung và đất yếu dưới công trình đường đắp nói riêng có nhiều phương pháp tính, sau đây là cơ sở của một số phương pháp thường được sử dụng

2.3.1 Các phương pháp xuất phát từ điều kiện cân bằng giới hạn và sử dụng lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính

- Điều kiện cân bằng của một phân tố điểm trong đất nền dưới tác dụng của tải trọng ngoài có thể viết:

trong đó ý nghĩa các ký hiệu như trong công thức (2.3) Các thành phần ướng sất chính lớn nhất và bé nhất σ1 và σ2 sử dụng trong điều kiện cân bằng ở trên được xác định theo lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính (quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính) Trường hợp tải trọng nền đường