Giáo trình nền đường sắt part 7 doc

N®s.228 Mặt trượt ñi qua nền ñất yếu và có tiếp tuyến nằm ngang tại ñộ sâu h h = 0,25H h = 0,5 H h = H h = 1,5 H ðộ dốc taluy 1:m A B A B A B A B 1:1,00 2,56 6,10 3,17 5,92 4,32 5,80 5,78 5,75 1:1,25 2,66 6,32 3,24 6,02 4,43 5,86 5,36 5,80 1:1,50 2,80 6,53 3,32 6,13 4,54 5,93 5,94 5,85 1:1,75 2,93 6,72 3,41 6,26 4,66 6,00 6,02 5,90 1:2,00 3,10 6,87 3,53 6,40 4,78 6,08 6,10 5,95 1:2,25 3,26 7,23 3,66 6,56 4,90 6,16 6,18 5,98 1:2.50 3,46 7,62 3,82 6,74 5,03 6,26 6,26 6,02 1:2,75 3,68 8,00 4,02 6,95 5,17 6,36 6,34 6,05 1:3,00 3,93 8,40 4,24 7,20 5,31 6,47 6,44 6,09 Ví dụ 5-1: Kiểm toán ổn ñịnh nền ñường cao 7 m, ñắp trên ñất yếu có chiều dày 10 m gồm 3 lớp, các số liệu trên (hình 5-10). Nội dung kiểm toán như sau: a) Kiểm toán ổn ñịnh chống ép trồi bằng phương pháp tra ñồ thị Hình 5.10. Ta có: 69,1 10 9,16 == h B . N®s.229 Tra ñồ thị hình 5-8, ứng với: 69,1= h B ta ñược N C =5,21. q gh =C u .N C = 20 x 5,21 = 104,2 kPa ứng suất do tải trọng nền ñắp gây ra ở ñáy nền ñường là: q = γ ñ H = 18 x 7 = 126 kPa Hệ số an toàn F = 5,1][827,0 126 2,104 =<== F q q gh Vậy nền ñường có khả năng bị ép trồi. b) Kiểm toán ổn ñịnh chống trượt cục bộ bằng phương pháp tra bảng: Hệ số an toàn: F = f . A + B. H Cu d γ Trong ñó: ϕ u = 0 ; f = tgϕ u = 0; lực dính không thoát nước: lấy trị số nhỏ nhất: Cu = 20 kPa; γ ñ =18 kN/m 3 ; H = 7m; 1: m = 1: 1,5; 428,1 7 10 == H h . Tra bảng 5-2, ứng với 428,1= H h ñược B = 5,86 F = 0 + 5,86 7 18 20 x =0,930 < [F] = 1,5 Vậy nền ñường có khả năng bị trượt cục bộ. 2. Phương pháp cố kết ứng suất có hiệu Do tác dụng cố kết thoát nước, cường ñộ của ñất yếu ñược nâng cao. Tuy nhiên, theo khái niệm về lý thuyết cố kết, người ta giả ñịnh tải trọng ngoài tăng lên tức thời, còn trên thực tế, ñất ñắp không thể gia tải tức thời, cũng không thể ñắp từng lớp rồi ñợi ñất móng có ñủ thời gian cố kết mới ñắp tiếp. Bởi vậy, khi tính toán, nếu chỉ dùng chỉ tiêu cắt nhanh C u , ϕ u hoặc chỉ tiêu cắt nhanh cố kết ϕ cu , C cu ñều không phản ánh chính xác mức ñộ ổn ñịnh của nền ñắp trên ñất yếu. ðể kết quả tính toán sát với thực tế, phải nghiên cứu kỹ tác dụng cố kết trong quá trình ñắp nền ñường, ñộ cố kết, trị số áp lực nước lỗ rỗng tại các ñiểm trong ñất móng. Thông thường, người ta dựa vào các số liệu và các công thức lý thuyết, khi có ñiều kiện, có thể chôn các máy cảm ứng ño áp lực nước lỗ rỗng ở hiện trường ñể tính ñộ cố kết. Phương pháp cố kết ứng suất có hiệu dựa trên cơ sở của phương pháp chia mảnh truyền thống, với giả thiết dạng mặt trượt là mặt trụ tròn. Tuy nhiên, trong tính toán có xét ñến sự gia tăng cường ñộ của ñất móng, sự gia tăng này phụ thuộc vào mức ñộ cố kết tại thời ñiểm tính toán. N®s.230 Vì nền ñắp có chiều dài diện tích chịu tải lớn hơn rất nhiều so với chiều rộng của nó, sự phân bố ứng suất trên ñất coi là bài toán phẳng. Bởi vậy, khi kiểm toán ổn ñịnh, ñể ñưa về bài toán phẳng, người ta lấy một mét dài nền ñường làm ñơn vị tính toán. Trọng lượng mảnh i là Q i (qua trọng tâm mảnh i) ñược dời theo phương thẳng ñứng xuống mặt trượt. Q i ñược phân thành phân lực tiếp tuyến với mặt trượt T i và pháp tuyến là N i . Trong ñó: N i = Q i sin α i T i = Q i cos α i α i là góc hợp bởi ñường thẳng ñứng qua tâm trượt O và ñường nối tâm O với ñiểm ñặt của Q i . Thành phần N i gây ra lực ma sát trên mặt trượt, có chiều ngược với chiều trượt. Thành phần T i thì tuỳ theo vị trí của mảnh i so với ñường thẳng ñứng qua tâm trượt O mà nó có thể cùng hoặc ngược chiều với chiều trượt. Lực dính C i l i tác dụng trên mặt trượt mảnh i luôn ngược chiều với hướng trượt. ðể xét ảnh hưởng của tải trọng nền ñắp tới ñộ gia tăng cường ñộ ñất móng do cố kết, trọng lượng các mảnh Q i ñược tách ra thành Q Ii và Q IIi là trọng lượng phần ñất móng và phần ñất ñắp. Tương tự trên ta có N Ii và N IIi ; T Ii và T IIi là các thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến trên mặt trượt của Q Ii và Q IIi . Hệ số ổn ñịnh K theo phương pháp cố kết ứng suất có hiệu ñược tính như sau: K= ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ++ +++++ AB BC IIiIIiIi BC iiIIiicucu AB IIiuIi TTT TCtgNCtguNtgN )( )()( ' ll ϕϕϕ ; (5-12). Trong ñó: C,ϕ - lực dính ñơn vị và góc ma sát trong của ñất ñắp. C cu , ϕ cu - lực dính ñơn vị và góc ma sát trong của ñất móng, xác ñịnh bằng thí nghiệm cắt nhanh cố kết. ϕ u - góc ma sát trong của ñất móng, xác ñịnh từ thí nghiệm cắt nhanh. i l - chiều dài cung trượt mảnh i. T'- phân lực tiếp tuyến ngược chiều với hướng trượt. u - ñộ cố kết bình quân của ñất móng. ðể ñánh giá mức ñộ ổn ñịnh của nền ñường, ta phải giả ñịnh nhiều cung trượt và tính hệ số ổn ñịnh tương ứng của chúng, cung trượt nào có hệ số ổn ñịnh nhỏ nhất là cung trượt nguy hiểm nhất. Khi hệ số ổn ñịnh K min ≥ [K] mới có thể nói rằng nền ñường ổn ñịnh. N®s.231 Hệ số ổn ñịnh [K] thường lấy từ 1,15 ñến 1,25. Vì có thể vẽ vô số cung trượt giả ñịnh, tương ứng với nó ta có thể tính ñược vô số hệ số ổn ñịnh K, trong khi ñó chỉ có một trị số K min của cung trượt nguy hiểm nhất. Vì vậy khối lượng tính toán rất lớn. Hình 5-11. Phương pháp ứng suất cố kết có hiệu kiểm toán ổn ñịnh nền ñường ðể giảm bớt khối lượng tính toán, có thể áp dụng kinh nghiệm thiết kế của Trung Quốc: vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất thường nằm trong phạm vi hình t ứ giác gạch chéo FHIG (hình 5-12). Trong ñó BF nghiêng 36 0 so với mặt nền ñường, FG và EH là các ñường thẳng ñứng qua chân taluy và qua ñiểm E giữa taluy. Hình 5-12. Phạm vi vùng chứa tâm trượt nguy hiểm nhất theo kinh nghiệm Tất nhiên, khi tính toán, cần tính bổ sung vài cung trượt có tâm nằm ngoài phạm vi này nữa. 3. Phương pháp tổng cường ñộ Trong phương pháp này, cường ñộ chống cắt ñược dùng là kết quả thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường hoặc kết quả thí nghiệm xuyên, không cần xét tới các chỉ tiêu C và ϕ của móng, cũng không cần xét tới ñộ cố kết của móng. Phương pháp này thích hợp ñối với trường hợp kiểm toán ổn ñịnh nền ñường trên móng là ñất sét yếu bão hoà có hệ số thấm rất nhỏ, thời gian thi công rất ngắn. Khi ñất yếu có hệ số thấm lớn không nên dùng phương pháp này. Hệ số ổn ñịnh K tính theo công thức sau: ∑ ∑ = truot on M M K Trong ñó: ∑ M trượt - mô men của các lực gây trượt ñối với tâm O. ∑ M trượt = Q.g Q- lực thẳng ñứng của phần khối trượt bên phải ñường thẳng ñứng qua tâm trượt O, bao gồm hoạt tải và tổng trọng của ñất ñắp. g- khoảng cách từ trọng tâm của Q ñến ñường thẳng ñứng OF. ∑ M ổn - mô men của các lực chống trượt của ñất ñắp ñối với tâm O N®s.232 ∑ M ổn : M 1 + M 2 M 1 - mô men của các lực chống trượt của ñất ñắp trên ñoạn DG M 1 = R (Ntg ϕ + C l ); DGl = ϕ , C- chỉ tiêu cắt nhanh của ñất ñắp sau khi ñầm chặt (hình 5-13) và (5-14). Hình 5-13. Phương pháp tổng cường ñộ kiểm toán ổn ñịnh nền ñường Hình 5-14 .Mô men chống trượt M 1 của ñất ñắp Nếu gọi S là tổng cường ñộ của ñất móng, với giả thiết là một hằng số, thì mô men chống trượt M 2 trên ñoạn cung trượt EFG ñược tính như sau: M 2 = S. L. R L - chiều dài cung trượt EFG Thực tế ño ñạc chỉ ra rằng: tổng cường ñộ S của ñất móng phụ thuộc vào chiều sâu của tầng ñất yếu theo tỉ lệ tăng nhất ñịnh (hình 5-15). S = S o + λ h Trong ñó: S o - tổng cường ñộ của ñất móng tại ñáy nền ñắp ; λ - tỉ lệ tăng cường ñộ của ñất móng theo chiều sâu (hình 5- 15). h- Chiều sâu tính từ mặt ñất móng ñến ñiểm tính toán. Trên cung trượt EFG, lấy một ñoạn cung trượt dài dl , trên dl , tổng cường ñộ ñất móng gây ra mô men chống trượt dM 2 (hình 5-16). N®s.233 Hình 5-15. Sự thay ñổi cường ñộ không thoát nước S của ñất yếu theo ñộ sâu Z. Hình 5-16. Mô men chống trượt trong ñất móng M 2 dM 2 = R.S. dl = R 2 . S. d θ Chiều sâu h của dl tính như sau: h = R. cos θ - y Vì vậy: S = S o + λ (Rcos θ -y) dM 2 = R 2 [S o + λ (Rcos θ -y)] d θ Do ñó, trên ñoạn cung trượt EFG trong ñất móng, mômen chống trượt M 2 tính như sau: θθλ θθ dyRSRdMM o )]cos([22 11 0 2 0 22 −+== ∫∫ N®s.234 θθλ dyRSRM R x o ])cos([2 arccos 0 2 2 ∫ −+= ( )       +       −= x R x ySRM o λλ arccos2 2 2 Tổng mô men của các lực chống trượt là: ( )       +       −++= ∑ x R x ySRClNtgRM oon λλϕ arccos2)( 2 Khi tính hệ số ổn ñịnh, ngoài công thức tính toán thông thường như công thức (5-12), cần căn cứ vào những tình huống và những tham số thiết kế khác nhau ñể chọn công thức phù hợp. 1) Khi tính toán, cần xét qui luật gia tăng cường ñộ của ñất móng khi có cố kết và sự biến ñổi của nó theo chiều sâu. Có thể có các trường hợp sau: - Trường hợp 1: Khi ñất mềm lắng ñọng tương ñối sâu, cường ñộ biến ñổi theo chiều sâu có qui luật rõ ràng, hệ số ổn ñịnh K tính như sau: ( ) ( ) ∑ ∑ ∑ + ++ = II cuIIo TT tgNuLhS K 1 ϕλ Trong ñó: T I , T II lần lượt là phân lực gây trượt của trọng lượng ñất móng và ñất ñắp (kN/m); L- chiều dài cung trượt (m); N II - phân lực pháp tuyến trên cung trượt của trọng lực ñất ñắp (kN/m); h- ñộ sâu ñất móng của phân miếng (m); S 0 - cường ñộ ban ñầu của mặt lớp ñất móng (kPa); λ - tỷ lệ tăng của cường ñộ ñất móng thiên nhiên theo chiều sâu (kPa/m). (hình 5-15 ). - Trường hợp 2: khi sự lắng ñọng của ñất mềm có gián ñoạn, cường ñộ biến ñổi theo chiều sâu không có quy luật rõ ràng , công thức tính hệ số ổn ñịnh k như sau: ( ) ∑ ∑ ∑ + + = II cuIIu TT tgNulS K 1 ϕ Trong ñó: S u - cường ñộ bình quân của mỗi lớp ñất (kPa). Những ký hiệu khác ý nghĩa như trước. Nếu ñất móng có lớp ñất tương ñối dày, cường ñộ biến ñổi theo chiều sâu có qui luật rõ ràng thì có thể sử dụng cả hai phương pháp trên ñể tính toán. 2) Khi ñáy nền ñắp ñược rải một lớp vải ñịa kỹ thuật, do tấm vải chịu lực kéo làm tăng mômen ổn ñịnh, có thể căn cứ vào tình hình biến dạng của nó mà tính theo hai mô hình sau: N®s.235 Mô hình 1: giả sử tại vị trí mặt trượt cắt qua tấm vải, phương lực kéo của tấm vải tiếp tuyến với mặt trượt, ta có công thức tính hệ số ổn ñịnh như sau: ( ) ( ) ∑ ∑ ∑ + +++ = III cuIIo TT PtgNuhS K ϕλ l Hoặc: ( ) ∑ ∑ ∑ + ++ = III cuIIu TT PtgNuS K ϕ l Trong công thức trên: P là lực kéo tấm vải ñịa kỹ thuật (kN/m) Hình 5-17. Mô hình biến dạng của tấm vải ñịa kỹ thuật Mô hình hai: giả sử lực kéo tấm vải ñịa kỹ thuật có hướng như ở hình 5-17 (b), hệ số ổn ñịnh ñược tính theo công thức sau: ( ) ( ) ( ) ∑ ∑ ∑ + ++++ = III cuIIo TT RbtgaPtgNuhS K / ϕϕλ l Hoặc: ( ) ( ) ∑ ∑ ∑ + +++ = III cuIIu TT RbtgaPtgNuS K / ϕϕ l Ngoài việc kiểm toán ổn ñịnh khi cung trượt xuyên qua tấm vải ñịa kỹ thuật, vẫn phải tiến hành tính toán ngoài phạm vi trải tấm vải này, nghĩa là kiểm toán khả năng toàn bộ nền ñắp bị trượt. Trường hợp xây dựng nền ñắp cao trên ñất yếu, khi chưa ñắp ñến cao ñộ thiết kế, ñất móng ñã phát sinh vấn ñề, vì vậy,việc kiểm toán ổn ñịnh không chỉ tiến hành ở chiều cao thiết kế mà còn phải kiểm toán trong cả quá trình xây dựng. Khi ñất móng là những lớp ñất yếu dày, do di ñộng nghiêng của ñất móng làm nền ñắp chịu kéo, khi tính toán ổn ñịnh, có thể bỏ qua lực cản chống cắt bên trong nền ñắp, nhưng phải tiến hành tính toán chiều sâu vết nứt thẳng ñứng trong nền ñường. N®s.236 5.5. Tính độ lún của nền đường trên đất yếu Khác với việc tính lún đối với nền đường bình thường, do tính chất của đất yếu bão hoà, khi tính lún của nền đường trên đất yếu không xét đến ảnh hưởng của tải trọng động. Mặc khác, độ lún của nền đường trên đất yếu thường lớn và thời gian lún kéo dài. Độ lún này gồm độ lún của bản thân nền đắp và độ lún của đất móng nền đường. Khi thi công, đất đắp được đầm chặt nên khi tính toán không xét tới độ lún của bản thân nền đường. Vì vậy ta có thể hiểu rằng việc tính lún ở đây là độ lún của nền đất yếu dưới nền đắp. Độ lún của nền đất yếu gồm độ lún tức thời S d và độ lún do cố kết S c . Nếu gọi S là tổng độ lún, ta có: S = S d + S c . 5.5.1. Tính độ lún tức thời S d Tính lún tức thời S d với giả thiết biến dạng lún khi thể tích không đổi. Có nhiều phương pháp tính S d , theo tài liệu của Trung Quốc, độ lún S d được tính theo công thức sau: S d = F. E Bq. ; (cm) (5 -13) Trong đó: F - hệ số lún, có thể tra ở hình (5-18): B - chiều rộng tải trọng tính đổi; 2 a bB  q- ứng suất thẳng đứng ở đáy nền đắp tại tim đường. E- mô đun đàn hồi của đất móng. Hình 5.18. Hệ số lún F. Khi nền đất yếu gồm nhiều lớp thì thay E trong công thức (5-13) bằng mô đun đàn hồi trung bình E tb tính theo công thức: N®s.237 h hE E ii tb   Trong đó: E i và h i - mô đun đàn hồi và chiều dày của lớp đất thứ i. h = h i - chiều dày nền đất yếu 5.5.2. Tính độ lún do cố kết ép gọn S c Độ lún do cố kết S c được tính theo phương pháp phân tầng cộng lún. Để tính toán, ta chia đất móng thành nhiều lớp. Chiều dày mỗi lớp không lớn hơn 0,4 lần chiều rộng đáy nền đắp. Khi nền đất yếu rất dày thì chỉ tính lún trong phạm vi tầng chịu nén H c . Theo qui định của Liên Xô, chiều dày tầng chịu nén H c được tính từ mặt đất móng đến vị trí có ứng suất phụ  z do tải trọng ngoài gây ra thoả mãn điều kiện  z = 0,2 m   . Trong đó: m   - ứng suất do tải trọng bản thân của đất móng. Tuy nhiên, theo tài liệu của Trung Quốc, chiều dày tầng chịu nén lại được tính đến vị trí có  z = 0,1 m   . Khi phía dưới tầng chịu nén có tầng cát hoặc tầng nham thạch ổn định thì độ lún được tính đến tận đỉnh của các tầng này. 1. Tính độ lún S c theo hệ số độ rỗng S c =     i h 1 21 1   ; (5-14) Trong đó: 1  - hệ số rỗng ban đầu trước khi đắp của lớp đất thứ i. 2  - hệ số rỗng cuối cùng của lớp đất i sau khi đã hoàn thành cố kết dưới tác dụng của tải trọng ngoài. h i - chiều dày lớp đất thứ i. 2. Tính độ lún cố kết S c theo chỉ số nén lún C c Phương pháp này được dùng khi đất có tính nén lún lớn. Căn cứ vào thí nghiệm nén không nở hông, vẽ đường cong  lge (hình 5- 19). Từ đó có thể xác định được trị số áp lực trước cố kết  p , chỉ số nén C c và hệ số nở C s dùng để tính lún. Trị số áp lực trước cố kết  p tương ứng với điểm đổi dốc của đường cong  lge . Chỉ số nén lún C c là độ dốc của đoạn thẳng MN trên đường cong  lge khi >  p . Ta có : . lg MN l C c     Chỉ số nở C s là độ dốc của đoạn thẳng DL . 3 x lg 2,899=0,539 N®s.243 (1) (2) (3) (4) (5) 4 80,0 5,11 0,2   152x0,9=13 6,8 79 7,2 60 8,13631   0,80x4x lg 2 ,79 7=1,429 5 348,0 3,11 8,0   152x0,84=1 27, 68 96,2 62 68,1 275 6   0,348x5x lg 2,96 = 0,82 Độ lún của nền đường: S = 2 ,78 8m 5.6. các biện pháp gia cố nền đất yếu Khi tải trọng nền đắp vượt quá sức chịu tải của nền đất yếu. ñứng trong nền ñường. N®s.236 5.5. Tính độ lún của nền đường trên đất yếu Khác với việc tính lún đối với nền đường bình thường, do tính chất của đất yếu bão hoà, khi tính lún của nền đường trên. 5,94 5,85 1:1 ,75 2,93 6 ,72 3,41 6,26 4,66 6,00 6,02 5,90 1:2,00 3,10 6, 87 3,53 6,40 4 ,78 6,08 6,10 5,95 1:2,25 3,26 7, 23 3,66 6,56 4,90 6,16 6,18 5,98 1:2.50 3,46 7, 62 3,82 6 ,74 5,03 6,26 6,26