đồ án kỹ thuật tài nguyên nước VẢI ĐỊA KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG PHÂN CÁCH TRONG NỀN ĐƯỜNG

Phương pháp vải địa kỹ thuật là một phương pháp rất hiệu quả và kinh tế .Vải địa kỹ thuật có thể được ứng dụng làm tăng cường độ của nền, ngăn cách các lớp vật liệuphớa trên với nền đất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT ĐỊACHẤT VÀ DẦU KHÍ

BỘ MễN ĐỊA KỸ THUẬT

… 0O0…

ĐỒ ÁN MễN HỌC

VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

VÀ ỨNG DỤNG PHÂN CÁCH TRONG NỀN ĐƯỜNG

GVHD: ThS NGễ TẤN PHONG SVTH : HUỲNH TRỌNG HUẤN MSSV : 30400934

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2008

TP.HCMBK

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU……… i

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1

I.1 Vải địa kỹ thuật 1

I.1.1 Lịch sử ra đời 1

I.1.2 Khái niệm 2

I.1.3 Phân loại vải địa kỹ thuật 2

I.1.4 Các đặc tớnh cơ bản của VĐKT và thí nghiệm xác định chúng 3

I.1.5 Chức năng của vải địa kỹ thuật 4

I.1.6 Phạm vi ứng dụng 5

CHƯƠNG II CƠ SỞ Lí THUYẾT ĐỂ TÍNH TOÁN VĐKT VÀ ỨNG DỤNG LÀM PHÂN CÁCH TRONG NỀN ĐƯỜNG……… 9

II.1 Cơ sở lý thuyết để lựa chọn VĐKT……… 9

II.1.1 Ba bước thao tác trước khi tính toán thiết kế vải địa kỹ thuật……….9

II.1.2 Các tiêu chuẩn thiết kế……… 10

II.2 Cơ sở lý thuyết để tớnh toán và thiết kế VĐKT 11

II.2.1 Dùng VĐKT để tăng sức chịu tải của đất nền………11

II.2.2 Dùng VĐKT làm lớp phân cách……… 13

II.2.3 Dùng VĐKT cho chức năng thấm lọc và tiêu thoát nước 16

II.3 Ứng dụng vải địa kỹ thuật làm vật liệu phân cách cho nền đường ụtụ 18

II.3.1 Các dạng phá hủy của nền đường 18

II.3.2 Chức năng của VĐKT trong kết cấu nền đường 18

II.3.3 Sử dụng vải địa kỹ thuật với chức năng phân cách 18

II.3.4 Các phương pháp tớnh toán lớp đắp cho nền đường có ứng dụng VĐKT………21

II.3.5 Quy trình thiết kế theo phương pháp AASHTO-Polyfelt 26

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

Mở đầu

Trong những thập niờn gần đây, ngành xõy dựng đang có những bước phát triểnkhá mạnh mẽ, góp phần đáng kể trong công cuộc xõy dựng đất nước nói chung và thànhphố Hồ Chí Minh nói riờng Chớnh vì thế mà diện tích xõy dựng trên đất tốt ngày càng bịthu hẹp, dần dần mở rộng ra cho những vùng đất yếu.Và việc xõy dựng công trình trênđất yếu rất khó khăn và không thể nờn ta phải có những biện pháp xử lí nền đất cho mụcđích xõy dựng.

Hiện nay có rất nhiều phương pháp để gia cố và xử lí nền đất yếu như phươngpháp giếng cát ,bấc thấm ,vải địa kỹ thuật ,cọc đất vôi, cọc đất xi măng…Nhưng trong đồ

án này chỉ đề cập đến phương pháp vải địa kỹ thuật

Phương pháp vải địa kỹ thuật là một phương pháp rất hiệu quả và kinh tế Vải địa

kỹ thuật có thể được ứng dụng làm tăng cường độ của nền, ngăn cách các lớp vật liệuphớa trên với nền đất yếu, cũng như có thể làm nhiệm vụ tiêu thoát nước khá hiệu quả màthời gian thi công lại rất nhanh và đơn giản

I.1 Vải địa kỹ thuật.

Trong vòng 10 năm (1970-1980), ở Bắc Mỹ đã sử dụng tới 90 triệu m2 vải địa kỹthuật Một sự kiện quan trọng là vào năm 1971, hội thảo quốc tế lần nhất về VĐKT

đã tổ chức tại Pháp Đỉnh cao của lĩnh vực sử dụng VĐKT trong xõy dựng là sự rađời Hiệp hội VĐKT quốc tế (IGS) và hàng loạt các tổ chức tiêu chuẩn về VĐKT nhưASTM D35 (Mỹ), CEN (ủy ban của châu Âu về vật liệu ĐKT tổng hợp), GRI ( việnnghiờn cứu vật liệu ĐKT tổng hợp), ISSMFE TC9, ISO Committee…

Hội thảo quốc tế về VĐKT tổ chức lần 2 ở Las Vegas vào năm 1982, lần 3 tạiVienna vào năm 1986, lần 4 tại Hague vào năm 1990, lần 5 tại Singapor vào năm

1994, lần 6 tại Atlanta vào năm 1998 Những năm 90 trở lại đây thì việc sử dụngVĐKT vào các công trình xõy dựng trở nờn rất rộng rói

I.1.2.Khái niệm.

Theo TCXDVN, vải địa kỹ thuật là sản phẩm từ polymer tổng hợp, sợi liêntục ,dệt hoặc không dệt, có độ bền cao, có khả năng thoát nước hoặc cách nước, được

sử dụng trong xõy dựng để phân cách, gia cố nền hay lọc…

Phần lớn vải địa kỹ thuật có thành phần cấu tạo khoảng 96% đến 97% chất trùnghợp (polymer), 2% đến 3% than đen (cacbon black) và 0% đến 1% các phụ gia khác.Các polymer cơ bản dùng trong công nghệ sản xuất vải địa kỹ thuật là:Polypropylen(PP), Polyester(PET), Polyethylen(PE), Polyamide(PA)

Phần tử sơ cấp tạo nờn VĐKT gọi là sợi vải có đặc trưng là chiều dài không ngắnhơn 100 lần đường kớnh Sợi có thể dài liờn tục hoặc sợi ngắn có chiều dài từ 5cmđến 10cm Tựy theo phương pháp kết dớnh giữa các sợi và bó sợi mà vải có tờntương ứng

I.1.3.Phân loại.

VĐKT có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau như theo cấu trúc, chức

năng, vật liệu, mục đích…, sau đõy phân loại theo cấu trúc của vải và theo chức năng

sử dụng:

a- Theo cấu trúc vải:

● Vải không dệt: gồm những sợi ngắn gắn kết với nhau bằng keo húa học hoặcbằng gia nhiệt có các đặc trưng sau:

- Biến dạng từ 30% đến 50%

- Sức chịu kéo từ 1 đến 30 kN/m, với những loại vải đặc biệt sức chịu tải

có thể đạt tới 30 đến 100 kN/m

Hình 1.1 Vải không dệt.

● Vải dệt: cấu trúc như các loại vải may mặc thông thường có các đặc tớnh sau:

- Sức chịu tải lớn, theo hướng dọc lớn hơn hướng ngang

- Loại dệt có modun biến dạng lớn hơn loại không dệt nhưng lại khôngđẳng hướng

Hình 1.2 Vải dệt

b- Theo chức năng sử dụng:

● Loại có chức năng ngăn cách: sử dụng làm ngăn cách giữa 2 lớp vật liệu cótớnh chất cơ lý khác nhau

● Loại có chức năng thấm lọc: ngăn cách không cho các phần tử lơ lửng trongnước đi qua màng lọc.

● Loại có chức năng thoát nước: cho phép thoát nước theo cả 2 chiều đứng vàngang

● Loại có chức năng gia cố cơ học: làm đồng nhất sự biến dạng, tăng độ bền pháhủy cục bộ

I.1.4 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của VĐKT và thí nghiệm xác định chúng 1- Cường độ chịu kéo và độ gión dài ứng với lực tác dụng cực đại, kN/m và %.

Cường độ chịu kéo là giới hạn lực cho khả năng chịu kéo của vải dưới tải trong côngtrình Độ gión dài ứng với lực tác dụng cực đại là biến dạng so với lúc ban đầu củavải dưới lực tác dụng cực đại Xác định các thông số này thông qua thí nghiệm kéođược thực hiện trên 1 mẫu thử có chiều dài 500mm và chiều rộng 100mm

4- Độ dày tiêu chuẩn của vải.

Chính là khoảng cách giữa 2 đĩa phẳng song song khi 2 đĩa này ép lờn vải một áp lựcquy định là 2kPa

5- Khối lượng đơn vị diện tích, g/m2

Là khối lượng của vải trên một đơn vị diên tích

I.1.5 Chức năng của vải địa kỹ thuật.

Tựy thuộc vào các công trình mà sử dụng vải địa kỹ thuật có một hay kết hợp cácchức năng sau:

1- Chức năng phân cách.

Vải địa kỹ thuật được dùng làm tấm ngăn cách liên tục giữa 2 lớp vật liệu có đặctớnh khác nhau, thí dụ như cát sạn sỏi với bùn sét Dùng vải địa kỹ thuật sẽ tránhđược mất vật liệu, cho phép giảm khối lượng đất đắp và sẽ tiết kiệm đáng kể chi phíxõy dựng Sử dụng lớp phõn cách bảo đảm rằng tớnh chất cơ học của các lớp đấtđược bảo quản an toàn, tải trọng tác dụng sẽ được tiếp nhận và sự phõn bố tải trọngtrong nền đất tốt hơn.

2- Chức năng thấm lọc.

Nước di chuyển có mang theo những phần tử lơ lửng, VĐKT sẽ cho nước đi qua

và nó sẽ giữ các vật liệu lơ lửng ở lại Nhưng quá trình này sẽ bít nhép màng lọc vàlàm giảm khả năng thấm của màng lọc Hiện tượng này không thể tránh được và chấpnhận nếu thỏa món các điều kiện sau:

o Hệ số thấm theo đường lọc vẫn cao hơn hệ số thấm của khu vực xung quanh

o Hiện tượng bít chậm so với tuổi thọ công trình

o Quá trình lắng có một thời hạn nhất định

3- Chức năng thoát nước.

Ở Việt Nam nền đất yếu thường có độ ẩm tự nhiờn tương đối lớn và độ nhạy cảmtương đối cao Vì thế VĐKT có thể làm cho nước tiêu thoát nhanh để gia tăng cường

độ kháng cắt của đất nền và do đó làm gia tăng ổn định của tổng thể công trình theothời gian.VĐKT loại không dệt, xuyờn kim có chiều dày và tớnh thấm nước cao làvật liệu có khả năng tiêu thoát nước tốt, cả theo phương đứng và phương ngang.Vìthế làm tiêu tán nước trong lỗ rỗng nhanh, giảm áp lực nước lỗ rỗng trong quá trìnhthi công cũng như sau khi xõy dựng và dẫn đến sức kháng cắt tăng lờn Hai tiêuchuẩn để đánh giá về đặc trưng của lọc ngược là khả năng giữ đất và hệ thấm củavải.VĐKT cần có kích thước lỗ rỗng đủ nhỏ để không cho các hạt đất cần bảo vệ điqua, đồng thời cũng đủ lớn để đủ khả năng tiêu thoát nước đảm bảo cho việc giảm áplực nước lỗ rỗng

4- Chức năng gia cố.

Vải địa kỹ thuật làm cho việc thi công lớp đầu tiờn dễ dàng hơn như giảm chiềudày, đảm bảo cho phương tiện lưu thông đi lại dễ dàng, làm cho sức chịu tải tăng vàbiến dạng đồng đều Tuy không làm tăng độ bền của đất nhưng vải địa kỹ thuật chốnglại sự phát triển các vùng phá hoại cục bộ Đối với nền đất yếu thì sự phá hoại lớp đất

đắp xảy ra tức thời Do đó việc sử dụng vải địa kỹ thuật tránh được sự phá hoại tứcthời đó và tăng cường gia cố.

Trong kết cấu nền đường VĐKT như bộ phận chịu lực tuy nhiên tải trọng xe tácdụng lờn mặt đường chủ yếu theo phương thẳng đứng, trong khi phương chịu kéo củavải lại theo phương ngang Vì vậy cường độ chịu kéo và cường độ chịu uốn của vải

có ảnh hưởng rất nhỏ trong sự gia tăng khả năng chịu tải của nền dưới tải trọng đứngcủa bánh xe

Trong trường hợp xõy đê đập hay xõy dựng đường dẫn vào cầu có chiều cao đấtđắp lớn có khả năng trượt mái hoặc chuyển vị ngang của đất đắp, VĐKT có thể đóngvai trò cốt gia cường cung cấp lực kháng trượt theo phương ngang, nhằm gia tăng ổnđịnh của mái dốc, trong trường hợp này nó có chức năng gia cường

I.1.6 Phạm vi ứng dụng.

VĐKT là loại vật liệu địa kỹ thuật được sử dụng khá phổ biến.Vì thế mà phạm viứng dụng của nó ngày càng rộng và đa dạng như trong lĩnh vực giao thông vận tải,thủy lợi ,trong công tác ổn định công trình, cầu đường ,…

Vùng châu Á, loại đất sét yếu và than bùn là khá phổ biến, nó không cho phépxõy dựng trực tiếp công trình trên nền thiờn nhiờn, cũng như thiết bị thi công khôngthể di chuyển và lắp đặt trực tiếp trên nó.Vì thế giải pháp VĐKT lúc này là khá hiệuquả

Có thể kể ra một số ứng dụng của VĐKT như sau:

I.1.6.1 Ứng dụng vải lọc trong đường sắt.

VĐKT không dệt, sợi liên tục có thể lắp đặt trong nền đường sắt để phân cáchgiữa lớp balát và lớp đất nền bờn dưới nhằm tránh hiện tượng chỡm dần và bị bẩn của

đá balát đồng thời cho phép tiêu thoát nước từ trung tâm đường ray ra ngoài ,từ đógiúp ổn định đường ray

Hình 1.3 Ứng dụng trong đường sắt

I.1.6.2 Làm tầng lọc ngược cổ điển nhiều lớp trong các công trình bảo vệ bờ sông,

mái dốc và các công trình tiêu thoát nước khác,…

VĐKT

Hình 1.4

Ứng dụng trong ống lọc

Hình 1.5 Chức năng thoát nước ở bờ dốc gần đường

Hình 1.6 Ứng dụng trong giữ ổn định sườn dốc.

I.1.6.3 Làm lớp phân cách trong kết cấu nền đường.

Việc dùng VĐKT có tác dụng phõn cách tăng cường sức chịu tải cũng như cường

độ của nền đường

Ngoài ra ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của vải địa kỹ thuật như xõydựng các kho chứa, bến bói, bến đập…trên nền đất yếu; gia cố tường, gia cố cầu vàcác trụ chống; tiêu thoát nước ở các sân vận động, sõn golf và các bói chứa cát…

Nước dưới đất

Hình 1.7 Ứng dụng gia cố trong nền đường.

VÀ ỨNG DỤNG LÀM PHÂN CÁCH TRONG NỀN ĐƯỜNGII.1 Cơ sở lý thuyết để lựa chọn VĐKT

II.1.1 Ba bước thao tác trước khi tính toán thiết kế VĐKT.

1- Bước 1 Xác định chức năng chớnh của vải Cần phõn biệt được các chức năng

chớnh và chức năng phụ của VĐKT trong mỗi giai đoạn xõy dựng là điều quan trọng đểthiết kế và xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của VĐKT

Bảng 2.1: Chức năng tiêu biểu ứng với một số lĩnh vực ứng dụng.

● - chức năng chớnh, ○ - chức năng phụ, ◘ - tựy thuộc vào từng loại đất

Chức năng

Lĩnh vực áp dụng

Phân cách

Tiêu thoát

Thấm lọc

Gia cường

Bảo vệ

Các công trình cải tạo

đất trong thủy lợi

2- Bước 2: Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của vải, từ đó xác

định các yêu cầu về tớnh chất của vải để có thể chịu được các ảnh hưởng của các yếu tốnày

3- Bước 3: Phải có các quy định chặc chẽ về tớnh chất của vải cũng như trong quá

trình thi công để đảm bảo lắp đặt ở hiện trường đỳng chất lượng thiết kế

II.1.2 Các tiêu chuẩn thiết kế.

VĐKT có rất nhiều chức năng trong nhiều lĩnh vực, chớnh vì thế mà tớnh toánVĐKT sao cho phù hợp với từng chức năng hay lĩnh vực đã chọn Ở đây sẽ trình bày một

số trường hợp thông dụng

a-Cỏc tiêu chuẩn tớnh toán phù hợp với từng chức năng.

1- Với chức năng chớnh là phân cách thì tiêu chuẩn chính cho viêc lựa chọn vải là:

o Khả năng chống hư hỏng trong quá trình trải vải và thi công công trình

o Các đặc tớnh tiêu thoát nước và lọc nước của vải

2- Với chức năng chớnh là gia cố và phân cách thỡ tiờu chuẩn lựa chọn vải là:

o Có cường độ chịu kéo phù hợp

o Chịu được các phá hoại trong quá trình thi công

o Các đặc tớnh tiêu thoát nước và lọc nước của vải.

3- Với chức năng thấm lọc là chính thì tiêu chuẩn lựa chọn vải là:

o Tiêu chuẩn lọc và dẫn nước

b-Các tiêu chuẩn tớnh toán phù hợp với từng loại công trình.

II.2 Cơ sở lý thuyết để tính toán VĐKT.

II.2.1 Dùng VĐKT để tăng cường sức chịu tải của nền.

VĐKT là loại vật liệu có khả năng chịu kéo nờn có thể dùng để gia cường cho cácloại vật liệu kém hoặc không có tớnh chịu kéo Và đất là một ví dụ điển hình, do đó cóthể sử dụng VĐKT để nõng sức chịu tải của nền đất

Để đánh giá khả năng nõng cao sức chịu tải của nền đất được gia cường bằngVĐKT, có thể dùng phương pháp nén 3 trục các mẫu không có vải , có 1 lớp vải , hay có

2 , 3 lớp vải …Kết quả cho thấy nhờ có VĐKT mà khả năng chịu tải của chúng được giatăng đáng kể so với trường hợp không có vải

Theo Broms, có thể tớnh toán khả năng tăng cường độ của đất khi gia cường bằngVĐKT như sau:

II.2.1.1 Ứng suất phát sinh do hiệu suất màng mỏng

Khi bố trí VĐKT trong đất sẽ tạo ra ứng suất như sau:

2

1-2 cos3sin cos

h

P Z

 - ứng suất theo phương ngang tại độ sau z và lệch một góc , kN/m, kN/m 2

P- tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng, kN

Z- chiều sâu kể từ bề mặt tác dụng của P đến điểm tính toán, m

 - hệ số poatson

- góc tạo bởi P và phương thẳng đứng

Cho  =0, thì phương trình (2.1) trở nên đơn giản:

Từ phưong trình (2.2) ta thấy, trị số P lớn thì ứng suất của VĐKT cũng lớn Tương

tự, VĐKT đặt càng gần tải trọng ( tức Z nhỏ ), thì ứng suất trong VĐKT cũng tăng Thực

tế, ta hay bố trí VĐKT ngay sát bề mặt lớp đất yếu để tăng cường khả năng chịu tải củađất nền

geomembrane

Lớp đất nền không có VĐKT

geomembrane

protective geotextile layer

Hình 2.1 Hình minh họa cho khả năng chống xuyờn thủng khi có vải

II.2.1.2 Ứng suất phát sinh do hiệu quả tăng sức chống cắt.

Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp không thoát nước của các mẫu đất có bố trí VĐKT

và không bố trí VĐKT cho thấy, mẫu đất có bố trí VĐKT thì có sứa chịu tải lớn hơn mẫukhông bố trí lớp VĐKT Hiệu quả tăng sức chịu tải của nền đất được đánh giá bằng hệ sốhiệu quả Hệ số này biến đổi từ 0 tới 1 Nếu hệ số hiệu quả lớn hơn 1 sẽ xuất hiện mặttrượt trong mẫu đất

Khi tính toán nền đất gia cường bằng VĐKT thì nờn sử dụng các quan hệ sau:

1

c

C E C

E và E- “ hệ số hiệu quả” do tăng cường lực dớnh và tăng góc ma sát trong của

đất có VĐKT và đất không VĐKT Trị số E và c E thay đổi trong khoảng 0ữ1

0

C và 0- lực dớnh và góc ma sát trong của đất khi chưa có VĐKT

1

C và 1- lực dớnh và góc ma sát trong của đất khi có VĐKT

Lớp vải địa kỹ thuật

Lớp đất nền

Lúc chưa có vải

Hình 2.2.Hình minh họa cho khả năng chống cắt của đất khi không có vải và có vải

II.2.1.3 Tăng khả năng chịu tải do hiệu quả neo.

VĐKT nằm trong đất và được đất bao bọc xung quanh Trong trường hợp nàyVĐKT giữ vai trò như một cái neo giữ đất lại, khi đó làm tăng khả năng chịu tải của đất

so với nền không có VĐKT

II.2.2 Dùng VĐKT làm lớp phân cách.

Lớp phõn cách bằng VĐKT được dùng nhiều trong lĩnh vực xõy dựng

VĐKT làm lớp phõn cách giữa các lớp vật liệu khác nhau trong xõy dựng nền, mặt nềnôtô, nền đường tàu hỏa, ngăn cách nền đất với các đá dăm, xõy dựng sân vận động, xâydựng đê sông đê biển, xử lý nền móng trong các công trình xõy dựng

Dưới đõy sẽ trình bày những chỉ tiêu cần thiết cho tính toán:

II.2.2.1 Cường độ chịu kéo theo yêu cầu.

Theo Giroud.J.P, cường độ chịu kéo của đất khi có bố trí VĐKT được xác định như sau:

Lúc có vải