Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy

MỞ ĐẦU 0.1 Sự cần thiết đề tài Đất yếu loại đất có sức chịu tải nhỏ tính nén lún lớn, thƣờng gặp nƣớc ta Khi xây dựng đắp đất yếu không đƣợc khảo sát, thiết kế cẩn thận có biện pháp xử lý thích đáng đắp xây dựng thƣờng dễ ổn định, bị lún nhiều lún kéo dài, ảnh hƣởng xấu đến việc khai thác sử dụng mặt Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc nêu để tính toán ổn định lún đắp đất yếu, có phƣơng pháp đƣợc đƣa vào Tiêu chuẩn hành Các phƣơng pháp phản ảnh mức độ thực trạng công trình bị ổn định Tuy nhiên, phƣơng pháp mang tính tiền định, không xét cách đầy đủ đặc tính ngẫu nhiên tham số tính toán đất nền, đất đắp tải trọng đƣợc đƣa vào tính toán, nhƣ không xét đến yếu tố thời gian Do đó, nhiều trƣờng hợp, công trình đắp bị ổn định lún nhiều gây hậu nghiêm trọng việc thiết kế, thi công khai thác công trình tuân thủ nghiêm ngặt Tiêu chuẩn, Quy phạm hành Rõ ràng, cần phải xét đến đặc tính ngẫu nhiên tham số đất tải trọng tính toán công trình đắp Việc đánh giá an toàn đắp đất yếu xét đến đặc tính ngẫu nhiên tham số kể đƣợc giải sở lý thuyết xác suất độ tin cậy Vì thế, đề tài “Nghiên cứu an toàn đắp đất yếu theo tiêu chuẩn hành theo lý thuyết độ tin cậy” có tính cấp thiết giải vấn đề mục đích Luận văn 0.2 Mục đích đề tài Phân tích kết tính toán an toàn đắp đất yếu tính toán theo tiêu chuẩn hành theo lý thuyết độ tin cậy, ứng dụng phƣơng pháp để tính toán đắp đất yếu điều kiện cụ thể công trình 0.3 Phƣơng pháp phạm vi nghiên cứu đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài : Nghiên cứu tài liệu thí nghiệm từ nguồn khác kết hợp với phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết Phạm vi nghiên cứu đề tài : Nghiên cứu ổn định trƣợt sâu, lún trồi công trình đắp đất yếu theo Tiêu chuẩn hành theo lý thuyết độ tin cậy 0.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần hoàn thiện sở lý thuyết cho việc thiết kế thi công đắp đất yếu Ý nghĩa thực tiễn: Lý giải đƣợc nguyên nhân xảy nhiều cố đắp đất yếu thiết kế thi công đắp đất yếu tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn hành để có giải pháp tránh đƣợc cố CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 1.1 Khái niệm đất yếu Cho đến nay, khái niệm đất yếu chƣa thật rõ ràng thống tùy theo quy mô công trình t ải trọng tác dụng mà đất có mức độ tƣơng tác với công trình khác Có đất yếu với cấp loại công trình nhƣng l ại không yếu với cấp loại công trình khác Theo quan niệm nhiều nhà khoa học địa kỹ thuật xây dựng, đất yếu thƣờng đƣợc hiểu nhƣ sau [2], [13]: Đất yếu loại đất có độ ẩm lớn 80%, mô đun biến dạng thấp, với khoảng áp lực (0,05÷0,3) MPa E0 ≤ MPa Đất yếu đất có khả chịu tải thấp, khoảng(0,05÷0,1) MPa Góc ma sát đất υ = ÷10 0, lực dính đơn vị khoảng (0,002÷0,03) MPa Tính biến dạng lớn, nằm tự nhiên đất yếu có mật độ không lớn – tải trọng (0,1÷0,15) MPa độ lún đất đạt đến (10÷15)% chiều dày lớp đất Thông thƣờng, hệ số rỗng đất yếu e > 1,0 Quá trình cố kết đất yếu diễn kho ảng thời gian dài Do khả thấm nhỏ, hệ số thấm dao động khoảng (10 -6÷10 -9 ) cm/s, nên độ lún cuối công trình kéo dài có đến hàng chục năm Vì thế, biện pháp xử lý đắn việc xây dựng công trình đất yếu khó khăn thực đƣợc Theo 22TCN 262-2000 [1], tùy theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặcnguồn gốc hữu Loại có nguồn gốc khoáng vật thƣờng sét sét trầm tích nƣớc ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, đồng tam giác châu; loại lẫn hữu trình tr ầm tích (hàm lƣợng hữu tới 10 - 12 %) nên có mầu nâu đen, xám đen, có mùi Đối với loại này, đƣợc xác định đất yếu trạng thái tự nhiên, độ ẩm chúng gần cao giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e ≥ 1,5 , sét e ≥ 1), lực dính с theo kết cắt nhanh không thoát nƣớc từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát υ từ 00 – 10 lực dính từ kết thí nghiệm cắt cánh trƣờng сu ≤ 0,35 daN/cm2 Ngoài vùng thung lũng hình thành đ ất yếu dƣới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1,0, độ bão hòa G > 0,8) Loại có nguồn gốc hữu thƣờng hình thành từ đầm lầy, nơi nƣớc tích đọng thƣờng xuyên, mực nƣớc ngầm cao, loài thực vật phát triển, thối rữa phân hủy, tạo vật lắng hữu lẫn với trầm tích khoáng vật Loại thƣờng gọi đất đầm lầy than bùn, hàm lƣợng hữu chiếm tới 20 - 80%, thƣờng có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn tàn dƣ thực vật) 1.2 Những cố thƣờng xảy đắp đất yếu Nền đắp đất yếu thƣờng đƣợc thi công nhanh, ứng suất đất yếu nhƣ áp lực nƣớc lỗ rỗng tăng lên nhanh chóng khiến cho cƣờng độ kháng cắt đất trở nên không kịp đủ cân với ứng suất cắt tải trọng gây khối đất Đó lý làm cho đắp đất yếu dễ bị phá hoại trình xây dựng, phá hoại trƣớc mắt Sau xây dựng, áp lực nƣớc lỗ rỗng giảm xuống, cƣờng độ kháng cắt tăng lên độ ổn định đƣợc cải thiện Tƣơng quan τmax = C’ + (σ – u)tgυ’ cƣờng độ kháng cắt τmax đất với ứng suất có hiệu σ’= σ – u cho phép ta giải thích tƣợng Từ điều kinh nghiệm cho thấy hƣ hỏng đắp đất yếu thƣờng phá ho ại trƣợt quay với cung trƣợt tròn Trong trƣờng hợp đặc biệt, đất thiên nhiên đồng đáy đất đƣợc tăng cƣờng cấu phá hoại cấu phá hoại đất chịu tác dụng móng nông Trong trƣờng hợp đất bị phá hoại theo kiểu lún trồi việc tính toán độ ổn định đƣợc tiến hành nhƣ tính móng nông cổ điển 1.2.1 Phá hoại trượt trụ tròn Kiểu phá hoại thƣờng gặp xây dựng đƣờng dạng hình học thông thƣờng đắp Một mặt trƣợt dạng trụ tròn đƣợc sinh đắp bị lún cục (h 1.1) Hậu lún phận đắp đất thiên nhiên dọc theo diện tích phá hoại bị chuyển vị có hình dạng thay đổi theo tính chất đặc tính học vật liệu dƣới đắp Để tính toán, trƣờng hợp đơn giản thƣờng xem mặt phá hoại tƣơng tự mặt trụ tròn trƣợt đƣợc gọi trƣợt trụ tròn Sự phá hoại đất yếu lún trồi trƣợt sâu đắp cao tƣợng xảy nhanh chóng thi công sau thi công xong thời gian ngắn Hình 1.1 Các phá hoại dạng mặt trượt trụ tròn a) Có mặt nứt kéo đắp; b) Không có mặt nứt kéo đắp 1.2.2 Phá hoại lún trồi Toàn đắp lún võng vào đất yếu đẩy trồi đất yếu tạo thành bờ đất gần chân taluy (h.1.2) Hình 1.2 Phá hoại đắp lún trồi 1.3 Các giải pháp khắc phục cố đắp đất yếu Khi kết tính toán kiểm tra ổn định cho thấy đạt đƣợc hệ số an toàn lớn hệ số an toàn cho phép Tiêu chuẩn (K = 1,5) ứng với chiều cao đắp xây dựng phải áp dụng biện pháp cải thiện điều kiện ổn định Các biện pháp gồm có việc sửa chữa hình học công trình, xây dựng đắp theo giai đo ạn, cải thiện (hoặc tăng cƣờng) đất yếu Các giải pháp khác nhƣ tăng cƣờng đáy đắp, dùng vật liệu nhẹ,… thƣờng đƣợc dùng 1.3.1 Sửa chữa hình học Sửa chữa hình việc thay đổi kích thức đắp Có thể sửa đối kích thƣớc hình học đắp theo hƣớng tăng độ ổn định việc giảm độ dốc mái taluy Tuy nhiên, giảm độ dốc mái taluy 1/3 không c ải thiện đƣợc độ ổn định so với làm bệ phản áp, vị trí cho phép giảm độ dốc mái taluy 1.3.2 Thay lớp đất yếu lớp đất tốt Việc thay đất đào bỏ đất xấu để thay đất tốt đầm chăt Việc thay đất kho khăn thi công dƣới nƣớc thực tế giới hạn với chiều sâu đến vài mét Mặt khác việc thay đất thƣờng ảnh hƣởng đến môi trƣờng Việc thay toàn phần đất yếu vật liệu có cƣờng độ cao biến dạng khắc phục đƣợc toàn phần vấn đề lún ổn định 1.3.3 Xây dựng theo giai đoạn Xây dựng theo giai đoạn tiến hành đắp đến chiều cao cho hệ số an toàn F ≥ 1,5 chờ cho đất yếu cố kết (cải thiện cƣờng độ kháng cắt) Trong giai đoạn cố kết, hệ số an toàn tăng lên tải trọng không đổi Nhƣ đắp thêm chiều cao để giảm hệ số an toàn đến trị số tối thiểu 1,5 lặp lại trình số lần cần thiết Do thời gian cố kết cần thiết hai giai đoạn dài nên đắp đƣờng đến ba giai đoạn Thời gian thi công giảm đáng kể làm đƣờng thấm thẳng đứng Việc tính toán kiểm tra độ ổn định trƣớc đắp lớp đƣợc tiến hành với ứng suất tổng, sở trị số lực dính không thoát nƣớc đƣợc tăng lên cố kết đƣợc xác định theo hai phƣơng pháp sau: - Đo thiết bị cắt cánh trƣờng – Đƣa trực tiếp trị số đo đƣợc vào tính toán không cần điều chỉnh, tải trọng đắp có tác dụng phá hoại kết cấu đất sét giảm bớt vai trò nhân tố điều chỉnh Bjerrum - Đánh giá độ tăng lực dính không thoát nƣớc – độ tăng tính số theo công thức: ΔCu = Δσ’tgυcu Dƣới tim đƣờng đắp Δσ’= Δσ.U, với Δσ tổng ứng suất đắp gây U độ cố kết đƣợc đánh giá xác định theo kết đo áp lực nƣớc lỗ rỗng chỗ Hình 1.3 Nguyên tắc xây dựng đắp theo giai đoạn Hình 1.4 Xây dựng theo giai đoạn - Sơ đồ xét tới việc tăng lực dính cố kết 1.3.4 Cải thiện tính chất đất yếu Có thể cải thiện tính chất đất yếu cố kết khối đất dƣới đắp tăng cƣờng khối đất cột balat cột đất gia cố vôi, cột có tác dụng thoát nƣớc Sự cố kết khối đất yếu xảy dƣới tác dụng ứng suất đắp gây Khi điều kiện ổn định thời hạn thi công cho phép, xây dựng đắp đến chiều cao lớn chiều cao thiết kế nhƣ tác dụng thêm gia tải để tăng nhanh độ lún Trong trƣờng hợp chung, thời gian cố kết dài, đến vài năm vài thập kỷ Nhƣ cần tăng nhanh tƣợng cố kết cách làm đƣờng thấm thẳng đứng để giảm chiều dài đƣờng thoát nƣớc Cũng tăng nhanh cố kết phƣơng pháp cố kết động tức thả rơi vật nặng mặt sau làm đƣờng thấm thẳng đứng Cũng tăng cƣờng khối đất yếu cột vật liệu có cƣờng độ tốt đất thiên nhiên chỗ Hai kỹ thuật đƣợc sử dụng là: - Cột balat: Thay cục đất yếu cột vật liệu hạt đầm chặt - Cột đất gia cố vôi: Trộn vôi sống với đất sét chỗ làm tăng đáng kể tính chất đất sét mềm 1.3.5 Các phương pháp khác Tăng cƣờng đáy đắp vật liệu thiên nhiên (bó cành cây, tre,…) thảm vật liệu thấm tổng hợp (geotextiles), sử dụng vải địa kỹ thuật rải mặt đất yếu trƣớc đắp Đắp vật liệu nhẹ: Puzulan, trấu nung, vỏ sò, khối polystyren kết cấu tổ ong Xây dựng đắp cọc cát 1.4 Các phƣơng pháp tính toán ổn định đắp đất yếu 1.4.1 Tính toán đắp đất yếu theo quan điểm tiền định Trong nửa kỷ qua, việc thiết kế công trình chúng chủ yếu dựa sở phƣơng pháp trạng thái giới hạn phƣơng pháp tƣơng tự [4] Theo phƣơng pháp trạng thái giới hạn, hệ số an toàn phƣơng pháp tải trọng phá hoại đƣợc thay hàng loạt hệ số, xét đến yếu tố khác ảnh hƣởng đến trạng thái kết cấu: – hệ số độ tin cậy vật liệu; – hệ số độ tin cậy tải trọng (hệ số vƣợt tải hệ số tổ hợp tải trọng); – hệ số điều kiện làm việc kết cấu cấu kiện nó; – hệ số độ xác thao tác công nghệ; – hệ số độ tin cậy tính chất quan trọng kết cấu Đã có thay đổi tiêu chí đánh giá độ bền tính chất khác kết cấu Việc thiết kế, xây dựng khai thác công trình cần phải đƣợc thực cho không để xảy trạng thái giới hạn Trạng thái kết cấu, mà với trạng thái kết cấu thoả mãn yêu cầu khai thác, đƣợc gọi trạng thái giới hạn Các trạng thái giới hạn xảy kết cấu chúng đƣợc chia thành nhóm Khi độ bền kết cấu trở thành tính chất riêng, xuất trƣờng hợp, mà kết cấu đủ bền nhƣng tiếp tục khai thác đƣợc đạt đến trạng thái giới hạn khác (ví dụ, nguyên nhân độ võng lớn bề rộng vết nứt mở rộng mức cho phép) [4] Các trạng thái giới hạn đƣợc chia thành hai nhóm Nhóm trạng thái giới hạn thứ bao gồm trạng thái giới hạn dẫn tới bất lợi hoàn toàn cho khai thác công trình, dẫn tới phá hoại hoàn toàn (hoặc phần) khả chịu tải Những trạng thái giới hạn xem nhƣ trạng thái giới hạn tuyệt đối Chúng đƣợc đặc trƣng bởi: phá hoại có đặc trƣng (ví dụ dẻo, giòn, mỏi); ổn định hình dạng dẫn đến bất lợi hoàn toàn khai thác; ổn định vị trí; chuyển sang hệ biến hình; thay đổi chất lƣợng kết cấu; tƣợng khác buộc phải ngừng khai thác Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai bao gồm trạng thái giới hạn gây khó khăn cho khai thác bình thƣờng công trình ho ặc nền, làm suy giảm tuổi thọ công trình so với thời hạn phục vụ đƣợc thiết lập thiết kế Những trạng thái giới hạn xem nhƣ trạng thái giới hạn chức Chúng đƣợc đặc trƣng bởi: đạt đến chuyển vị giới hạn kết cấu biến dạng giới hạn nền; mức dao động giới hạn kết cấu hoặc nền; ổn định hình dạng dẫn đến khó khăn cho khai thác bình thƣờng, nhƣ tƣợng khác, buộc phải giảm tạm thời thời hạn phục vụ Cũng cần bổ sung giới thiệu nội dung là: với khái niệm khả chịu tải tính thích hợp cho khai thác khái niệm sức sống xác định thêm nhóm trạng thái giới hạn Sức sống đƣợc xem tính chất bảo tồn khả thực chức chủ yếu hệ dƣới tác dụng nhiễu loạn mang tính thảm họa, mà không đƣợc phép phát triển nhiễu loạn cố theo kiểu dòng thác [8] Vì thế, nhiều trƣờng hợp, bổ sung nhóm trạng thái giới hạn thứ ba Nhóm trạng thái giới hạn thứ ba - theo sức sống - bao gồm trạng thái giới hạn đƣợc đặc trƣng phát triển phá hoại có dạng dòng thác dẫn đến loại bỏ hoàn toàn thành phần hệ Nguyên nhân phát triển tƣơng tự tác động có tính thảm họa, nhƣ sai lầm đáng tiếc thi công khai thác Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ ba đảm bảo khả chịu tải công trình loại khỏi sơ đồ tính 10 2min  20 2tt  50 2  70 2max  110 c2min  c2tt  11 c2  13, c2max  19kPa Hình 3.19 Minh họa phân bố thống kê góc nội ma sát  lực dính đơn vị c2 Giả sử với tập giá trị nhƣ đƣa vào tính toán biến, đó, riêng 2  70 , tính đƣợc hệ số KB ≥1,4 Tuy nhiên, góc nội ma sát  đại lƣợng ngẫu nhiên nên nhận giá trị nhỏ giá trị trung bình đƣợc đƣa vào tính toán, trƣờng hợp xác suất xảy 2tt  50 (h 3.19) hệ số ổn định KB = 1,26