Các mô hình đất yếu trong xây dựng công trình giao thông

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Trên lãnh thổ Việt Nam từ khu vực châu thổ Bắc Bộ, Thanh - Nghệ Tĩnh, ven biển Trung bộ, đến đồng Nam Bộ có vùng đất yếu, yếu, lớp địa chất yếu có bề dày đến 40m Một số cơng trình xây dựng đất yếu điển hình như: Dự án trọng điểm Quốc lộ 12, số đoạn đường Nam Thăng Long, Bắc Thăng Long, Nền đường vào Cầu Bình Triệu, đường vào cầu Đồng Niên (Quốc Lộ 5), đường bãi Các cảng tuyến luồng Thị Vải Bà Rịa - Vũng Tàu, số tuyến đường xây dựng Vũng Tàu, cảng xây dựng Đình Vũ - Hải Phòng, Lạch Huyện… Trong q trình thi cơng cơng trình đất yếu thường xảy cố sụt trượt làm tăng tiến độ chi phí xây dựng Có nhiều nguyên nhân lý gây điều như: bão lụt, số liệu khảo sát chưa chưa đủ, nguyên nhân khách quan chủ quan đơn vị thiết kế hay đơn vị thi công, tiêu chuẩn hay lý thuyết áp dụng tính tốn,… phải kể đến tồn việc áp dụng lý thuyết tính tốn thiết kế đất đơi chưa thực phù hợp, lý thuyết tính tốn áp dụng cho tất loại đất (như mơ hình Mohr Coulomb) Đề tài “Nghiên cứu mơ hình đất yếu khả ứng dụng chúng Việt Nam” nhằm giới thiệu, phân tích mơ hình đất yếu giới ứng dụng, phân tích phù hợp Việt Nam lý thuyết lẫn thực hành cách xác định, đề tài đưa minh chứng công trình thực tế xây dựng nhằm hạn chế cố sụt trượt trình xây dựng giảm chi phí xây dựng cơng trình Mục đích nghiên cứu đề tài: Tổng quan loại mơ hình đất, khu vực đất yếu mơ hình đất sử dụng tính tốn Việt Nam 72 Nghiên cứu – phân tích lựa chọn mơ hình đất yếu đại thích hợp với Việt Nam: cách tính tốn, xác định phạm vi ứng dụng, cách xác định thơng số mơ hình thơng qua thí nghiệm có sẵn Việt Nam Giới thiệu, lựa chọn phần mềm địa kỹ thuật có mơ hình đất yếu phù hợp với Việt Nam Ứng dụng phân tích cố xử lý sụt trượt số cơng trình thực tế Đối tượng nghiên cứu đề tài: - Các mơ hình đất đại, mơ hình đất yếu - Các mơ hình đất yếu đại thích hợp với cơng trình giao thông Việt Nam - Sự cố công trình giao thơng đất yếu Phạm vi nghiên cứu đề tài: Phạm vi nghiên cứu: Các mơ hình đất yếu xây dựng cơng trình giao thông Phương pháp nghiên cứu đề tài: - Phương pháp lý thuyết, thực nghiệm thực tế Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: - Giới thiệu mơ hình đất đại giới, cách xác định đặc trưng học đất để áp dụng tính tốn cho cơng trình giao thông xây dựng đất yếu Việt Nam - Ứng dụng phân tích cố xử lý sụt trượt số cơng trình thực tế - Là tài liệu tham khảo, nghiên cứu, học tập cho học viên, kỹ sư, sinh viên Trường đại học Xây dựng, Trường đại học Bách Khoa, Trường đại học Hàng Hải Trường đại học Giao thông Vận tải, Viện nghiên cứu, đơn vị tư vấn xây dựng có liên quan … 73 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI MƠ HÌNH ĐẤT, CÁC KHU VỰC ĐẤT YẾU VÀ MƠ HÌNH ĐẤT SỬ DỤNG TRONG TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG TẠI VIỆT NAM 1.1 Tổng quan tính chất đất 1.1.1 Định nghĩa đất xây dựng Đất tạo thành từ đá gốc, tồn bề mặt vỏ đất đùn lên bề mặt trái đất trình phun trào nóng chảy, nguội lạnh đơng đặc lại Ở trạng thái tự nhiên đất hệ thống phức tạp bao gồm hạt khoáng vật bé có kích thước khác hợp thành Các hạt tạo thành khung kết cấu có nhiều lổ rỗng, chứa nước khí Có thể xem đất gồm thể (3 pha) tạo thành: Pha rắn, pha lỏng, pha khí * Pha rắn: (Hạt đất) - Chiếm phần lớn thể tích đất, ảnh hưởng đến tính chất cơ-lí đất Ví dụ: Đất sỏi, sạn, sét laterit … có hạt chiếm thể tích lớn nên đất có khả n ăng chịu lực cao; đất bùn, bùn sét… tích lổ rỗng lớn hay thể tích hạt chiếm tỉ lệ nhỏ nên đất có khả chịu lực thấp * Pha lỏng: (Nước đất) - Qua kính hiển vi cực nhạy, chia nước đất làm loại chính: + Nước hạt khống vật + Nước hút bám • Nước bám sát vào hạt khống (nước liên kết) • Nước màng mỏng: nước liên kết mạnh nước liện kết yếu + Nước tự do: nước mao dẫn nước trọng lực 74 Hình 1.1 Các dạng nước hạt khống vật Hình1.2 Sơ đồ cấu trúc nước đất Dưới tác dụng lực hút tĩnh điện, phân tử nước có xu hướng bám sát vào hạt khống vật Các phân tử nước nằm xa lượng tĩnh điện giảm, lực hút giảm, nên chúng liên kết yếu Nằm bán kính lực hút phân tử nước tự * Pha khí: (Khí đất) - Nếu lỗ rỗng đất thiên nhiên mà không chứa đầy nước, khí (thường khơng khí) chiếm chỗ lỗ rỗng Căn vào ảnh hưởng khí tính chất lý đất, có hai dạng khí đất cần phải xét đến khí tự khí hòa tan nước 75 1.1.2 Các thơng số vật lý đất Bảng 1.1 Tổng hợp tính chất vật lý đất Định nghĩa tên gọi Ký hiệu Biểu thức Độ ẩm (tỷ phần trăm khối lượng nước khối lượng hạt Đơn vị tính khoảng giá trị Cát – 15 % Bụi 10 – 30 % Sét cứng vừa đến cứng 20 – 50 % W PW/PSx100 Sét yếu 50 – 100 % rắn) Bùn, than bùn 80 – 300 Dung trọng – trọng % Cát 18 kN/m3 lượng riêng Sét 16 - 22 (Trọng lượng tổng nước γ (PW+PS)/Vt kN/m3 – hạt chia cho tổng thể Than bùn 15 kN/m3 tích) Dung trọng khô Cát 14 - 18 (Trọng lượng phần hạt kN/m3 rắn chia cho tổng thể tích) γd PS/Vt Sét 10 - 20 kN/m3 Than bùn - 102 Tỷ trọng kN/m3 Tất đất trừ bùn, than bùn (Trọng lượng phần hạt γ s= 26 – 30 kN/m3 rắn chia cho thể tích phần γs PS/Vs hạt rắn) Độ bão hòa (Tỷ phần trăm thể tích nước thể tích phần rỗng) Dung trọng bão hòa – 100% Sr VW/VV x 100 γ sat (PS+PW) / Vt 76 Đất gọi bão hòa Sr=100% 19 – 22 kN/m3 (Tổng trọng lượng phần (trừ than bùn) rắn – nước chia cho tổng thể tích) Hệ số rỗng Cát 0,5 – (Tỷ trọng thể tích Bụi 0,4 – Sét cứng 0,3 – 0,5 Sét cứng vừa 0,5 – 1,0 Sét yếu than bùn 1,0 – 4,0 phần rỗng thể tích e (Va+VW) / VS phần hạt rắn) Độ rỗng (Tỷ trọng thể tích phần rỗng tổng thể n VV / Vt tích) Dung trọng đẩy (Dung trọng bão hòa trừ γ W = 1kN/m3 γ’ γ sat - γ W dung trọng nước) γ ’ = 9-12 kN/m3 (trừ bùn, than bùn) Cát xốp 0,00 – 0,15 Cát xốp 0,16 – 0,35 Độ chặt tương đối cát Dr (emin – e) / (emin Cát chặt vừa - emax) 0,36 – 0,65 Cát chặt 0,66 – 0,85 Cát chặt 0,86 – 0,10 1.1.3 Các tính chất học đất 1.1.3.1 Lý thuyết đàn hồi áp dụng đất Thông số thường dùng Trạng thái ứng suất biến dạng đàn hồi vật thể đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng đặc trưng hai thông số: - Môđun đàn hồi E, 77 - Hệ số Poisson ν, Ngồi sử dụng thơng số Lame (K1, K2) Người ta mơ đất vật liệu đàn dẻo giới hạn pha đàn hồi pha dẻo gọi ngưỡng dẻo (là σf) Theo lý thuyết đàn hồi, xác định mức độ biến dạng điểm khối vật liệu rắn xem đàn hồi, đồng đẳng hướng Tuy nhiên, mội trường đất thực tế khơng phải hồn tồn đàn hồi, thường bất lien tục, bất đồng dị hướng, nên áp dụng lý thuyết đàn hồi thận trọng, cần tiến hành thực nghiệm để kiểm tra có hiệu chỉnh tương thích Mơđun nước Mơđun khơng nước Trong mơi trường đất tượng biến dạng không diễn tức thời mà diễn theo thời gian (gọi trình cố kết) Do đó, phân tích biến dạng sử dụng môđun đàn hồi cần phân biệt chúng hai trạng thái: - Mơđun đàn hồi khơng nước (Eu): Khi áp dụng cần kết hợp với hệ số Poisson khơng nước (νu) Mơđun biểu tỷ số ứng suất biến dạng đất, cho thời gian gia tải tức để nước đất khơng thể ngồi, nghĩa cố kết khơng xảy - Mơđun đàn hồi nước (E’): Khi áp dụng thông số cần kết hợp với hệ số Poisson trạng thái thoát nước (ν’) Mơđun sử dụng phân tích lún móng tải trọng tác dụng diễn thời gian đủ dài để nước lỗ rỗng khối đất hết (nghĩa q trình cố kết hồn tất) Khi đất giả định đàn hồi, Absi chứng minh biểu thức quan hệ hai loại môđun nêu sau, Eu E' = + υu + υ ' Phạm vi áp dụng lý thuyết đàn hồi 78 Khác lý thuyết đàn hồi kinh điển, áp dụng cho vật liệu đàn hồi túy, lý thuyết đàn hồi áp dụng cho môi trường đất ( coi môi trường giả đàn hồi thể điểm sau (hình 1.3): Hình 1.3 Đường biểu diễn ứng suất biến dạng tương đối trạng thái 1; Quan hệ ứng suất biến dạng tương đối thực tế dạng đường thẳng 2; Đường biểu diễn quan hệ ứng suất biến dạng tương đối không phục hồi (irreversible) Để khắc phục vấn đề này, thực tế tính tốn, người ta sử dụng khoảng áp lực, thường từ áp lực cột đất đến áp lực gia tải thường xun (tải cơng trình) 3; Đất xem môi trường đàn dẻo, nghĩa độ biến dạng phụ thuộc với tốc độ gia tải Đặc biệt, điều kiện tải trọng rung trạng thái đất khác nhiều so với tải điều kiện tĩnh Tùy theo chế độ gia tải (là tĩnh rung), phân biệt loại Mơđun đàn hồi sau: • Mơđun đàn hồi tĩnh: Trong trạng thái chất tải tĩnh tĩnh ta phân biệt loại Môđun: 79 - Môđun tiếp tuyến điểm M - Đây độ nghiêng đường áp lực biến dạng điểm M - Môđun cát tuyến Môđun theo khoảng điểm M 0; M2, theo hình 1.3 Ta có: E ' (M , M ) = σ1 −σ ' ε1 − ε • Mơđun đàn hồi động: Mơđun đàn hồi động thể trạng thái đất chịu tác dụng tải đột ngột, liên tục (như rung động máy, động đất, xe máy chuyển động v.v…).Mô đun động môđun không nước, song giá trị lớn khoảng gấp lần môđun đàn hồi tĩnh Khoảng giá trị Môđun đàn hồi số loại đất, đá thể bảng 1.2: Bảng 1.2 Khoảng giá trị Môđun đàn hồi hệ số Poisson Loại đất Sét Cát Sạn sỏi chặt Đá Môđun đàn hồi (MPa) Eu E’ -50 – 30 10 - 100 150 - 500 500 - 10000 - Hệ số Poisson νu 0,5 (sat) - ν’ 0,3 0,3 0,3 0,3 Mối quan hệ Môđun đàn hồi Môđun nén trục Mơđun nén trục E0 (trong thí nghiệm nén trục cố kết) xác định qua tỷ số ứng suất biến dạng, điều kiện thí nghiệm khơng nở hơng Khi áp dụng điều kiện đàn hồi nở hơng tự cần có tham gia hệ số Poisson, xác định theo biểu thức: E ' = E0 (1 + ν ' )(1 − 2ν ' ) (1 + ν ' ) 80 Môđun cắt Khi xem xét phân tố đất chịu tác dụng ứng suất cắt: τ=τ’, Môđun cắt G định nghĩa qua biểu thức sau: τ = G.dθ Các Môđun đàn hồi (E) Mơđun cắt (G) Hình 1.4 Định nghĩa mơđun cắt liên hệ với qua biểu thức: G= E 2(1 + ν ) Môđun cắt sở lý thuyết nén ngang Menard 1.1.3.2 Phân bố ứng suất xung quanh điểm – Vòng tròn Mohr Hình 1.5 Ứng suất mặt nghiêng Hình 1.6 Vòng tròn Morhr Trên hệ tọa độ ta đặt σn cho trục hoành τ cho trục tung, ứng suất đại diện điểm N.(hình 1.7) Định đề 1: - Khi mặt AB quay xung quanh điểm M, theo trục quay tròn quanh σ2 (vng góc σn , τ), điểm N, đại diện ứng suất, vẽ lên vòng tròn gọi vòng tròn Mohr (hình 1.7) Vòng tròn có tâm nằm trục Oσn 81 - qc − p =6 p L − p0 Đối với đất loại sét : Ep qc - (MPa) =3 (MPa) qc − p = ÷ 10 p L − p0 Đối với đất loại sét : Ep qc = 1,0 ÷ 1,5 (MPa) (MPa) 2.4.2.5 Tương quan xác lập cho đất Hà Nội Tương quan loại thí nghiệm trường cho đất vùng Hà Nội nhóm nghiên cứu Trần Văn Việt, Nguyễn Vũ Tùng Đỗ Văn Hải chủ biên Gs.Vũ Công Ngữ chuyên gia Jseux tổng kết kết thể bảng 2.11 Bảng 2.11 Tương quan loại thí nghiệm trường cho đất vùng Hà Nội Tương quan qc(PVS) / qc (Gouda) Ep(PMT) / PL(PMT) qc (Gouda) / PL(PMT) qc (Gouda) / Cu(PMT) Đất loại sét (độ sệt Ic) 1