NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG CỐT ĐỊA KỸ THUẬT ỨNG DỤNG CHO ĐÊ BIỂN KIM SƠN – NINH BÌNH

1.3 Các loại cốt trong đất và ứng dụng trong xây dựng 1.3.1 Vải địa kỹ thuật Vải địa kỹ thuật được chế tạo từ các sản phẩm phụ của dầu mỏ vật liệu polime tổng hợp như PES ; PP ; PA; PE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

ĐINH THỊ THANH VÂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG CỐT ĐỊA KỸ THUẬT - ỨNG DỤNG CHO ĐÊ BIỂN KIM SƠN – NINH BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

ĐINH THỊ THANH VÂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG CỐT ĐỊA KỸ THUẬT - ỨNG DỤNG CHO ĐÊ BIỂN KIM SƠN – NINH BÌNH

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Sau thời gian nghiên cứu, thực hiện, tác giả đã hoàn thành luận văn thạc sĩ

kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu giải pháp

gia cường ổn định mái dốc bằng cốt địa kỹ thuật - Ứng dụng cho đê biển Kim

Sơn – Ninh Bình”

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn khoa học

PGS.TS Trịnh Minh Thụ đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy Lợi; Phòng đào tạo Đại

học và sau đại học; Khoa Công trình đã cho phép và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trung tâm Tư vấn và Chuyển giao Công

nghệ Thủy lợi – Tổng cục Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời

gian học tập và làm luận văn này

Xin cảm ơn Công ty Tư vấn xây dựng Ninh Bình đã giúp đỡ tôi trong quá

trình thu thập tài liệu làm đề tài

Xin cảm ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè, người thân trong gia đình đã động

viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, do trình độ và điều kiện thời gian có hạn,

luận văn không thể tránh khỏi những tồn tại, hạn chế Tác giả mong muốn tiếp tục

nhận được chỉ bảo của các thầy, cô giáo và sự góp ý của các bạn bè và đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2011 Tác giả

Đinh Thị Thanh Vân

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐẤT CÓ CỐT TRONG XÂY DỰNG 3

1.1 Lịch sử hình thành công nghệ đất có cốt 3

1.2 Khái quát về đất có cốt, cơ chế làm việc và ưu điểm của công nghệ đất có cốt 4 1.2.1 Khái quát về đất có cốt 4

1.2.2 Nguyên lý làm việc của công nghệ đất có cốt 4

1.2.3 Ưu điểm công nghệ đất có cốt 5

1.3 Các loại cốt trong đất và ứng dụng trong xây dựng 5

1.3.1 Vải địa kỹ thuật 5

1.3.2 Loại lưới địa kỹ thuật - Geogrids 6

1.3.3 Màng polime địa kỹ thuật 7

1.3.4 Ứng dụng đất có cốt trong xây dựng công trình đất 7

1.4 Khái quát chức năng và tính chất vật lý của vải địa kỹ thuật 9

1.4.1 Chức năng của vải địa kỹ thuật 9

1.4.1.1 Chức năng phân cách ( Seperation) 9

1.4.1.2 Chức năng gia cường (Reinforcement) 10

1.4.1.3 Chức năng bảo vệ (Protection) 11

1.4.1.4 Chức năng lọc ( Filtration) 11

1.4.1.5 Chức năng tiêu thóat nước ( Drainage) 12

1.4.2 Tính chất vật lý của vải địa kỹ thuật 13

1.4.2.1 Kích thước hình học của vải địa kỹ thuật thương phẩm 13

1.4.2.2 Khối lượng đơn vị diện tích của vải địa kỹ thuật (g/m2) 13

1.4.2.3 Chiều dày của vải địa kỹ thuật 14

1.4.2.4 Tính rỗng của vải địa kỹ thuật 14

1.4.2.6 Tính co ngắn khi tăng nhiệt độ của vải địa kỹ thuật 15

1.5 Vấn đề ứng dụng vải địa kỹ thuật trong xây dựng 15

1.5.1 Các ứng dụng của vải địa kỹ thuật trong xây dựng 15

1.5.2 Một số công trình ứng dụng vải địa kỹ thuật trên thế giới 18

1.5.3 Một số ứng dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam 19

1.5.4 Đánh giá việc sử dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam 21

15.4.1 Thực trạng của việc sử dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam 21

15.4.2 Nguyên nhân hư hỏng 22

15.4.3 Bài học từ việc sử dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT ĐẮP CÓ CỐT 24

2.1 Các đặc tính của vật liệu làm cốt 24

2.1.1 Độ bền kéo của vải địa kỹ thuật 24

2.1.2 Độ bền chọc thủng của vải địa kỹ thuật 24

2.1.3 Độ bền lâu dài của vải địa kỹ thuật 24

2.1.4 Ma sát và dính kết của vải địa kỹ thuật với đất 25

2.2 Các cơ chế cơ bản giữa đất và cốt 26

2.2.1 Các cơ chế tương tác giữa đất và cốt 26

2.2.2 Cơ chế gia cường đất trong mái dốc có cốt 27

2.2.3 Cơ chế gia cường đất trong móng dưới nền đắp 28

2.2.4 Tương tác giữa đất và cốt 29

2.3 Nguyên tắc tính toán cốt trong công trình mái đất 30

2.3.1 Các quan điểm về đất có cốt 30

2.3.2 Bài toán về lực neo lớn nhất 30

2.3.2.1 Xác định vị trí mặt trượt khả dĩ 30

2.3.2.2 Xác định lực kéo neo Tk: 33

2.3.3 Nguyên tắc bố trí cốt vải địa kỹ thuật 35

2.3.3.1 Tiêu chuẩn để chọn khoảng cách đứng giữa các lớp cốt 35

cốt 35

2.3.3.3 Chiều dài neo (lneo) và lực neo Tneo 36

2.4 Sự ổn định mái dốc có cốt trên nền đất mềm yếu 37

2.4.1 Cơ chế phá hoại mái dốc có cốt trên nền đất mềm yếu 37

2.4.2 Những nguyên tắc tính toán và thiết kế công trình có cốt trên nền đất mềm yếu 38

2.5 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc thường dùng khi chưa có cốt 40

2.5.1 Phương pháp phân mảnh của W.Fellenius 40

2.5.2 Phương pháp phân mảnh của W.Bishop đơn giản 41

2.6 Các phương pháp phân tích ổn định mái đắp có cốt trên nền đất yếu 43

2.6.1 Các trạng thái giới hạn về ổn định mái dốc có cốt 44

2.6.2 Tính toán sơ bộ chiều cao ổn định của mái dốc khi chưa bố trí cốt 45

2.6.3 Phương pháp phân mảnh để tính toán mặt trượt tròn trong mái dốc đắp có cốt 46

2.6.3.1 Sử dụng phương pháp phân mảnh của W.Fllenius để kiểm tra ổn định mái dốc có cốt 47

2.6.3.2 Sử dụng phương pháp phân mảnh của W.Bishop để kiểm tra ổn định mái dốc có cốt 50

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ỨNG DỤNG 54

3.1 Giới thiệu về phần mềm ReSSA (3.0) 54

3.2 Bài toán nghiên cứu 60

3.2.1 Mục đích nghiên cứu 60

3.2.2 Trường hợp tính ổn định 60

3.2.3 Lựa chọn các thông số 61

3.2.3.1 Chọn mặt cắt đê nghiên cứu 61

3.2.3.2 Đặc trưng đất đắp và đất nền 61

3.2.2.3 Đặc trưng cốt gia cường ( Vải địa kỹ thuật) 62

3.2.4 Các bài toán nghiên cứu 63

3.2.5 Kết quả tính toán, phân tích và đánh giá 64

3.3.1 Phương pháp 1: Tính theo tra đường quan hệ 92

3.3.2 Phương pháp 2: Dùng phần mềm ReSSA (3.0) 93

3.3.3 So sánh giữa hai kết quả tính 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

1 Các kết quả đạt được của luận văn 96

2 Một số vấn đề tồn tại 97

3 Kiến nghị 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

PHỤ LỤC 100

Một số hình ảnh vải địa kỹ thuật dệt 6

Hình 1.2 Một số hình ảnh vải địa kỹ thuật không dệt 6

Hình 1.3 Sử dụng phên tre nứa gia cố nền đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long 8

Hình 1.4 Công trình có cốt là dải kim loại thép không rỉ 8

Hình 1.5 Trải VĐKT và thảm xơ dừa cho nền đê đồng bằng Sông Cửu Long 8

Hình 1.6 Công trình sử dụng cốt là lưới địa kỹ thuật, màng polime địa kỹ thuật 8

Hình 1.7 Hình dạng kết cấu lưới địa kỹ thuật Tensar 9

Hình 1.8 Gia cố nền đê đi qua vùng đầm lầy, lún sụt bằng lưới Tensar 9

Hình 1.9 Vải địa kỹ thuật làm chức năng phân cách 10

Hình 1.10 Vải địa kỹ thuật có chức năng gia cố mái dốc-Reinforced slope 10

Hình 1.11 Một số kết cấu điển hình trong ứng dụng trong xây dựng giao thông 11

Hình 1.12 Vải địa kỹ thuật có chức năng bảo vệ dùng trong kè lát mái - Protection 11

Hình 1.13 Vải địa kỹ thuật có chức năng lọc 12

Hình 1.14 Cấu tạo mương tiêu thoát nước ngầm có sử dụng vải địa kỹ thuật 12

Hình 1.15 Một số thiết bị tiêu thoát nước có sử dụng vải điạ kỹ thuật 13

Hình 1.16 Tường chắn đất có cốt VĐKT trong khu biệt thự Sunrise-Đà Nẵng 16

Hình 1.17 Phân cách ổn định nền đường 16

Hình 1.18 Một số ứng dụng chức năng lọc của vải địa kỹ thuật trong thủy lợi 17

Hình 1.19 Một số ứng dụng của ống vải địa kỹ thuật 18

Hình 1.20 VĐKT dùng trong điều kiện đất thi công khó khăn vùng ĐBSCL 20

Hình 1.21 VĐKT dùng gia cố mái dốc 20

Hình 1.22 Kè lát mái Sông Hồng 20

Hình 1.23 Dự án đã hoàn thành đường Láng - Hòa Lạc 20

Hình 1.24 Công trình khu xử lý và chôn rác thải thành phố Hòa Bình, tỉnh Hòa Bình 21

Hình 2.1 Tác dụng của cốt đối với đất 27

Hình 2.2 Cơ chế gia cường tường và mái dốc bằng cốt 28

Hình 2.3 Mái đắp có cốt trên nền đất yếu 29

Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt ABC 32

Hình 2.6 Sơ đồ xác định lực kéo neo Tkéo 34

Hình 2.7 Cơ chế gia cường tường và mái dốc bằng cốt 36

Hình 2.8 Cơ chế phá hoại khối đất đắp và mái có cốt trên nền đất mềm yếu (theo Fowler và Koener, 1987) 38

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán theo phương pháp W.Fellenius 40

Hình 2.10 Sơ đồ tính theo phương pháp W.Bishop đơn giản 42

Hình 2.11 Các trạng thái giới hạn phá hoại về ổn định ngoài 44

Hình 2.12 Các trạng thái giới hạn phá hoại về ổn định nội bộ 44

Hình 2.13 Các trạng thái giới hạn phá hoại về ổn định hỗn hợp 45

Hình 2.14 Phương pháp phân mảnh với mặt trượt tròn để tính ổn định mái đốc trong đất có cốt 46

Hình 2.15 Phương pháp phân mảnh với mặt trượt tròn của Bishop 50

Hình 3.1 Giao diện phần mềm ReSSA (3.0) 54

Hình 3.2 Menu chính của phần mềm ReSSA (3.0) 55

Hình 3.3 Nhập dữ liệu cho bài toán 56

Hình 3.4 Giao diện nhập số lượng lớp đất 57

Hình 3.5 Giao diện nhập dữ liệu các lớp đất 57

Hình 3.6 Giao diện nhập tải trọng 58

Hình 3.7 Giao diện nhập lựa chọn kiểu cốt 58

Hình 3.8 Giao diện nhập thông số của cốt 59

Hình 3.9 Giao diện lựa chọn bán kính tính ổn định mái 60

Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=20;cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=4 (KN/m2) 65

Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=20; cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=8 (KN/m2) 66

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=20; cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=12 (KN/m2) 67

chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(5 ; 10 ; 15 ; 20 ) và cđ=15 (KN/m ) 68

Hình 3.14 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=60; cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=4 (KN/m2) 69

Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=60; cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=8 (KN/m2) 70

Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=60; cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=12 (KN/m2) 71

Hình 3.17 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=60; cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=15 (KN/m2) 72

Hình 3.18 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=100;

cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=4 (KN/m2) 73

Hình 3.19 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=100;

cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=8 (KN/m2) 74

Hình 3.20 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=100;

cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=12 (KN/m2) 75

Hình 3.21 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=100;

cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=15 (KN/m2) 76

Hình 3.22 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=150;

cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=4 (KN/m2) 77

Hình 3.23 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=150;

cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=8 (KN/m2) 78

Hình 3.24 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=150;

cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=12 (KN/m2) 79

Hình 3.25 Biểu đồ quan hệ (Fs~Sv) trong trường hợp đất nền ϕn=150;

cn=6(KN/m2); chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=15 (KN/m2) 80

Hình 3.26 Biểu đồ quan hệ (Fs~ϕn) trong trường hợp không có cốt; chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=4 (KN/m2) 81

thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=8 (KN/m2) 82

Hình 3.28 Biểu đồ quan hệ (Fs~ϕn) trong trường hợp không có cốt; chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=12 (KN/m2) 83

Hình 3.29 Biểu đồ quan hệ (Fs~ϕn) trong trường hợp không có cốt; chỉ tiêu đất đắp thay đổi ϕđ=(50; 100; 150; 200) và cđ=15 (KN/m2) 83

Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số ổn định (Fs)với các chỉ tiêu đất đắp cđ=4 và(ϕđắp) khác nhau 85

Hình 3.31 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số ổn định (Fs)với các chỉ tiêu đất đắp cđ=8 và(ϕđắp) khác nhau 86

Hình 3.32 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số ổn định (Fs) với các chỉ tiêu đất đắp cđ=12 và(ϕđắp) khác nhau 87

Hình 3.33 Biểu đồ quan hệ giữa hệ số ổn định (Fs) với các chỉ tiêu đất đắp cđ=15 và(ϕđắp) khác nhau 88

Hình 3.34 Sơ đồ tuyến đê lấn biển Kim Sơn Ninh Bình 90

Hình 3.35 Tra và nội suy bước cốt từ biểu đồ quan hệ giữa hệ số ổn định (Fs) với các chỉ tiêu đất đắp cđ=4(kN/m2) và(ϕđắp) khác nhau 92

Hình 3.36 Kết quả tính toán ổn định tổng thể 94

Hình 3.37 Kết quả tính toán sơ đồ chia thỏi 94

Hình 3.38 Bảng kết quả phân tích 95

Bảng 2.2 Trị số góc θ để xác định mặt trượt khả dĩ trong các trường hợp 33

Bảng 2.3 Xác định trị số KK với các trường hợp góc dốc 35

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cường độ cốt dùng trong tính toán 62

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu cơ lý đất dùng trong tính toán 64

Bảng 3.24 Các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp và đất nền của tuyến đê lấn biển Kim Sơn 91

PHỤ LỤC 100

Bảng 2.1 Tính chất của vải địa kỹ thuật 102

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cao trình đặt và chiều dài cốt dùng trong tính toán 103

Bảng 3.4 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=2 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=4 và khoảng cách cốt khác nhau 104

Bảng 3.5 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=2 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=8 và khoảng cách cốt khác nhau 104

Bảng 3.6 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=2 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=12và khoảng cách cốt khác nhau 104

Bảng 3.7 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=2 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=15 và khoảng cách cốt khác nhau 105

Bảng 3.8 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=6 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=4 và khoảng cách cốt khác nhau 105

Bảng 3.9 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=6 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=8 và khoảng cách cốt khác nhau 105

Bảng 3.10 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=6 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=12 và khoảng cách cốt khác nhau 106

Bảng 3.11 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=6 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=15 và khoảng cách cốt khác nhau 106

Bảng 3.12 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=10 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=4 và khoảng cách cốt khác nhau 106

Bảng 3.13 Hệ số ổn định tổng thể Fs khi đất nền có φn=10 ;cn=6 với các loại đất đắp cđ=8 và khoảng cách cốt khác nhau 107

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có hệ thống sông suối với tổng chiều dài khoảng 25.000 km và chiều dài bờ biển hơn 3000 km, do đó các công trình thủy lợi như đê sông, bờ bao,

đê biển, đê quai…chiếm một tỷ lệ rất lớn và đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống và sản xuất của người dân Hệ thống đê sông, đê biển Việt Nam với tổng chiều dài gần 8000 km được xây dựng, bồi trúc và phát triển từ lâu đời, qua nhiều thế hệ

người Việt Nam thực hiện Qua chiều dài lịch sử, chiến tranh, thiên tai lũ lụt, nhiều tuyến đê đã xuống cấp không còn đảm bảo yêu cầu phục vụ đời sống của nhân dân

như bảo vệ nhà cửa, đất đai khi lũ lụt hay kết hợp làm đường giao thông Kết cấu

đê chủ yếu được làm từ vật liệu đất tại địa phương và do chính người dân địa

phương đắp thủ công, thường cao trình đê thấp, đỉnh đê rộng 2-3 m rất khó khăn cho việc duy tu, bảo dưỡng Mặt khác do yêu cầu cuộc sống cũng cần thiết phải xây dựng những tuyến đê mới như đê lấn biển

Một thực tế khó khăn hiện nay xây dựng mới tuyến đê trên nền đất yếu, với vật liệu địa phương và phương pháp thủ công Có hai giảp pháp đưa ra là mở rộng mặt cắt và xử lý nền, tuy nhiên dẫn đến khối lượng thi công rất lớn, thời gian thi công kéo dài, nhiều nơi không thực hiện được do không đáp ứng được khối lượng vật liệu và yêu cầu kỹ thuật, tiến độ xây dựng

Xuất phát từ thực trạng trên, việc nghiên cứu áp dụng công nghệ mới trong xây dựng, tìm ra các biện pháp tăng ổn định cho các mái dốc của các công trình đắp nói chung và mái đê nói riêng là một vấn đề cần thiết và cấp bách Giải pháp gia

cường ổn định mái đê bằng cốt địa kỹ thuật là một giải pháp thích hợp để đáp ứng các yêu cầu ổn định đê, có thể kết hợp giao thông, chống xói lở khi tràn nước, thu nhỏ mặt cắt, hệ số mái đê, dễ thi công, thời gian hoàn thành ngắn, giảm khối lượng đào đắp… mang lại hiệu quả kinh tế cao Do đó đề tài ”Nghiên cứu giải pháp gia cường ổn định mái dốc bằng cốt địa kỹ thuật – Ứng dụng cho đê biển Kim Sơn – Ninh Bình” có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Hệ thống hóa cơ sở lý luận về công nghệ đất có cốt trong xây dựng và phân tích cơ chế làm việc kết cấu đất có cốt

- Nghiên cứu, đánh giá ổn định của mái đê có cốt bằng những phương pháp hiện có, từ đó lựa chọn phưong pháp phân tích hợp lý

- Dùng phần mềm ReSSA(3.0) tính ổn định mái có cốt khi thay đổi các chỉ tiêu cơ lý (ϕ,c) đất nền, đất đắp, kết quả lập thành biểu đồ mối quan hệ, dùng tra sẵn trong thiết kế sơ bộ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu giải pháp gia cường ổn định mái đê bằng cốt vải địa kỹ thuật trên nền đất mềm yếu

- Dùng phần mềm ReSSA(3.0) để tính với trường hợp cố định hình dạng mặt cắt đê tính toán (chọn mặt cắt đê tiêu biểu cho hệ thống đê Việt Nam), thay đổi chỉ tiêu cơ lý (ϕ,c) của đất nền, đất đắp, thay đổi bước cốt, kết quả lập thành biểu đồ mối quan hệ, dùng tra sẵn trong thiết kế sơ bộ

- Bài toán ứng dụng cho đê lấn biển Kim Sơn – Ninh Bình

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Hiện nay ở Việt Nam chưa có qui phạm thiết kế, tính toán ổn định công trình đất có gia cố cốt, do đó cần tham khảo các kết quả nghiên cứu của các công trình đã công bố, đồng thời dựa trên các qui chuẩn thiết kế của các nước tiên tiến hiện đang áp dụng (như tiêu chuẩn Anh BS8006:1995) để chọn ra phương pháp tính toán phù hợp

- Với mô hình vật lý “Cân bằng giới hạn” và mặt trượt trụ tròn, phần mềm ReSSA(3.0) của công ty ADAMA-Engineering Hoa Kỳ sử dụng phương pháp lát cắt theo Bishop để kiểm tra ổn định cho khối đắp có cốt trên nền đất yếu

- Sử dụng phần mềm ReSSA(3.0), tiến hành nghiên cứu cho bài toán có mặt cắt đê đặc trưng, các chỉ tiêu cốt, đất đắp và đất nền biến đổi, để từ đó so sánh và rút

ra một số nhận xét cần thiết về tính hợp lý và các trường hợp có thể vận dụng các phương pháp hiện hành cũng như chỉ ra một số hạn chế của chúng

Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã nghiên cứu bằng cách gia cố cho khối đất bằng các chất liên kết hữu cơ, vô cơ, hoá chất, hay dùng những loại vật liệu bên ngoài gọi là cốt như cốt cứng: tre, gỗ, kim loại, hoặc các cốt mềm: cao su, vải địa kỹ thuật chúng có khả năng chịu kéo, và chịu cắt cao Cốt được bố trí kích thước, mật độ nhất định và được đặt vào đất trong quá trình xây dựng theo những hướng có tính toán trước để tăng ổn định cho công trình nhờ ma sát giữa đất và cốt Đất có cốt không phải là một ý tưởng mới mẻ, mà đã được thực hiện từ rất lâu,

đã được loài người sáng tạo từ hàng ngàn năm trước để xây dựng nhiều công trình như tháp cổ ở Ai Cập, Vạn Lý Trường Thành ở Trung Quốc Ở các vùng nông thôn Việt Nam, từ lâu đời, dân ta đã dùng rơm rạ để trộn vào đất sét để năng cao chất lượng của gạch sống (không nung) và làm vữa trát tường, ở những vùng đầm lầy, cửa sông ,đường, đê được đắp trên móng là cành cây, thân cây…như đê quai lấn biển trên vùng phù xa non Nga Sơn, Hậu Lộc (Thanh Hóa)… Các phần cốt này

có khả năng chịu kéo cao, kết hợp có hiệu quả với đất chịu nén tốt sẽ hình thành một vật liệu tổng hợp nửa cứng có độ vững bền cao Tuy nhiên kỹ thuật đất có cốt lúc bấy giờ còn mang tính chất kinh nghiệm, do nhận thức về đất có cốt của con người còn ở giai đoạn cảm tính

Năm 1963 một kỹ sư cầu đường người Pháp tên là Henry Vidal đã có ý tưởng dùng đất có cốt để xây dựng các công trình, ông đã đề xuất thiết kế với cốt bằng dải kim loại là thép không rỉ đặt trong đất đắp có chất lượng cao là cát và sỏi cuội sạch

để tạo ra ma sát cần thiết giữa đất đắp và cốt Sau đó nhiều công trình đã được áp dụng, tuy nhiên giá thành công trình rất cao Sau khi cốt dạng lưới ( lưới thép) ra đời đã mang lại hiệu quả kinh tế lớn vì cốt dạng lưới có khả năng chịu kéo cao hơn,

có thể dùng được với các loại đất đắp tại chỗ có chất lượng thấp và rẻ tiền

Sự ra đời của vải địa kỹ thuật vào cuối những năm 60 là một phát hiện có tính đột phá trong lĩnh vực địa kỹ thuật, từ đó đến nay, vải địa kỹ thuật đã phát triển với tốc độ chóng mặt cả về hình loại, số lượng và chất lượng, ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ngành xây dựng dân dụng, giao thông và thuỷ lợi Ngày nay công nghệ đất có cốt phát triển rất mạnh trên thế giới về các mặt chế tạo cốt và vỏ, ngày càng được hoàn thiện và đạt đến trình độ kỹ thuật cao

1.2 Khái quát về đất có cốt, cơ chế làm việc và ưu điểm của công nghệ đất có cốt

1.2.1 Khái quát về đất có cốt

Đất có cốt là loại đất xây dựng có bố trí gia cường thêm bằng vải địa kỹ thuật (Geotextiles), màng địa kỹ thuật (Geomembranes), lưới địa kỹ thuật (Geogrids), lưới thép địa kỹ thuật để tăng cường khả năng ổn định của công trình đất

Đến nay có hai quan điểm về đất có cốt chịu kéo: quan điểm thứ nhất coi đất

có cốt chịu kéo là loại vật liệu xây dựng mới, lấy tên là đất có cốt (reinforced soils); quan điểm thứ hai nhìn nhận đất có gia cường cốt là một thành tựu mới về kỹ thuật xây dựng công trình đất (earth structures) dựng neo chịu kéo như tường chắn đất, mái đất (đường bộ, đê, đập), nền đất Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu khối đất có cốt như một bộ phận của công trình đất có cốt, tức là theo quan điểm thứ hai

1.2.2 Nguyên lý làm việc của công nghệ đất có cốt

Đất được coi là vật liệu xây dựng rẻ tiền, có sẵn, nhung có khả năng chịu kéo, chịu cắt kém Đặc biệt là đất yếu (thường φ và c nhỏ), đất dính, nước lỗ rỗng thoát rất chậm, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng rất nhanh khi có sự tăng tải từ bên ngoài dễ gây mất ổn định đất nền và công trình Vì vậy khi xây dựng các công trình đê sông,

bờ bao, đê biển trên nền đất yếu, chúng ta phải mở rộng mặt cắt công trình, gia cố nền dẫn đến khối lượng thi công rất lớn, hay khó thi công do không đảm bảo khối lượng vật liệu và yêu cầu kỹ thuật

Để giải quyết những khó khăn trên ta phải đi giải quyết vấn đề “nội tạng“ tức

là tăng cường độ chịu kéo ( tăng φ và c), tăng tốc độ thoát nước lỗ rỗng, cải thiện

phân bố tải trọng tác dụng lên công trình Đó chình là ý tưởng hình thành công nghệ đất có cốt Việc đưa cốt như vải địa kỹ thuật có cường độ cao theo hướng chịu ứng suất kéo chính sẽ tạo ra một vật liệu tổng hợp bán cứng bền vững Khi công trình được gia cố bằng nhiều lớp cốt có khả năng thoát và dẫn nước sẽ có tác dụng giảm

áp lực nước lỗ rỗng và tăng nhanh độ cố kết, dẫn đến tăng khả năng chịu lực và tăng tiến độ thi công Có cốt tham gia, ứng suất cục bộ sẽ được phân tán, nghĩa là đã có

sự phân bố lại tác động của tải trọng lên các bộ phận vật liệu của công trình

1.2.3 Ưu điểm công nghệ đất có cốt

- Công nghệ đi vào giải quyết nội tạng, bản chất của vấn đề ổn định công trình trên nền đất yếu Cho phép sử dụng vật liệu tại chỗ; xây dựng công trình đất trên cả nền đất yếu

- Đối với bờ bao, đê, đập mái cho phép thu nhỏ mặt cắt và hệ số mái dốc, giảm khối lượng thi công, tăng hiệu quả kinh tế

- Thi công đơn giản, giảm thời gian thi công

- Ổn định bền theo thời gian trong điều kiện dao động mực nước

1.3 Các loại cốt trong đất và ứng dụng trong xây dựng

1.3.1 Vải địa kỹ thuật

Vải địa kỹ thuật được chế tạo từ các sản phẩm phụ của dầu mỏ (vật liệu polime tổng hợp như PES ; PP ; PA; PE) dùng trong địa kỹ thuật với các chức năng lọc, phân cách, tiêu , gia cố hoặc bảo vệ

Vải địa kỹ thuật được chia làm ba nhóm chính dựa theo cấu tạo sợi vải:

a) Loại vải dệt

Công nghệ chế tạo loại vải này giống như chế tạo vải may mặc thông thường Vải gồm một hệ thống sợi dọc (warp) và ngang (wefl) vuông góc với nhau Sợi dệt vải địa kỹ thuật có thể là sợi kép hoặc sợi đơn có tiết diện tròn hoặc dẹt, đường kính lớn từ 100÷300µm Thông thường dùng sợi dọc của vải (warp) bền dài hơn sợi ngang của vải (wefl) Do đó tính chất của vải là dị hướng Vải dệt thường ứng dụng làm cốt gia cường cho các công tác xử lý nền đất yếu

Hình 1.1 Một số hình ảnh vải địa kỹ thuật dệt

b) Loại vải không dệt:

Vải địa kỹ thuật không dệt : Gồm các sợi vải dàn (theo cách làm cốt áo bông kép) được liên kết với nhau bằng phương pháp hóa học (dùng chất dính), hoặc nhiệt (dùng sức nóng), hoặc cơ (dùng kim dùi) Sợi vải dàn thành lớp dày mỏng dày từ 0.5mm đến vài mm với sự sắp xếp sợi vải không theo qui tắc mà theo xác suất tự nhiên hoặc có định hướng theo một phương nào đó có chủ đích Cũng như lớp bông dàn, lớp sợi dàn thành lớp hầu như không có sức chịu kéo nên rất xộc xệch, thường dùng cho các yêu cầu tầng lọc, phân cách, tiêu nước

1.3.2 Loại lưới địa kỹ thuật - Geogrids

Lưới địa kỹ thuật có mắt lưới ô vuông ( rộng vài mm đến vài cm) làm bằng kim loại hoặc vật liệu chất dẻo có tính năng chịu kéo, được đặt nằm ngang trong

khối vật liệu đắp Nhờ có lực kháng bị động của đất đối với các thanh cốt ngang và lực ma sát giữa vật liệu đắp với bề mặt của lưới nên chống lại được sự di chuyển ra phía ngoài của đất có cốt Lưới vật liệu tổng hợp cường độ cao thường dùng làm rọ, gabion thay thế gabion kim loại

1.3.3 Màng polime địa kỹ thuật

Màng địa kỹ thuật là loại tấm mềm cách khí và cách nước (Hệ số thấm vào khoảng 10-11÷10-13 cm/s)

Trong ứng dụng, loại vải địa kỹ thuật không dệt (thảm) thường dùng cho các yêu cầu tầng lọc, phân cách, tiêu nước Còn dùng để gia cố đất nói chung, hay chính

là làm cốt cho đất, là các loại vải địa kỹ thuật dệt, đan và lưới Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà dùng vải dệt, vải đan hay lưới

1.3.4 Ứng dụng đất có cốt trong xây dựng công trình đất

Sự ra đời của đất có cốt được đánh giá cao trong địa kỹ thuật công trình như

sự ra đời của bê tông cốt thép trong xây dựng Lĩnh vực khoa học kỹ thuật đất có gia cường cốt chịu kéo đã có hơn 40 năm phát triển và hoàn thiện kể từ ngày Henri Vidal (Pháp) đề xuất năm 1963, nhất là sau những năm 70 thuộc thế kỉ trước Đơn nguyên cốt có thể làm từ những vật liệu có khả năng chống sự duy giảm độ bền khi

bị chôn vùi trong đất đơn giản nhất như xơ dừa, phên tre đến vật liệu nhân tạo như thép, polyme Cốt có thể ở dạng tấm, lưới, dạng khung, dạng dải, dạng thanh Một số ứng dụng đất có cốt như:

+ Với việc sử dụng phên tre nứa, cành cây, rơm rạ, xơ dừa chỉ mang tính giải quyết tạm thời vì vật liệu có các chỉ tiêu chịu lực thấp, có tuổi thọ không cao, tính ứng dụng bị hạn chế (hình 1.3)

+ Năm 1963 kỹ sư Henry Vidal người Pháp đã có ý tưởng dùng cốt bằng dải kim loại là thép không rỉ đặt trong đất đắp có chất lượng cao là cát và sỏi cuội sạch

để tạo ra ma sát cần thiết giữa đất đắp và cốt để xây dựng các công trình, tuy nhiên giá thành rất cao (hình 1.4)

Hình 1.3 Sử dụng phên tre nứa gia cố

nền đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long

Hình 1.4 Công trình có cốt là dải kim

+ Lưới địa kỹ thuật Tensar ra đời từ những năm 1980 ở Anh đã được ứng dụng cho việc xây dựng các công trình bảo vệ bờ như đê, kè biển, xây dựng đường giao thông đi qua nền đất yếu …Ở Việt Nam những năm gần đây đã ứng dụng giải pháp Tensar bảo về các mái dốc các công trình phía Bắc hay thi công đê ở đồng bằng sông Cửu Long

Hình 1.7 Hình dạng kết cấu lưới địa kỹ thuật Tensar

Hình 1.8 Gia cố nền đê đi qua vùng đầm lầy, lún sụt bằng lưới Tensar

1.4 Khái quát chức năng và tính chất vật lý của vải địa kỹ thuật

1.4.1 Chức năng của vải địa kỹ thuật

Trong các loại công trình đất, vải địa kỹ thuật thực hiện 5 chức năng cơ bản đơn lẻ hoặc kết hợp tuỳ thuộc vào các ứng dụng:

1.4.1.1 Chức năng phân cách ( Seperation)

Lớp vải địa kỹ thuật dùng để ngăn cách giữa hai lớp vật liệu có kích thước hạt khác nhau (có những đặc tính khác nhau về khả năng thấm, độ ma sát, khả năng

chịu tải), dưới tác động của ứng suất nhất là những ứng suất do các phương tiện vận chuyển tác động lên làm cho vật liệu hạt giữ nguyên vẹn các đặc tính cơ học của nó

Hình 1.9 Vải địa kỹ thuật làm chức năng phân cách

1.4.1.2 Chức năng gia cường (Reinforcement)

Vải địa kỹ thuật có tính chịu kéo cao Người ta lợi dụng đặc tính này để truyền cho đất một cường độ chịu kéo nào đó theo kiểu gia cố cốt cho đất hoặc chứa đất vào các túi vải địa kỹ thuật

Hình 1.10 Vải địa kỹ thuật có chức năng gia cố mái dốc-Reinforced slope Hình 1.11 là một số kết cấu điển hình trong ứng dụng cho công trình giao thông như:

- Vải địa kỹ thuật tăng cường ổn định tổng thể (hình 1.11 a);

-Vải địa kỹ thuật tạo mái dốc, rất dốc để tiết kiệm diện tích đất (hình 1.11b,c)

- Vải địa kỹ thuật tường chắn đất có cốt (hình 1.11d);

- Vải địa kỹ thuật tăng cường ổn định vùng đất đắp (hình 1.11 e, f)

Hình 1.11 Một số kết cấu điển hình trong ứng dụng trong xây dựng giao thông

1.4.1.3 Chức năng bảo vệ (Protection)

Ngoài độ bền cơ học như bền kéo, chống đâm thủng cao … thì vải địa kỹ thuật còn có tính bền môi trường (chịu nước mặn) và khả năng tiêu thoát nước nhanh Nên vải địa kỹ thuật được kết hợp với các vật liệu khác như thảm đá, rọ đá, đá hộc,

bê tông … để chế tạo lớp đệm chống xói cho đê, đập, bờ biển, trụ cầu, chống thẩm lậu bờ, lòng dẫn, trải vải xuống đáy sông thay cho bè chìm giữ hình dạng dòng chảy không đổi

Hình 1.12 Vải địa kỹ thuật có chức năng bảo vệ dùng trong kè lát mái

1.4.1.4 Chức năng lọc ( Filtration)

Lớp vải địa kỹ thuật đóng vai trò là lớp lọc được đặt giữa hai lớp đất có độ thấm nước và cỡ hạt khác nhau, chức năng của lớp lọc là tránh sự trôi đất từ phía đất có cỡ hạt mịn hơn vào lớp vật liệu thô Lớp lọc nhằm đảm bảo một dòng nước không có áp trong suốt tuổi thọ của công trình

Hình 1.13 Vải địa kỹ thuật có chức năng lọc

1.4.1.5 Chức năng tiêu thóat nước ( Drainage)

Khả năng thấm theo phương vuông góc với mặt phẳng vải địa kỹ thuật không dệt để chế tạo mương tiêu thoát nước ngầm Dòng thấm trong đất sẽ tập trung đến rãnh tiêu có bố trí lớp vải lọc và dẫn đến khu tập trung nước bằng đường ống tiêu Vải địa kỹ thuật dùng để thoát nước cần có đủ chiều dày để chuyển được lưu lượng nước cần thoát

Hình 1.14 Cấu tạo mương tiêu thoát nước ngầm có sử dụng vải địa kỹ thuật

Hình 1.15 Một số thiết bị tiêu thoát nước có sử dụng vải điạ kỹ thuật

1.4.2 Tính chất vật lý của vải địa kỹ thuật

Khi sử dụng các vật phẩm polime địa kỹ thuật - vải địa kỹ thuật, thường xét đến các tính chất cơ bản sau đây:

1.4.2.1 Kích thước hình học của vải địa kỹ thuật thương phẩm

- Chiều rộng vải: vải địa kỹ thuật thương phẩm có chiều rộng chuẩn từ 5m đến 5.5m Nếu chiều rộng lớn hơn thì phải chắp nối

- Chiều dài vải: được khống chế sao cho khi cuộn lại thành cuộn tiện cho việc vận chuyển và thi công Tùy thuộc khối lượng đơn vị thể tích vải, chiều dài của vải thay đổi từ 50m đến 200m

1.4.2.2 Khối lượng đơn vị diện tích của vải địa kỹ thuật (g/m2)

Là khối lượng tính bằng gam của 1m2 vải, thí nghiệm theo tiêu chuẩn 14TCN 93-1996 Chỉ tiêu này liên quan đến độ dày và độ rỗng của vải, phản ánh gián tiếp khả năng thấm nước và sức chịu chọc thủng của vải

Vải không dệt có khối lượng vảo khoảng 100g/m2đến 1000g/m2

Vải dệt nặng hơn có khối lượng vảo khoảng 100g/m2đến 2000g/m2

1.4.2.3 Chiều dày của vải địa kỹ thuật

Chiều dày vải: là khoảng cách giữa hai mặt phẳng giới hạn trên và dưới của vải Chiều dày của vải địa kỹ thuật tuỳ theo công nghệ chế tạo mà thay đổi từ 0,5mm đến hàng chục mm Tuỳ theo tiêu chuẩn của mỗi nước, độ dày của vải địa

kỹ thuật được xác định với áp lực nén quy định - gọi là độ dày tiêu chuẩn Nói chung, các nước quy định áp lực nén là 2kN/m2 (tức 2kPa) với độ chính xác là 0,01mm, riêng Mỹ với tiêu chuẩn ASTM D5199-99 là 0,002mm Tại Viện khoa học Thủy lợi Việt nam cũng thường xác định chiều dày vải theo tiêu chuẩn ASTM D5199 trên thiết bị đo AIM 2651

1.4.2.4 Tính rỗng của vải địa kỹ thuật

Tùy thuộc vào loại sợi và kiểu dệt vải địa kỹ thuật có tính rỗng lớn, tính rỗng

là thuộc tính của vải địa kỹ thuật, nó quyết định tính thấm nước, tính dẫn nước của vải địa kỹ thuật Độ dày của vải địa kỹ thuật dệt không lớn khoảng 0.5mm, nhưng

độ dày vải địa kỹ thuật không dệt là đáng kể, nó có thể từ 5mm đến 20mm

- Độ rỗng thể tích của vải địa kỹ thuật (đối với vải địa kỹ thuật dày)

Xét một mẫu vải có diện tích 1m2 và chiều dày vải T, vậy thể tích mẫu vải là V= 1(m2 ) x T = T (m3), ta có công thức tính độ rỗng:

Trong đó: G - khối lượng của mẫu vải thí nghiệm (kg/m3)

ρ - khối lượng đơn vị của loại polime làm sợi (kg/m3

) Thông thường thì vải địa kỹ thuật làm lọc n>30%

- Độ rỗng bề mặt của vải địa kỹ thuật ( đối với vải địa kỹ thuật mỏng)

Tính rỗng của vải địa kỹ thuật được biểu thị định lượng bằng độ rỗng bề mặt:

POA = 100%

S

S rong

(1.2)

Trong đó: S - diện tích mẫu vải; Srỗng- diện tích rỗng có trong S

Các loại vải địa kỹ thuật thương phẩm hiện nay có POA thay đổi trong phạm

vi từ 6% đến 12% Loại vải địa kỹ thuật thưa có POA đạt 36%

1.4.2.5 Độ thưa của vải địa kỹ thuật

Độ thưa của vải địa kỹ thuật là khái niệm vật lý có liên đến khả năng cho hạt đất lọt qua vải khi vải cùng làm việc với đất Kích cỡ kẽ hở của vải địa kỹ thuật loại dệt hoặc không dệt được định lượng bằng kích thước hòn bi thủy tinh lớn nhất lọt qua kẽ hổng ấy, có thể vẽ đường phân tích độ lớn (đường kính) lỗ hở O của mẫu vải địa kỹ thuật (tương tự với đường phân tích hạt trong cơ học đất)

Độ thưa của vải quyết định tính thấm và tính lọc (cho hạt nhỏ qua, giữ hạt lớn lại) của vải địa kỹ thuật Đây là đặc tính quan trọng khi thay thế tầng lọc ngược sỏi cát

1.4.2.6 Tính co ngắn khi tăng nhiệt độ của vải địa kỹ thuật

Hiện tượng giảm chiều dài của mẫu vải khi gia nhiệt và sau khi gia nhiệt được gọi co nhiệt (heat shrinkage) Sự co nhiệt tạo nên sức kéo, lực kéo phát sinh do vải

co lại là lực kéo do co (shrinkage teesion) Có nhiều phương pháp thí nghiệm co nhiệt của vải địa kỹ thuật đã được sử dụng ở nhiều nước

Tính chất vật lý của vải địa kỹ thuật, phương pháp thí nghiệm, kiểm tra và các khoảng trị số của các vải địa kỹ thuật thường gặp thể hiện bảng 1.1 Phụ lục

1.5 Vấn đề ứng dụng vải địa kỹ thuật trong xây dựng

1.5.1 Các ứng dụng của vải địa kỹ thuật trong xây dựng

Các lĩnh vực ứng dụng cốt vải địa kỹ thuật gồm có: tường chắn đất có cốt vải; gia cố mái dốc khối đắp ( đường bộ, đê, đập ), xử lý nền đất yếu (đường bộ, nền móng xây dựng ) sử dụng vải địa kỹ thuật và đất mềm yếu tại chỗ

a) Trong xây dựng dân dụng

+ Liên kết cọc: vải địa kỹ thuật gia cường được trải trên các cọc xử lý nền đất yếu, tạo ra giàn đỡ truyền tải trọng từ các công trình bên trên tới tất cả các cọc một các hiệu quả, đồng thời giúp tiết kiệm được số lượng cọc sử dụng

+ Tạo lưới đỡ trên nền có nhiều hốc trống ;khôi phục nền đất yếu Vải địa kỹ

thuật được sử dụng như một biện pháp tiết kiệm và hiệu quả để phục hồi các ô hay khu vực đất rất yếu như đầm phá, ao bùn, với tính năng có cường lực chịu kéo cao,

độ giãn dài thấp, độ bền kéo mối ghép nối tốt

+ Vải địa kỹ thuật (VĐKT) dùng để gia cố nền đất yếu ở dạng bấc thấm ứng dụng trong nền móng, tường chắn đất có cốt; gia cố mái dốc có cốt…

Hình 1.16 Tường chắn đất có cốt VĐKT trong khu biệt thự Sunrise-Đà Nẵng b) Trong giao thông

+ Phân cách ổn định nền đường:

Hình 1.17 Phân cách ổn định nền đường

Vải địa kỹ thuật có tính năng cường độ chịu kéo và ứng suất cao nên được sử dụng làm lớp phân cách giữa nền đất đắp và đất yếu nhằm duy trì chiều dày đất đắp

và tăng khả năng chịu tải của nền đường

+ Xử lý nền đất yếu của đường đắp cao: Vải địa kỹ thuật gia cường được trải trên nền đất yếu, nhằm tăng khả năng chịu tải của nền, chống lại các lực cắt của khối sụt trượt tiềm năng của nền đắp cao trong thời gian dài hạn

+ Ngoài ra, vải địa kỹ thuật được sử dụng để ổn định và gia cường nền đường, tăng độ bền, tính ổn định cho các tuyến đường, sân bay, đường sắt, cầu cảng đi

qua những khu vực có nền đất yếu như sét mềm, bùn, than bùn…

c) Trong thủy lợi

+ Chức năng lọc được áp dụng phổ biến trong thủy lợi để bảo vệ mái và lòng kênh, mái đê, kè sông, đê biển, mái đập hồ chứa, mái thượng hạ lưu các cống vùng triều, xử lý hố đùn hố sủi…

Hình 1.18 Một số ứng dụng chức năng lọc của vải địa kỹ thuật trong thủy lợi + Chống sụt trượt mái dốc: VĐKT gia cường được trải thành từng lớp nằm ngang trong thân mái đê đập, tường chắn đất để tăng khả năng chịu tải, khống chế sụt trượt đối với đất yếu và rất yếu

+ Sử dụng ống vải địa kỹ thuật (geo-tube) độn cát giúp chống xói lở xâm thực

bờ sông, bờ biển, kết lắng trầm tích, bồi đắp tái tạo lại những bãi biển bị xâm thực, lấn biển cũng như tạo ra những vùng đất mới giữa đại dương mà lại rất thân thiện với môi trường Các ứng dụng phổ biến như: đê bao bảo vệ bờ, đê phá sóng ngoài khơi, đê chống cát trôi (mỏ hàn và cầu tàu), hình thành các đảo nhân tạo…

Geo tube ứng dụng làm đê bao bảo vệ bờ Geo tube ứng dụng làm đê phá sóng

Hình 1.19 Một số ứng dụng của ống vải địa kỹ thuật

1.5.2 Một số công trình ứng dụng vải địa kỹ thuật trên thế giới

Vải địa kỹ thuật ngày nay được sử dụng phổ biến trên khắp thế giới với những ứng dụng đa dạng Một số công trình tiêu biểu như:

- Khi kênh đào Suez được xây dựng, người ta đã trải vải địa kỹ thuật dưới đáy biển, được cố định bằng cuội sỏi làm cho đất nền ổn định và an toàn cho đập;

- Đê biển Deep Bay ở Hongkong dài 3,5mkm do phải đảm bảo mái đê ổn định trong thời gian ngắn, không cho đất mới đắp lún xuống nền bùn, đồng thời để tiết kiệm đất đắp người ta đã sử dụng vải địa kỹ thuật với 3 chức năng: bảo vệ, phân

cách và gia cố đất yếu;

- Tường chắn Prapoutel les sept laux (Pháp) dài 170m, cao 2÷9,6m được gia

cố bằng vải địa kỹ thuật để tạo mái dốc đứng 1/4 tiết kiệm đất và tăng cường hệ số

ổn định;

- Dự án xây dựng tường chắn đất và đường giao thông tại nhiều ngã tư của Đại

lộ Tanque Verde (Mỹ) được gia cố bằng lưới địa kỹ thuật để ổn định khối đất đắp (cát) mái và tường (kết cấu panen mảnh lắp ghép);

- Đập đất Ait Chouarit lớn nhất Ma rốc, hồ chứa cung cấp 40 triệu m3nước/năm đã sử dụng 65.000 m2vải địa kỹ thuật ở các bộ phận: lọc tạm, phân cách;

- Đê quai Sanxia trong dự án đập Bahem trên sông Yangtre (Trung quốc) cao tới 90m đã sử dụng vải địa kỹ thuật làm cốt, đê quai tồn tại trong 10 năm an toàn

- Đê bảo vệ thành phố New Orleans (Mỹ) người ta đã dùng vải địa kỹ thuật Nicolon trải trên nền đất yếu để giảm kích thước-tiết kiệm khối lượng đắp

1.5.3 Một số ứng dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam

Ở Việt nam, vải địa kỹ thuật bắt đầu xuất hiện vào đầu những năm 1990 và trở nên khá phố biến từ chục năm trở lại đây trong các lĩnh vực xây dựng, giao thông, thủy lợi Vải địa kỹ thuật phổ biến ở Việt Nam là của hãng Polyfelt, Nicolon, Tech bon, Amoco, Terram, Dupont, Krafter, Bidim

Một số công trình đã hoàn thành với việc sử dụng vải địa kỹ thuật như:

- Cụm Khí-Điện-Đạm Cà Mau, tại Cà Mau; Cảng CMIT tại Bà Rịa - Vũng Tàu; Cảng Thị Vải tại Bà Rịa - Vũng Tàu

- Đường vào cầu Tân đệ (QL 10) và nâng cấp QL 5; đường đầu cầu Thanh Trì;

- Kè lát mái bảo vệ bờ sông Hồng , với kết cấu từ ngoài vào trong gồm 3 lớp:

đá lát khan, đá dăm lót, vải địa kỹ thuật ( hình 1.22)

Hình 1.20 VĐKT dùng trong điều kiện

đất thi công khó khăn vùng ĐBSCL

Hình 1.21 VĐKT dùng gia cố mái dốc

Hình 1.22 Kè lát mái Sông Hồng

Hình 1.23 Dự án đã hoàn thành đường Láng - Hòa Lạc

Hình 1.24 Công trình khu xử lý và chôn rác thải thành phố Hòa Bình

1.5.4 Đánh giá việc sử dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam

15.4.1 Thực trạng của việc sử dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam

Chúng ta đã sử dụng rộng rãi vải địa kỹ thuật làm tầng lọc, gia cố nền, làm lớp phân cách Với trình độ và khả năng hạn chế của cán bộ thiết kế và thi công, đa số các ứng dụng hiện nay chưa có tính toán cụ thể với chức năng của nó, trong từng

kết cấu cụ thể với các chỉ tiêu cơ lý của đất cụ thể, mà chỉ chọn lựa từng loại vải theo nhiệm vụ do nhà cung cấp đưa ra, theo kinh nghiệm nên việc ứng dụng còn nhiều hạn chế:

- Dùng một số loại vải địa kỹ thuật nhất định theo thói quen hoặc áp dụng

máy móc từ các công trình có trước, nên nhiều chỗ chưa phù hợp với đất nền và đất đắp công trình;

- Trong mỗi công trình, thường chỉ dùng một loại vải địa kỹ thuật nhất định để làm tầng lọc nên không thể phù hợp cho tất cả các loại đất có chỉ tiêu cơ lý thay đổi theo các lớp địa chất dọc theo tuyến công trình nên dễ gây tắc lọc, sạt và trượt bê tông, đá xây lát mái công trình;

- Những vị trí tiếp giáp giữa 2 tấm bê tông lát mái, do bị hở, tia nắng chiếu vào làm giảm độ bền nhanh;

- Có những vị trí có hiện tượng vải ngậm no đất và có một lớp nhầy ở mặt tiếp giáp đất, nước không thể ngấm qua được Trường hợp thường xảy ra đối với kết cấu lọc có sử dụng vải địa kỹ thuật mà đất có thành phần sét cao;

- Công tác bảo quản (tránh nắng) không được quan tâm; thi công chất lượng không đảm bảo; tiến độ chậm ;

- Vải được sử dụng trong công trình không được kiểm định lại chất lượng theo yêu cầu, mà mới nhìn phiến diện một chiều theo thông số của nhà cung cấp

15.4.2 Nguyên nhân hư hỏng

- Do cán bộ thiết kế và thi công còn hạn chế hiểu biết, chuyên sâu về vải địa

kỹ thuật còn ít, nên nhiều công trình không được tính toán cụ thể phù hợp với từng loaị đất, từng kết cấu tương ứng với từng loại vải; thi công chất lượng và tiến độ chưa đảm bảo

- Các khâu bảo quản (trong lưu kho, vận chuyển, thi công ) không đúng quy định và đặc tính vải địa kỹ thuật, nhất là đặc tính về sức chọc thủng và sự phá hoại

do tia cực tím;

- Các hãng cung cấp vải địa kỹ thuật chỉ cung cấp thông tin kỹ thuật nhằm mục đích để chào và bán hàng Chưa có chỉ tiêu kỹ thuật tương tác giữa vải với đất Các hãng nước ngoài không chuyển giao công nghệ tính toán thiết kế, chế tạo, thi công cũng như phương pháp thử

15.4.3 Bài học từ việc sử dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam

Dẫn đến tình trạng trên là do tư duy tiếp cận khoa học công nghệ mới của cán

bộ xây dựng nước ta bị hạn chế, chỉ mới thấy được cái lợi ích việc ứng dụng của vải địa kỹ thuật, mà chưa quan tâm đúng mức đầu tư công sức nhân lực học hỏi, nghiên cứu, tiếp cận công nghệ vải địa kỹ thuật để có ứng dụng một cách hiệu quả, đảm bảo pháp huy hết tác dụng vải địa kỹ thuật, mang lại lợi ích kinh tế cao

Đây là bài học mà chúng ta rút ra sau hơn 10 năm ứng dụng vải địa kỹ thuật với chủ yếu với các chức năng lọc, phân cách và tiêu nước (còn ít); và không nên

lặp lại đối với các ứng dụng như bảo vệ và gia cố, vốn là rất tốt qua chứng minh thực tiễn ở nước ngoài

Do vậy, để ứng dụng công nghệ đất có cốt vải địa kỹ thuật cũng chính là ứng dụng chức năng gia cố của vải địa kỹ thuật vào công trình đất đạt hiệu quả cao nhất, cần phải đào tạo nhiều những cán bộ chuyên sâu về vải địa kỹ thuật; trau dồi kiến thức về vải địa kỹ thuật, về sự tương tác giữa Vải và Đất, nắm vững quy trình thiết

kế và công nghệ thi công công trình sử dụng vải địa kỹ thuật làm cốt Cần có những ứng dụng hợp lý, sáng tạo, có kết hợp giữa vải địa kỹ thuật và các loại vật liệu khác nhau, phù hợp với từng loại đất, từng chức năng, nhiệm vụ mỗi công trình, với điều kiện thực tế, không nên áp dụng một cách cứng nhắc, lối mòn Và cũng cần thiết

có những hội nghị khoa học về nghiên cứu ứng dụng vải địa kỹ thuật sẽ là nơi trao đổi , phổ biến những kinh nghiệm, hiểu biết về ứng dụng vải địa kỹ thuật ở Việt Nam

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH KHỐI

ĐẤT ĐẮP CÓ CỐT 2.1 Cá c đặc tính của vật liệu làm cốt

2.1.1 Độ bền kéo của vải địa kỹ thuật

Vải địa kỹ thuật có độ bền chịu kéo, do vậy khi kết hợp với đất-vật liệu chịu nén (mức độ) không chịu kéo, tạo nên một vật liệu "đất có cốt" vừa chịu nén vừa chịu kéo

Độ bền chịu kéo của vải địa kỹ thuật được xác định từ thí nghiệm kéo theo tiêu chuẩn 14TCN 95-1996 Mẫu vải địa kỹ thuật cho thí nghiệm kéo có hình chữ nhật, kích thước thường là 100x200mm, có khi 100x500mm, tốc độ kéo từ 10mm/phút đến 100mm/phút tuỳ theo quy trình mỗi nước

Lực kéo được tính cho 1 đơn vị chiều rộng B của mẫu kéo:

2.1.2 Độ bền chọc thủng của vải địa kỹ thuật

Để đảm bảo chức năng làm lọc, ngăn cách, bảo vệ, gia cố, vải địa kỹ thuật luôn có xu thế giữ, bọc các hạt đất, từ mịn đến các hạt thô, đá hộc, theo yêu cầu Như vậy, vải địa kỹ thuật dễ bị thủng rách do phải tiếp xúc với các hạt sạn, dăm, đá hộc có cạnh sắc nhọn Đây là điều thường xảy ra trong quá trình thi công hoặc quá trình làm việc chịu lực chấn động Nên cần phải xác định độ bền chọc thủng của vải địa kỹ thuật để có thiết kế và quy trình thi công phù hợp

Độ bền chọc thủng của vải địa kỹ thuật được xác định nhờ thí nghiệm chọc thủng tĩnh trên máy vạn năng, và chọc thủng động bằng thí nghiệm rơi côn (vật hình chóp chuẩn góc mũi 45o, đường kính 50mm, khối lượng 1kg, chiều cao rơi 250mm đến 1000mm) theo tiêu chuẩn 14TCN 96-1996

2.1.3 Độ bền lâu dài của vải địa kỹ thuật

Vải địa kỹ thuật được dùng trong công trình vĩnh cửu cần có độ bền lâu dài hàng chục năm Độ bền của vải ngoài do nguyên liệu chế tạo quyết định còn phụ thuộc vào quá trình vận chuyển, lưu kho và thi công lắp đặt, Các ảnh hưởng của quá trình này dẫn đến độ bền của vải địa kỹ thuật có thể phân thành 3 cơ chế (theo tiêu chuẩn của Pháp):

a) Làm hỏng cấu trúc của vải địa kỹ thuật

Trong quá trình thi công, vải địa kỹ thuật bị giãn thưa, thủng rách do lôi kéo quá mức hoặc đụng mạnh với các vật sắc nhọn, thường là các hạt dăm, sạn, đá hộc

có cạnh sắc Điều này rất nguy hiểm khi dùng vải địa kỹ thuật gia cố đất (mất ổn định cục bộ), làm "túi địa kỹ thuật", hay làm lọc ngăn chặn hiện tượng xói ngầm của đất,

b) Làm hao tốn vật liệu của vải địa kỹ thuật

Vải địa kỹ thuật mất dần vật liệu do bào mòn Điều này xảy ra khi vải địa kỹ thuật tiếp xúc với những hạt thô nhám như cát vàng, sạn sỏi, đá dăm, đá hộc thường xuyên bị dịch động do xe cộ đi lại hoặc tác dụng của đầm Trong trường hợp này cần dùng loại vải địa kỹ thuật làm bằng chất liệu chống bào mòn tốt.Vải địa kỹ thuật cũng dễ bị các loại gậm nhấm và các sinh vật khác làm thủng, điều này cần đặc biệt chú ý khi dùng vải địa kỹ thuật cho đê đập

c) Làm thay đổi tính chất của vải địa kỹ thuật

Những polyme dùng làm vải địa kỹ thuật (polyester, polypropylene ) có tính bền hoá học khá tốt Tuy nhiên, trong một số trường hợp đất bị nhiễm bẩn nhiều cần nghiên cứu cẩn thận.Cần chú ý vải địa kỹ thuật rất dễ hư hại do tác dụng của tia cực tím của ánh sáng mặt trời Nếu do điều kiện thi công, vải địa kỹ thuật phải để lộ thiên đến 3 tuần thì cần phải dùng loại vải địa kỹ thuật chịu được tia cực tím Theo thí nghiệm, loại polyester có tính ổn định về tia cực tím lớn hơn cả

2.1.4 Ma sát và dính kết của vải địa kỹ thuật với đất

Vải địa kỹ thuật được dùng kết hợp với đất, đá do vậy cần xét đến ma sát giữa đất, đá và vải địa kỹ thuật

Thường dùng thí nghiệm chuyên dụng (ví dụ hộp cát lớn trong cơ học đất đá)

để xác định chỉ tiêu ma sát của vải địa kỹ thuật - hệ số ma sát

Khi dùng vải địa kỹ thuật làm cốt, tăng cường cho đất thì cần phải thí nghiệm

để xác định cụ thể (gọi là thí nghiệm tương thích giữa vải địa kỹ thuật và đất đá) Trong một số trường hợp khác có thể lấy gần đúng như sau:

- Ma sát giữa vải địa kỹ thuật với đất rời lấy bằng 0,6 ÷ 0,8 góc nội ma sát của đất rời; lực dính đơn vị giữa vải địa kỹ thuật với đất dính lấy bằng lực dính đơn vị của đất

Trong phạm vi của luận văn là sử dụng vải địa kỹ thuật làm cốt trong đất, do vậy chỉ cần quan tâm đến các đặc tính sau:

- Khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật

- Khả năng ma sát và dính kết của vải địa kỹ thuật với đất

- Độ bền của vải địa kỹ thuật ( độ bền chọc thủng và tuổi thọ)

Tính chất cơ học của vải địa kỹ thuật được thể hiện bảng 2.1 Phụ lục

2.2 Các cơ chế cơ bản giữa đất và cốt

2.2.1 Các cơ chế tương tác giữa đất và cốt

Đất có độ bền kéo thấp nhưng độ bền nén là tương đối, độ bền của đất chỉ bị giới hạn bởi sức kháng ứng suất cắt của nó Mục đích kết hợp đất với cốt là để tiếp thu lực kéo hoặc ứng suất cắt, giảm được việc tải trọng gây phá hoại đất do ứng suất cắt hoặc do biến dạng quá mức Khối đắp có cốt được coi là một khối vật liệu hỗn hợp có các đặc tính đã được cải thiện, đặc biệt là khả năng chịu kéo, chịu cắt so với đất không có cốt

Khi tải trọng được truyền từ đất vào cốt thì cơ chế truyền tải từ đất vào cốt và ngược lại thực hiện thông qua sức neo bám đất/cốt Đối với đất kém dính sức neo bám này là do ma sát đất/cốt phụ thuộc vào đất, cốt và mức độ thô nhám trên bề mặt của nó Còn đối với đất dính, sức neo bám này phụ thuộc chính là lực dính giữa cốt với đất Sự tương tác giữa cốt mềm với đất là sự tiếp thu lực kéo dọc trục Để tăng khả năng chịu tải kéo và để tiện thi công các cốt mềm được đặt nằm ngang trong tường, trong mái dốc và dưới nền đắp trùng với trục biến dạng kéo chính trong đất

không có cốt Khi tính toán thiết kế, ta phải xác định các lực kéo dọc trục mà cốt phải tiếp nhận ở vùng chủ động và sự phân bố chúng vào vùng bị động

Người ta tiến hành thí nghiệm nén 3 trục với hai mẫu đất: trong hình 2.1 mẫu (a) là đất không có cốt và mẫu (b) là đất có cốt, với cùng tải trọng, giữ nguyên ứng suất nén σ3 và gia tải bởi ứng suất nén σ1 Dưới tải trọng này, mẫu đất không có cốt sẽ chịu biến dạng nén dọc δv và biến dạng nở ngang δh

1 Mức giảm biến dạng này

là kết quả trực tiếp của ứng suất chặn (ứng suất hạn chế nở hông) bổ sung ∆σ3 do tương tác giữa đất và cốt

1 σ − σ + ∆σ tăng tương đối ít Giới hạn thực tế về

độ bền của đất có cốt được thể hiện là do sự kéo đứt cốt hoặc sự phá hỏng cơ chế ngàm bám do trượt ở bề mặt tiếp xúc cốt/đất

2.2.2 Cơ chế gia cường đất trong mái dốc có cốt

Hình 2.2 thể hiện mái dốc đất rời khô nghiêng góc β (là góc lớn hơn góc ma sát trong ϕ của đất) so với phương ngang Nếu không có tác động của cốt, mái đất