Ứng dụng bệ phản áp vào ổn định nền đường với kích thước tối ưu nhất

Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là các vùng ở Đồng bằng sông Cửu Long. Sự mất ổn định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra trên những vùng đất yếu này, có nhiều biện pháp để xử lý vấn đề trên, trong đó, sử dụng bệ phản áp cũng là một trong những giải pháp đó.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP VÀO ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG VỚI KÍCH THƯỚC TỐI ƯU NHẤT APPLICATION COUNTERWEIGHT BERM THE ROADBED STABILITY WITH OPTIMAL SIZE PGS TS Võ Phán, KS Trần Đức Thưởng Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM TĨM TẮT Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt vùng Đồng sông Cửu Long Sự ổn định gây hư hỏng đường đắp xảy vùng đất yếu này, có nhiều biện pháp để xử lý vấn đề trên, đó, sử dụng bệ phản áp giải pháp Ưu điểm bệ phản áp phân bố lại ứng suất nền, đảm bảo ổn định, chống trượt trồi, hạn chế mức độ chuyển vị ngang đất yếu cơng trình đắp cao ABSTRACT Our country has many regions formed from soft soil, especially in the areas of the Mekong Delta Instability damage persists embankment on soft soil areas, there are many ways to handle this problem, which, using counterweight berm is one such solution The advantage of counterweight berm is redistribution of stresses in the background, ensuring a stable, non-slip extrusion, and limit the extent of the horizontal displacement of soft ground under high embankment works ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, với phát triển đất nước, mạng lưới đường giao thông đầu tư xây dựng lớn Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt vùng Đồng sông Cửu Long Vùng dân cư đông đúc chiếm vị trí quan trọng Sự ổn định gây hư hỏng đường đắp xảy vùng đất yếu này, rõ ràng nguyên nhân chủ yếu từ đất yếu Có thể nói hiểu biết chưa đầy đủ đất yếu biện pháp gia cố nguyên nhân thiết kế đường đắp bị ổn định gây lãng phí tốn Nghiên cứu bệ phản áp ổn định đường nói riêng hay đất nói chung, xác định việc tính tốn để đảm bảo chất lượng tiến độ thi công vấn đề quan trọng Bệ phản áp giải pháp lâu đời sử dụng nhiều, thực tế chứng minh hiệu tăng cường ổn định, đặc biệt làm tăng tải trọng giới hạn đất yếu Với công nghệ thi công đơn giản tận dụng vật liệu chỗ Do đó, dùng cách tính toán tải trọng giới hạn đất chịu tải trọng móng mềm để khảo sát ảnh hưởng bệ phản áp, hợp lý hóa thiết kế kích thước Từ vấn đề nêu đặt việc nghiên cứu tính tốn bệ phản áp đất yếu nói riêng, đất tự thiên nói chung với giả thiết hợp lý với thực tế làm việc đất chịu tác dụng 392 VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 tải trọng đường đắp bệ phản áp góp phần bổ sung lý thuyết nghiên cứu, góp phần tích cực vào thực tế xây dựng đường đắp PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ¾ Cơ sở lý thuyết: Khảo sát quan hệ tải trọng giới hạn đất yếu với tải trọng bệ phản áp Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn đất yếu tải trọng đường đắp Nghiên cứu bệ phản áp rộng vô hạn để làm tăng tải trọng giới hạn đất yếu đường đắp Tính tốn bệ phản áp ngun lý làm tăng độ chơn sâu đắp Tính tốn bệ phản áp theo dạng làm xoải taluy đường đắp ¾ Tính tốn mơ phỏng: Sử dụng phần mềm Geo Slope/W Ver2007 để tính tốn ổn định trượt cho cơng trình đắp việc gia cố bệ phản áp Dựa vào kết mô phỏng, kiến nghị chiều cao chiều rộng bệ phản áp tối ưu ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP VÀO TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG 3.1 Cấu tạo bệ phản áp 3.1.1 Bệ phản áp nguyên lý làm tăng độ chôn sâu đắp Nguyên lý phương pháp tính tốn kích thước bệ phản áp làm phân bố lại ứng suất tác dụng lên đất áp dụng tính tốn cơng trình thực tế L B L qH q pa H q tt hpa q pa Hình Bệ phản áp theo sơ đồ làm tăng độ chôn sâu đường 3.1.2 Bệ phản áp theo dạng làm xoải taluy đường đắp Hnd H'nd Trường hợp thường dùng cho đắp có dạng gần với tải trọng phân bố hình tam giác Tải trọng đắp thường phân bố theo dạng hình thang cân, để đơn giản tính tốn đưa dạng phân bố tam giác cân diện tích tương đương có bề rộng đáy b(pa) b b' b(pa) b b' Hình Bệ phản áp theo sơ đồ làm xoải chân taluy đường VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 393 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 3.2 Tính tốn ổn định cho tuyến đường quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang Để tiến hành phân tích vai trị bệ phản áp cơng trình đắp, chọn lựa đặc trưng lý đất để tính tốn theo bối cảnh thực tế cơng trình khu vực, quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang Kích thước khối đắp tham khảo theo mặt cắt ngang đại diện đường cao tốc khu vực Ở đây, đắp có bề rộng mặt 2a = 24 m, chiều cao quy đổi 3,0 m; độ dốc mái taluy 1:2 tương đương với bề rộng chân 2b=38 m Vật liệu đắp cát đầm chặt với thông số sau: dung trọng γ=19 kN/m3, c ≈ 0, ϕ = 350 Kết khảo sát thí nghiệm xác định đặc trưng lý lớp đất yếu thể bảng (CH) xám xanh đến xám đen, lẫn hữu cơ, vỏ sò cát mịn Lớp gặp tất lỗ khoan Độ sâu đáy lớp thay đổi từ 13,8 m đến 14,2 m Cao độ đáy lớp biến đổi từ -14,2 m đến -9,3 m Bảng Các tiêu lý trung bình lớp bùn sét Các tiêu Đơn vị Giá trị trung bình Hàm lượng % hạt cát (%) 2,0 Hàm lượng % bột sét (%) 98,0 Độ ẩmW (%) 82,4 (g/cm3) 1,51 Tỷ trọng hạt Gs - 2,69 Hệ số rỗng eo - 2,104 Giới hạn chảy LL (%) 88,8 Giới hạn dẻo PL (%) 32,9 (%) 0,86 độ 5004’ Lực dính c (cắt phẳng) kG/cm2 0,073 Cường độ kháng cắt cuu (Nén trục UU) kG/cm2 0,19 Chỉ số nén Cc - 1,020 Chỉ số nở Cs - 0,167 Hệ số thấm K (cm/s) x 10-6 (từ thí nghiệm thấm trường) - 3,81 Khối lượng thể tích ρ Độ sệt IL o Góc ma sát ϕ (cắt phẳng) 3.2.1 Xác định kích thước ban đầu bệ phản áp Độ ổn định cơng trình đắp thường đánh giá thông qua hệ số ổn định phương pháp cung trượt lăng trụ tròn Nhờ trợ giúp phần mềm Geoslope sở phương pháp phân mảnh cổ điển, kết tính tốn hệ số ổn định có xét đến 394 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 gia tăng sức chống cắt khơng nước theo độ sâu từ kết cắt cánh trường cho thấy khơng có bệ phản áp, cơng trình bị ổn định trượt sâu với hệ số ổn định Kmin = 0,815 < 1,2 (hình 3) Phạm vi cung trượt trường hợp khoảng 2,0 m ngồi mép taluy Hình Hệ số ổn định đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ trịn khơng có bệ phản áp Khi khơng có bệ phản áp, với chiều cao đắp lớn (H=3,0 m), đất yếu không đủ khả chịu tải Vùng biến dạng dẻo (vùng mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn ω ≥ 1) hình thành bên taluy khối đắp đến độ sâu 10,0 m đất Hình Hệ số ổn định đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn với bệ phản áp có kích thước (hpa=1,0 m & bpa=5,0 m) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 395 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Chiều rộng bệ phản áp (bpa) theo tài liệu có xác định vào phạm vi tồn mặt trượt nguy hiểm tải trọng cơng trình đắp gây chưa bố trí bệ phản áp Trong trường hợp bề rộng bệ phản áp chọn sơ bpa = 2+3 = 5,0 m Khi bố trí bệ phản áp với thơng số kích thước (h=1 m, bpa= m) với sức chống cắt khơng nước lấy 8,081 kN/m2 từ bề mặt tăng tuyến tính đến 35,8 kN/m2 độ sâu 14m, hệ số ổn định hệ có giá trị Κmin =1,115 (hình 4) Như vậy, có bố trí bệ phản áp với kích thước bệ phản áp hpa=1,0 m bpa=5,0 m, khả chịu tải đất yếu tăng lên 37% có sử dụng bệ phản áp 3.2.2 Phân tích ảnh hưởng bệ phản áp lên mức độ ổn định công trình theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn chọn lựa kích thước bệ phản áp hợp lý Để xác định nhanh kích thước tối ưu bệ phản áp, điều cần thiết phải thiết lập mối tương quan vùng biến dạng dẻo đường đắp hệ số ổn định tương ứng phương pháp cung trượt lăng trụ tròn Chọn phương pháp thử dần kích thước bệ phản áp theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn vùng cơng trình đắp phương pháp cho kết trực quan rõ ràng Đây đề tài nghiên cứu thực nhằm mục đích tìm kiếm kích thước bệ phản áp hợp lý nên hàng loạt tính tốn thực để so sánh phân tích Giá trị hệ số ổn định tổng hợp thể bảng Bảng Các hệ số ổn định Κmin theo kích thước bệ phản áp thay đổi hpa (m) 0,80 1,0 1,20 1,40 1,60 1,80 5,0 1,044 1,060 1,069 1,075 1,077 1,076 5,5 1,064 1,081 1,094 1,103 1,107 1,094 Bề rộng bệ phản áp (m) 6,0 7,0 7,5 1,046 1,145 1,040 1,069 1,188 1,186 1,134 1,222 1,218 1,147 1,232 1,221 1,156 1,235 1,225 1,140 1,229 1,182 8,0 1,035 1,183 1,210 1,224 1,230 1,216 9,0 1,223 1,212 1,308 1,326 1,330 1,315 Ngồi ra, kết tính toán cho thấy với bề rộng bệ phản áp lớn (≥7,0 m) chiều cao bệ phản áp 1,2 m độ chênh lệch tải trọng khối đắp bệ phản áp lớn giá trị giới hạn chịu tải hệ số Κmin>1,2 Tức chiều cao bệ phản áp tính tốn giảm đảm bảo điều kiện ổn định Theo tính tốn, kích thước bệ phản áp tối ưu cho cơng trình với chiều cao hpa=1,2 m chiều rộng bpa=7,0 m KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Bệ phản áp có đóng vai trị quan trọng việc phân bố lại ứng suất nền, đảm bảo điều kiện ổn định, làm giảm độ lún, chống trượt trồi hạn chế mức độ chuyển vị ngang đất yếu cơng trình đắp cao 396 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Thực tế xây dựng đường cho thấy bệ phản áp sử dụng nhiều để tăng cường ổn định cho đường đắp, đặc biệt tăng tải trọng giới hạn đất yếu, phương pháp tính tốn cịn bỏ ngỏ Do đó, cần sử dụng thêm trạng thái ứng suất đất tự nhiên tải trọng đất đắp bệ phản áp Chiều cao bệ phản áp thường lấy - 1/3 – 1/2 chiều cao đường đảm bảo chiều cao ổn định Do đó, tổng chiều cao đường đắp có dùng bệ phản áp khơng lớn 1,6 – lần chiều cao giới hạn mà đất yếu chịu Chiều cao bệ phản áp không lớn giới hạn cho phép mà đất tự nhiên chịu Chiều rộng bệ phản áp tính tốn xác định khơng bé 2/3 – /4 chiều dài trồi 4.2 Kiến nghị Từ kết nghiên cứu phân tích đưa kiến nghị số phương hướng nghiên cứu phát triển sau: ™ Trong trường hợp chiều cao đắp lớn lần chiều cao đắp giới hạn đất yếu, sử dụng bệ phản áp nhiều tầng Nguyên tắc xác định chiều cao bề rộng tương tự phương pháp nêu ™ Bệ phản áp sử dụng cho đường có diện tích hai bên đường rộng, để khơng ảnh hưởng đến q trình lưu thơng xe, không ảnh hưởng đến người dân xung quanh cơng trình Vật liệu sử dụng để làm bệ phản áp khu vực phải dồi dào, dễ vận chuyển thi cơng cho cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiêu chuẩn Bộ Giao thông vận tải, Quy trình khảo sát thiết kế đường tơ đắp đất yếu – Tiêu chuẩn thiết kế: 22TCN262-2000 Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004 Võ Phán (2011), “Bài giảng cơng trình đất yếu”, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Võ Phán, Phan Lưu Minh Phượng (2011), “Cơ học đất”, NXB Xây dựng, (2011) Bùi Trường Sơn, Nguyễn Quốc Phong Tác dụng bệ phản áp lên độ ổn định đất yếu cơng trình đắp theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn, Tuyển tập kết khoa học công nghệ 2009, NXB Nông nghiệp, trang 669-676 Người phản biện: GS TSKH Nguyễn Văn Thơ VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 397 ... việc gia cố bệ phản áp Dựa vào kết mô phỏng, kiến nghị chiều cao chiều rộng bệ phản áp tối ưu ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP VÀO TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG 3.1 Cấu tạo bệ phản áp 3.1.1 Bệ phản áp nguyên... vậy, có bố trí bệ phản áp với kích thước bệ phản áp hpa=1,0 m bpa=5,0 m, khả chịu tải đất yếu tăng lên 37% có sử dụng bệ phản áp 3.2.2 Phân tích ảnh hưởng bệ phản áp lên mức độ ổn định cơng trình... lựa kích thước bệ phản áp hợp lý Để xác định nhanh kích thước tối ưu bệ phản áp, điều cần thiết phải thiết lập mối tương quan vùng biến dạng dẻo đường đắp hệ số ổn định tương ứng phương pháp cung