Tính toán nền có cốt gia cố bằng vải địa kỹ thuật

Tính toán thiết kể phải tuân thủ tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054-2005 hoặc tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô cao tốc TCVN 5729-2012; quy trình thiết kế “Khảo sát thiết kế nền đường qua vùng đất yếu” hiện hành. Ngoài ra khi dùng vải với chức năng gia cường phải tính toán thêm các vấn đề sau:

3.4.1. Tính toán ổn định công trình

3.4.1.1. Tính toán ổn định trƣợt sâu với hệ số ổn định trƣợt đƣợc quy định:

min 1, 2

K  theo phương pháp phân mảnh cổ điển

e . e Mom ngiu N Y K Mom ngaytruot   (3.14) N phải được giới hạn bởi các điều kiện sau:

ax m N N k 

Trong đó Nmaxlà cường độ chịu kéo đứt lớn nhất của vải lúc đem dùng.

Hình 3.16: Mặt phá hoại của khối đất đắp

k- là hệ số lấy bằng 2,0 nếu dùng vải polyester và lấy bằng 5,0 nếu vải bằng polypropylen hoặc polyetđen

1 0 ' l w i N  h f (3.15) 2 0 ' l w i N  h f

Hai điều kiện trên là để đảm bảo lực kéo có hiệu (cho phép) của vải phải nhỏ hơn lực ma sát sinh ra giữa mặt trên của vải với đất đắp cả ở vùng hoạt động (1) và vùng bị động (2).

Trong đó f’ là hệ số ma sát tính toán (đã xét đến hệ số an toàn bằng 1,5) giữa đất đắp và vải: 4 ' 9 f  tg

Với :là góc nội ma sát của đất đắp

w

 : dung trọng của đất đắp ( 3

/

T m )

i

h : chiều cao đất đắp trên vải (thay đổi theo dạng taluy, trong phạm vi bề rộng đỉnh nền đường hi h chiều cao nền đắp)

3.4.1.2. Kiểm toán điều kiện ổn định trƣợt đất đắp trên vải địa kỹ thuật

Theo công thức sau:

a

F F

Trong đó:

a

F : lực đẩy, tính theo công thức 1 2

2

a a w

F  K  h

Với w: dung trọng của đất đắp ( 3

/ T m ) h: chiều cao nền đắp (m) a K : hệ số áp lực chủ động Rankine; 1 sin 1 os a K c      : góc nội ma sát của đất đắp

F: lực ma sát giữa đất đắp và mặt vải địa kỹ thuật (lực giữ). Bỏ qua lực dính giữa đất đắp và vải thì:

.

FG f (3.16) Trong đó: F được xác định như ở công thức ' 4

9

f  tg

G: trọng lượng khối đất đắp trong phạm vi mái dốc rộng L

Việc khống chế tốc độ đất đắp nền trên đất yếu có vải địa kỹ thuật tăng cường được thực hiên như sau:

Phải bố trí mốc quan trắc lún và mốc quan trắc biến dạng ngang, tối thiểu mỗi công trình phải bố trín 3 trắc ngang quan trắc lún và 10m dài 1 mốc quan trắc biến dạng ngang.

Nếu lún hoặc chuyển vị ngang quá tiêu chuẩn trên thì cần tạm ngừng đắp để theo dõi; nếu thấy biến dạng không tiếp tục tăng nữa thì cho đắp tiếp.

3.4.2. Tính toán lựa chọn vải

3.4.2.1. Chọn loại vải: Số lớp vải theo mục đích gia cường phải dựa trên cơ sở tính toán ở mục 4.1

3.4.2.2. Chiều rộng trải vải địa kỹ thuật khi thiết kế phải lớn hơn chiều rộng của nền đường ít nhất là 1m để cuốn phủ lên lớp thứ nhất của lớp cát thoát nước ngang (thay thế tầng lọc ngược hai bên nền đường).

3.4.3. Tính toán nền có cốt gia cố bằng lƣới địa kỹ thuật

Năm 1994, Ochiai và cộng sự đề xuất phương pháp mới trong tính toán sức chịu tải của nền được gia cố bằng lớp đệm lưới địa kỹ thuật. Theo cách tiếp cận này, cường độ của tải trọng phân bố p trên diện chịu tải B, tác dụng lên lớp lưới địa kỹ thuật và tải trọng được lan truyền trong đất nền, đồng thời xuất hiện ứng suất kháng pmvà diện tích Bm.

Sức chịu tải cực hạn qucủa nền khi không sử dụng lớp lưới địa kỹ thuật được Terzaghi phát biểu như sau:

1 2 u c q cN  BN (3.17) Trong đó: c: là lực dính của đất  : là dung trọng của đất nền & c

N N : hệ số cường độ chịu tải.

Sức chịu tải cực hạn qmcủa nền khi sử dụng lớp lưới địa kỹ thuật được phát biểu như sau: 1 2 m c m q m q cN  HN  B N (3.18) Trong đó:

H: chiều dầy của lớp đệm lưới địa kỹ thuật

q

N : hệ số cường độ chịu tải của lớp đệm lưới địa kỹ thuật

Do đó, sự gia tăng của cường độ chịu tải qdo sự đặt thêm lớp đệm được mô tả:

1 ( ) 2 m q m q  HN  B B N     (3.19)

3.5. Tính toán nền đất bằng phƣơng pháp cọc xi măng đất

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, thị trường xây dưng ở Việt Nam từ bao giờ đã trở nên nóng bỏng với hàng loạt các công trình cầu đường. Theo đó các công nghệ mới đã được nghiên cứu và đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới. Đó chính là công nghệ Cọc Xi Măng - Đất. So với các công nghệ gia cố nền đường khác, công nghệ móng cọc vữa xi măng đất tỏ ra có hiệu quả kinh tế hơn nhiều bởi nó có thể tận dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ ngay dưới chân công trình. Đặt biệt nó chính là một giải pháp vô cùng hợp lý cho các nền đất yếu mà trong đó vùng Đồng Bằng Nam Bộ của nước ta chính là một điển hình.

3.5.1. Tính toán và kiểm tra cƣờng độ cho Cọc Xi Măng – Đất

Việc tính toán và kiểm tra sẽ được tiến hành cho 2 điều kiện sau : (3.20)

- Trình tự tính toán: Chọn trước chiều dài cọc, đường kính cọc và cả số lượng cọc bố trí nx, ny . . Xác định hệ số tập trung ứng suất :

Lb, Bb : Kích thước (theo phương X,Y) của bản đáy quy ước nằm trên đầu cọc L, B: Kích thước (X,Y) của phần diện tích bản đáy truyền xuống khối cọc. Af = L.B: Diện tích bản đáy truyền xuống khối móng cọc. Ab = Lb x Bb : Diện tích của bản đáy quy ước nằm trên đầu cọc.

Là hệ số kể đến sự tăng lên của Môđun Biến dạng theo hướng thẳng đứng được sinh ra bởi sự hạn chế của mặt phẳng bên thân cọc.

Với H1 là chiều dày của lớp đất thứ nhất bao quanh cọc. Bp : Bề rộng theo hướng lân cận ngắn hơn của phần tử cọc mở rộng E1, E2, Ep: Môdun biến dạng trung bình của lớp đất 1 và lớp 2 (Xem như lớp đất 1 chính là toàn bộ các lớp đất mà cọc đi qua, còn lớp đất 2 là lớp đất bên dưới mũi cọc), Môđun biến dạng của cọc Xi Măng - Đất được xác định theo thí nghiệm.

3.5.2. Tính toán và kiểm tra Cọc Xi Măng – Đất theo điều kiện biến dạng:

- Theo phương pháp của Giáo sư Brom:

Với bản chất cũng là một dạng của gia cố nền nên việc phân tích , tính toán độ lún ở đây về cơ bản có thể dựa trên nguyên tắc tính toán lún của cọc gia cố nền mà phương pháp tính toán thông dụng nhất hiện nay chính là phương pháp tính lún do giáo sư Broms đề xuất. Độ lún của khối móng cọc được tính theo công thức sau: S = S1 + S2, S1 là độ lún bản thân của khối cọc gia cố (Xét đến biến dạng của cọc).

Hình 3.17 Sơ đồ tính toán cọc xi măng đất

(3.21) q : Tải trọng phân bố của công trình ( KN/m2 ) . q : Tải trọng phân bố của công trình ( KN/m2 ) .

ΔHi : Chiều sâu của lớp đất thứ i mà khối cọc đi qua (m).

a = : Tỉ số giữa tổng diện tích cọc gia cố với diện tích khối gia cố . n : Tổng số cọc ; Ap là diện tích tiết diện cọc

B, L là kích thước khối gia cố.

Ep, Es : Môđun biến dạng của vật liệu cọc và của đất nền mà cọc đi qua

S2 là độ lún của khối đất bên dưới mũi cọc được tính toán theo nguyên lý cộng lún từng lớp như độ lún tiêu chuẩn với độ dốc ở đây là 2:1. Và điều đó có nghĩa là diện tích khối móng quy ước tăng lên làm tải trọng truyền xưống sẽ giảm đi. Trên thực tế độ lún của móng bè cọc tính theo phương pháp này là rất lớn. Đó là do ta đã bỏ qua sự làm việc của Bản đáy. Khi bản đáy có tham gia vào thì việc tính lún cho các khối cọc gia cố một cách độc lập sẽ không còn phù hợp nữa bởi vì lúc này lực từ chân cột truyền xuống sẽ

không chỉ do mình khối cọc ở ngay dưới nó nhận hoàn toàn mà nó đã có sự phân phối lại tải trọng.

3.6. Tính toán lựa chọn phƣơng án

Phần trên đã trình bày những phương án thi công mới từ vải địa kỹ thuật và cọc xi măng đất. Tuy nhiên, phương pháp vải địa kỹ thuật thi công cho đường khá thuận tiện và dễ dàng hơn trong công tác thi công, thời gian tiến độ. Nên trong nghiên cứu này sẽ tính toán dựa trên 2 phương pháp và so sánh sự khả thi cụ thể ở chương tiếp theo.

Phần tính toán vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp (vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật ...) đã được phát triển từ lâu. Các thông số tính toán đủ để cho các kỹ sư thiết kế tính toán được độ ổn định và độ biến dạng của nền gia cường bằng vật liệu địa kỹ thuật. Trong trường hợp này, việc đánh giá nền được xử lý bằng các phương pháp khác nhau để đánh giá khả năng chịu tải của nền, ổn định tổng thể của nền và độ lún của nền sau khi được gia cố.

CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN CHO CÔNG TRÌNH ĐƢỜNG GIAO THÔNG “ĐƢỜNG CẶP KÊNH BẢY THƢỚC”

(ĐƢỜNG TỈNH ĐT.837B)

4.1. Đánh giá thực trạng hệ thống kết cấu hạ tầng giao thông đƣờng bộ huyện Tân Thạnh, tỉnh Long An

Hình 4.1. Bản đồ huyện Tân Thạnh

- Trên tòan huyện còn 4 tuyến đường với chiều dài khỏang 40 km đường nối từ Quốc lộ, Tỉnh lộ đến trung tâm 4 xã chưa được nhựa hóa (hiện nay là kết cấu mặt đường đá 0x4 và cấp phối sỏi đỏ). Bên cạnh đó, huyện Tân Thạnh phấn đấu xây dựng thị trấn Tân Thạnh thành đô thị lọai IV đến năm 2020, vì vậy cần đầu tư mới một số tuyến đường trên địa bàn thị trấn để hòan chỉnh tiêu chí về hạ tầng kỹ thuật.

- Hiện nay, các công trình giao thông được đầu tư đưa vào sử dụng mau bị hư hỏng, biểu hiện qua các hiện tượng: Đối với đường nhựa thì bị răn nức, xô dồn mặt đường sau đó bị vở ra tạo thành các lổ hỏng. Đối với đường đan bê tông xảy ra hiện tượng đan bị nứt kéo dài và bể thành từng mảng. Đối với đường cấp phối, mặt đường bị hỏng theo các đường mòn vệt xe, về lâu dài tạo thành các ổ gà, ổ voi. Tất cả các hiện tượng này gây mất an tòan giao thông và tốn kinh phí thực hiện công tác duy tu sửa chữa thường xuyên hàng năm.

Dƣới đây là một số hình ảnh hiện trạng hƣ hỏng của các tuyến đƣờng trên địa bàn Huyện Tân Thạnh

Hình 4.2 Hình ảnh hiện trạng hư hỏng của đường đường nhựa trên địa bàn huyện

Hình 4.4 Hình ảnh hiện trạng hư hỏng của đường đường cấp phối đá dăm

4.2. Hiện trạng tuyến đƣờng cặp kênh Bảy Thƣớc (đƣờng tỉnh ĐT.837B)

Tất cả các tuyến đường chính trên địa bàn huyện (Quốc lộ, Tỉnh lộ, đường Huyện, đường liên xã, đường trục ấp). Trong đó, chọn một tuyến đường cặp kênh Bảy Thước (Đường tỉnh ĐT.837B) để nghiên cứu phân tích, xử lý nền đường.

Hình 4.5: Bản đồ đường tỉnh 837B

Địa chỉ: Điểm đầu là Quốc lộ 62 điểm cuối là kênh 63 đi qua 06 xã: Kiến Bình, Nhơn Hòa, Tân Lập, Nhơn Hòa Lập, Bắc Hòa, Hậu Thạnh Tây. Quy mô: đường cấp VI có tổng chiều dài 27km, nền đường rộng 6m, mặt rộng 3,5m, mặt đường cấp phối sỏi đỏ. Dự kiến nâng cấp tuyến đường này với quy mô đường cấp IV đồng bằng: Nền đường rộng 9m, mặt đường rộng 7m, kết cấu nhựa.

Hình 4.6: Hiện trạng đường tỉnh 837B

4.2.1. MẶT CẮT NGANG HIỆN TRẠNG TUYẾN ĐƢỜNG TỈNH 837B

Hình 4.7. Mặt cắt hiện trạng đường tỉnh 837B

4.2.2. MẶT CẮT NGANG ĐƢỜNG DỰ KIẾN TUYẾN ĐƢỜNG TỈNH 837B 4.2.2.1. PHƢƠNG ÁN 1

Sử dụng vải địa kỹ thuật tổng hợp trãi trên nền đất đắp mới, khỏang cách mỗi lớp 0,5m.

4.2.2.2. PHƢƠNG ÁN 2

Sử dụng vải địa kỹ thuật tổng hợp trãi trên nền đất đắp mới, khoảng cách mỗi lớp 0,5m. Đào đất chân taluy, thay thế bằng lớp cát đệm.

4.2.2.3. PHƢƠNG ÁN 3

Ghi chú: CT

1- Lớp bê tông nhựa mịn dầy 5 cm 2- Lớp bê tông nhựa thô dầy 7cm 3- Lớp cấp phối đá dăm dầy 25 cm 4- Cọc xi măng đất

5- Lớp đất đắp nền đường (mới) K.98 6- Lớp nền hiện trạng.

4.2.3. Dữ liệu thiết kế nâng cấp nền đƣờng ĐT.837B 4.2.3.1. Giả thiết nghiên cứu:

- Dựa trên tính chất cơ lý của đất có thể xem đất yếu là những loại đất có đặc điểm sau:

+ Khả năng chịu tải thấp: R = 0,5 đến 1 kg/cm2 + Biến dạng lớn: E0 ≤ 50 kg/cm2

+ Góc nội ma sát nhỏ:

+ Cường độ lực dính nhỏ: C = 0,05 ÷ 0,1 kg/cm2

+ Khả năng chống cắt nhỏ + Độ thấm nước nhỏ

+ Hàm lượng nước cao, gần như bảo hòa + Hệ số rỗng lớn

+ Có lẫn hữu cơ.

- Khi chọn giải pháp xử lý cần phải phân tích đầy đủ theo các nhân tố sau: + Tính chất và tầm quan trọng của công trình

+ Thời gian tồn tại.

+ Tính chất và chiều dày của lớp đất yếu + Giá thành xây dựng.

- Giả thiết nghiên cứu giải pháp ứng dụng kết hợp sản phẩm địa kỹ thuật và cọc xi măng đất trong xử lý nền đường trên nền đất yếu, cụ thể là tuyến đường cặp kênh Bảy Thước (đường tỉnh ĐT.837B). Ứng dụng tính tóan độ ổn định nền đường có sử dụng vật liệu địa kỹ thuật cho công trình đường giao thông, đường cặp kênh Bảy Thước (đường tỉnh ĐT.837B).

*. Từ kết quả khảo sát địa chất công trình thuộc khu vực tuyến đường cặp kênh Bảy Thước (ĐT.837B) có số liệu như sau:

Ở độ sâu khoảng 20m khu vực xây dựng công trình có cấu tạo địa chất gồm 5 lớp đất như sau:

• Lớp 1: Sét, màu xám trắng đốm nâu đỏ - nâu vàng, trạng thái dẻo cứng

Đây là lớp đất đắp nền ở trên mặt. Phân bố từ mặt đất trở xuống đến 2,8m – 3m.

Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm cơ lý cho các đặc trƣng lớp 1

Dung trọng tự nhiên 3 1,82( / ) w g cm   Độ sệt B = 0,49 Góc ma sát trong  = 090 56’ Lực dính C = 0,267 kg/cm2 Hệ số rỗng o 1, 000 Hệ số nén a1-2 = 0,046 kg/cm2 Mô duyn tổng biến dạng E1-2 = 18,8 kg/cm2 Sức chịu tải quy ước Rtc = 1,4 kg/cm2 Số búa SPT N/30 cm = 4-5 búa

• Lớp 2: Bùn sét, màu xám đen, trạng thái dẻo chảy

Đây là lớp nguyên thổ trên cùng tại khu vực khảo sát. Độ sâu phân bố 1,6m - 1,65m.

Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm cơ lý cho các đặc trƣng lớp 2

Dung trọng tự nhiên 3 1, 7( / ) w g cm   Độ sệt B = 0,82 Góc ma sát trong  = 050 19’ Lực dính C = 0,048 kg/cm2 Hệ số rỗng o 1, 216 Hệ số nén a1-2 = 0,080 kg/cm2 Mô duyn tổng biến dạng E1-2 = 12,3 kg/cm2 Sức chịu tải quy ước Rtc = 0,4 kg/cm2 Số búa SPT N/30 cm = 1 búa

• Lớp 3: Sét, màu xám trắng đốm nâu đỏ, trạng thái dẻo cứng Nằm dưới lớp 2. Độ sâu phân bố 1,9m.

Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm cơ lý cho các đặc trƣng lớp 3 Dung trọng tự nhiên 3 1,97( / ) w g cm   Độ sệt B = 0,24 Góc ma sát trong  = 130 20’ Lực dính C = 0,291 kg/cm2 Hệ số rỗng o 0, 711 Hệ số nén a1-2 = 0,026 kg/cm2 Mô duyn tổng biến dạng E1-2 = 29,0 kg/cm2 Sức chịu tải quy ước Rtc = 1,74 kg/cm2 Số búa SPT N/30 cm = 9-10 búa