5. Cấu trúc của luận văn
2.2.2. Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố trụ đất ximăng Việt
Các yêu cầu tính toán thiết kế về ổn định lún, ổn định trượt và ổn định của bản thân trụ đất xi măng được xác định trên cơ sở xem xét đầy đủ các yếu tố về quy mô, mức độ công trình, tải trọng công trình, điều kiện thi công, điều kiện địa chất công trình, mức độ tác động đến kinh tế xã hội… trong trường hợp công trình mất ổn định.
Các yêu cầu thiết kế tối thiểu đối với trụ đất ximăng
+ Trị số lún dư cho phép của nền đất sau khi xử lý không vượt quá quy định trong 22TCN 262:2000.
+ Hệ số an toàn về ứng suất trong thân trụ (sức chịu tải của trụ) không nhỏ hơn 1,2.
+ Hệ số an toàn trượt sâu tính bằng phương pháp Bishop không nhỏ hơn 1,4.
+ Hệ số an toàn về trượt phẳng không nhỏ hơn 1,2. Thường trụ xử lý được dùng để ổn định mái dốc, khối đắp hoặc tường hào. Mặt phá hoại theo mặt phẳng hoặc cung tròn, huy động sức kháng cắt của trụ và đất xung quanh trụ. [13]
2.2.2.1 Tính toán ổn định
- Sức kháng cắt của nền gia cố:
Phân tích ổn định dựa theo các phương pháp nền tương đương. Nền tương đương có cường độ kháng cắt tính theo công thức:
Ctb = Cu (1- a) + a Cc (2.14)
Trong đó:
Cu: là sức kháng cắt của đất giữa các trụ, tính theo phương pháp trọng số cho nền nhiều lớp;
Cc: là sức kháng cắt của trụ;
a: là tỷ số diện tích a = n Ac / Bs; n: là số trụ trong 1 m chiều dài khối đắp; Bs: là chiều rộng khối đắp;
Ac: là diện tích tiết diện trụ.
Ghi chú: Sức kháng cắt của trụ, Cc xác định bằng các thí nghiệm hiện trường hoặc mẫu lấy từ thân trụ cho kết quả phù hợp thực tế hơn.
- Ảnh hưởng của vị trí trụ dọc theo mặt trượt khả dĩ:
Trong trường hợp dùng các trụ đơn lẻ để chống mất ổn định cần lưu tâm đến nguy cơ phá hoại uốn của trụ, ứng xử của trụ khác nhau trong vùng chủ động, vùng chịu cắt và vùng bị động (Hình 2.10).
Hình 2.10 Lực dọc trục của trụ trong vùng chủ động tăng sức kháng cắt và
kháng uốn, trong vùng bị động trụ có thể bị nứt khi chịu kéo.
Trong vùng chủ động lực dọc trục của trụ sẽ góp phần làm tăng sức kháng cắt và kháng uốn trong khi đó tại vùng bị động các trụ thậm chí bị nứt do chịu kéo. Do đó các trụ trong vùng chủ động có lợi tăng điều kiện ổn định. Trong vùng cắt và bị động bố trí trụ thành tường hoặc thành khối sẽ hiệu quả hơn bố trí các trụ đơn lẻ để ngăn phá hoại trượt.
- Hiện tượng gối lên nhau:
Trụ tăng ổn định thường được bố trí hàng đơn hoặc hàng đôi. Gối đè nhau các trụ trong hàng sẽ tăng sức kháng mômen và lật. Vùng gối nhau phải đủ để tạo thành tường liên tục. Điều quan trọng là khống chế và giám sát độ gối thẳng đứng suốt chiều dài các trụ. Khả năng chịu tải trọng ngang của tường quyết định bởi sức kháng cắt của đất xử lý ở chỗ gối nhau.
- Phân cách các trụ:
Phá hoại xảy ra ở vùng chịu cắt do phân cách các trụ trong hàng khi mặt trượt nằm gần đỉnh trụ và sức kháng kéo thấp trong vùng gối nhau. Dự tính sức kháng kéo của đất xử lý ở vùng gối nhau khoảng 5% đến 15% cường độ kháng nén không hạn chế nở hông (có thể thấp hơn hoặc cao hơn tùy theo chất lượng và hiệu quả trộn sâu). Khi các trụ phân cách với nhau, sức kháng cắt của trụ trong hàng bằng sức kháng cắt của trụ đơn. [15]
- Xử lý toàn khối:
Do tính chất của đất nền xử lý khác nền chưa được xử lý, có thể xem khối xử lý được chôn trong đất để truyền tải trọng tác dụng đến lớp thích hợp (Kitazume, 1996).
+ Bước đầu tiên gồm phân tích ổn định công trình bên trên làm việc đồng thời với nền xử lý.
+ Bước thứ hai gồm phân tích ổn định của nền xử lý chịu tác động của ngoại tải: phá hoại trượt, lật, mất khả năng chịu tải.
+ Bước thứ ba, kiểm tra độ lún của nền.
Có thể dùng phương pháp PTHH để phân tích ứng suất và biến dạng của nền xử lý phức tạp, số liệu đầu vào chiếm vai trò quan trọng.
' ' ' 1 . .lg 1 1 c o tb c s o o c q qH qH S h E aE a E e 1 1 tb c s qH qH S E aE a E ' ' 2 q q h B
Trụ để giảm độ lún thường được bố trí theo lưới tam giác hoặc ô vuông. Phân tích lún dựa trên quan điểm đồng biến dạng. Nói cách khác, cho rằng hiệu ứng vòm phân bố lại tải trọng sao cho biến dạng thẳng đứng tại độ sâu nhất định trở thành bằng nhau trong trụ và đất quanh trụ.
Đối với nhóm trụ, độ lún trung bình sẽ được giảm bởi ứng suất cắt của đất, huy động tại bề mặt tiếp xúc theo chu vi khối với đất xung quanh, chỉ chuyển dịch khá nhỏ (vài mm) đủ để huy động sức kháng cắt của đất. Ứng suất cắt gây nên độ lún lệch các trụ trong nhóm. Độ lún lệch này sẽ giảm dần theo mức độ cố kết của đất, cho nên sẽ không kể đến trong tính lún tổng. Phương pháp tính lún của giáo sư Broms như sau:
Độ lún tổng (S) của nền gia cố được xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố:
S = S1 + S2 Trong đó:
S1 - độ lún bản thân khối gia cố
S2 - độ lún của đất chưa gia cố, dưới mũi trụ
Độ lún của bản thân khối gia cố được tính theo công thức:
- Đối với trụ chống:
(2.15) - Đối với trụ treo:
(2.16)
Với: Trong đó:
q - tải trọng công trình truyền lên khối gia cố (kN); H - chiều sâu của khối gia cố (m)
a - tỷ số diện tích, a = (nAc / BL) n- tổng số trụ
Ac - diện tích tiết diện trụ B, L - Kích thước khối gia cố;
Ec- Mô đun đàn hồi của vật liệu trụ; Có thể lấy Ec = (50100)Cc trong đó Cc là sức kháng cắt của vật liệu trụ.
Es - Mô đun biến dạng của đất nền giữa các trụ (có thể lấy theo công thức thực nghiệm Es = 250Cu, với Cu là sức kháng cắt không thoát nước của đất nền).
q’ - Áp lực tác dụng lên lớp đất yếu không được gia cố dưới mũi trụ (đối với trụ treo).
h’ - Chiều dày lớp đất yếu không được gia cố dưới mũi trụ (kiểu trụ treo). cc - Chỉ số nén của lớp đất yếu dưới mũi trụ (kiểu trụ treo).
e0 - Hệ số rỗng tự nhiên của lớp đất yếu dưới mũi trụ (kiểu trụ treo). σ’0 - Áp lực địa tầng (hữu hiệu) (kPa).
Ghi chú: Các thông số Ec, Cc, Es, Cu xác định từ kết quả thí nghiệm mẫu hiện trường cho kết quả phù hợp thực tế hơn.
- Độ lún của đất chưa gia cố dưới mũi trụ S2:
Độ lún S2 được tính theo nguyên lý cộng lún từng lớp. Áp lực đất phụ thêm trong đất có thể tính theo lời giải cho bán không gian biến dạng tuyến tính (tra bảng) hoặc phân bố giảm dần theo chiều sâu với độ dốc (2:1) như (hình 2.11). Phạm vi vùng ảnh hưởng lún đến chiều sâu mà tại đó áp lực gây lún không vượt quá 10% áp lực đất tự nhiên. Theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 262:2000, độ lún S2 được tính như sau:
Hình 2.11Tính lún nền gia cố khi tải trọng tác dụng chưa vượt quá sức chịu tải cho phép của vật liệu trụ
2 1 0 lg / lg / 1 i i i i i i i i r pz vz c z vz pz i i h S c c e (2.17) Trong đó:
hi - Bề dày lớp đất tính lún thứ i dưới mũi trụ (m).
ei0 - Hệ số rỗng của lớp đất thứ i ở trạng thái tự nhiên ban đầu. ci r - Chỉ số nén lún của lớp đất thứ i trong phạm vi σi > σi pz ci c - Chỉ số nén lún của lớp đất thứ i trong phạm vi σi < σi pz σi vz; σi pz; σi
z - Áp lực do trọng lượng bản thân của các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i; áp lực tiền cố kết lớp i và áp lực do tải trọng đắp gây ra ở lớp thứ i (kPa).
Ghi chú: Để thiên về an toàn, tải trọng (q) tác dụng lên đáy khối gia cố xem như không thay đổi suốt chiều cao của khối.
- Tốc độ lún:
Trong công nghệ trộn khô, có thể tính thấm của trụ cao hơn đất xung quanh, trụ có tác dụng như băng thoát nước thẳng đứng. Tuy nhiên, tốc độ lún không chỉ quyết định bởi hiệu ứng thoát nước. Khi trụ gia cố và đất sét yếu xung quanh cùng làm việc, hiện tượng nổi trội chính là sự phân bố ứng suất trong hệ thống trụ đất theo thời gian. Ngay khi tác động, tải trọng được chịu bởi áp lực nước lỗ rỗng dư. Trụ tăng độ cứng theo thời gian, sẽ chịu dần tải trọng, giảm bớt tải trọng lên đất. Hệ quả là áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất yếu sẽ được giảm nhanh, thậm chí chưa có thấm hướng tâm. Phân bố lại ứng suất là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún. Do đó, nếu xem tính thấm của trụ chỉ bằng của đất thì quá trình cố kết vẫn nhanh hơn nhờ sự hiện diện của trụ. Trụ đất xi măng có vai trò làm tăng hệ số cố kết một chiều.
Trong công nghệ trộn ướt, tính thấm của trụ không cao hơn nền đất xung quanh. Nhưng nhờ phân bố lại ứng suất mà quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn.
2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp của viện kỹ thuật Châu Á (AIT)
Khả năng chịu tải giới hạn ngắn hạn của trụ đơn trong đất sét yếu được quyết định bởi sức kháng của đất sét yếu bao quanh (đất phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu trụ (trụ phá hoại), theo tài liệu của D.T. Bergado:
Qult.soil = (πdLcol + 2.25πd2)Cu.soil (2.18) Trong đó:
d- Đường kính trụ Lcol - Chiều dài trụ
Cu.soil- Độ bền kháng cắt không thoát nước trung bình của đất sét bao
quanh, được xác định bằng thí nghiệm ngoài trời như thí nghiệm cắt cánh hoặc thí nghiệm xuyên côn.
Khả năng chịu tải giới hạn ngắn ngày do trụ bị phá hoại ở độ sâu z, theo Bergado:
Qult.col = Acol (3.5Cu.col + Kbσh) (2.19) Trong đó:
Kb: hệ số áp lực bị động; Kb = 3 khi φult.col = 30o. Acol: Tiết diện ngang trụ
σh: Áp lực tổng theo phương ngang tác dụng ở tiết diện nguy hiểm 2.2.3.2 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ
Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm trụ xi măng đất được tính theo công thức:
Qult.group = 2Cu.soil.H (B + L) + k.Cu.soil.B.L (2.20) Trong đó:
B, L, H-chiều rộng, chiều dài và chiều cao của nhóm trụ xi măng đất. k - Hệ số an toàn phụ thuộc vào hình dạng móng
k = 6: khi móng hình chữ nhật. k = 9: khi móng hình vuông, tròn.
Hệ số an toàn trong tính toán thiết kế là 3 (theo D.T.Bergado).
+ Độ lún tổng cộng của một công trình đặt trên trụ đất ximăng được tính như miêu tả trong độ lún tổng cộng lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của khối gia cố S1 và độ lún cục bộ của đất không ổn định nằm ở dưới khối gia cố S2.
1 1 . (1 ) s col s soil q H S a E a E
+ Có 2 trường hợp được nghiên cứu khi tính độ lún tổng cộng. Trường hợp thứ nhất, tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và trụ chưa bị rão. Trong trường hợp thứ 2, tải trọng tác dụng tương đối cao và tải trọng dọc trục của trụ tương ứng với giới hạn rão.
- Trường hợp 1:
+ Độ lún cục bộ phần trụ đất xi măng S1 được xác định theo giả thiết độ tăng ứng suất q1 không đổi suốt chiều cao khối và tải trọng trong khối không giảm:
(2.21) Trong đó:
q1 - Áp lực tính lún truyền cho trụ (kPa). Ecol - Mô đun đàn hồi của trụ (kPa).
Esoil - Mô đun đàn hồi của đất xung quanh trụ (kPa). H - Chiều dài trụ gia cố (m).
as - Tỷ lệ gia cố
θ - Góc của đường tim đi qua 2 trụ với phương ngang Nếu trụ bố trí theo mạng hình chữ nhật: 2 1 2 . 1 . 4 . l l D as (2.22) Nếu trụ bố trí theo mạng tam giác:
sin . 1 . 4 . 2 1 2 l l D as (2.23)
+ Độ lún tổng cộng S2 được tính toán theo cách như với nền đất yếu chưa gia cố. Tải trọng tác dụng lên lớp đất chưa gia cố dưới đáy mũi trụ là toàn bộ tải trọng tính lún q2 (giả thiết tải trọng tác dụng không thay đổi trên suốt chiều sâu trụ).
] / ) lg( ) / lg( [ 1 ' ' ' ' ' 0 1 2 vo v p i c vo p i r i i n i c c e h S (2.24) Trong đó: hi - Bề dày lớp đất tính lún thứ i. D D Hình 2.12 Sơ đồ bố trí trụ đất ximăng
eoi - Hệ số rỗng của lớp đất i ở trạng thái tự nhiên ban đầu. Cri - Chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải.
Cci - Chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún.
σ’vo - Ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i.
Δσ’v - gia tăng ứng suất thẳng đứng. σ’p - ứng suất tiền cố kết.
Tỷ số giảm lún β là tỷ số giữa độ lún tổng cộng ở dưới đáy khối đã được gia cố với độ lún khi không có trụ vôi - xi măng và được tính theo quan hệ sau:
β = Esoil / [asEcol + (1 − as)Esoil] (2.25)
- Trường hợp 2:
Trong trường hợp này, tải trọng tác dụng quá lớn nên tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão. Tải trọng tác dụng được chia ra làm 2 phần, phần q1 truyền cho trụ và q2 truyền cho đất xung quanh. Phần q1 được quyết định bởi tải trọng rão của trụ và tính theo biểu thức sau:
q1 = n.Acol.σcreep / (B.L) (2.26) Giá trị q1 có thể xác định gần đúng như sau:
q1 = Acol.σcreep / c2 (2.2
Với c là khoảng cách các trụ; σcreep là ứng suất giới hạn từ biến Độ lún cục bộ phần trụ tính theo biểu thức: c E L q S 1. 1 (2.28) Trong đó:
L - Chiều dài trụ gia cố (m). Ec - Mô đun đàn hồi của trụ (kPa).
Độ lún tổng cộng S2 được tính toán theo cách thông thường như với nền đất yếu chưa gia cố. Tải trọng q1 truyền toàn bộ xuống dưới đáy khối gia cố, tải trọng q2
tác dụng từ trên mặt đất.
2.2.4 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn châu Âu
2.2.4.1 Kiểm tra điều kiện về cường độ
Rc = 2cuc+ 3σh (2.29) Trong đó:
cuc - Sức kháng cắt không thoát nước của trụ đất ximăng, phụ thuộc vào hàm lượng xi măng sử dụng (kPa).
σh - Giá trị ứng suất ngang tác dụng lên thành trụ (áp lực bị động) (kPa).
Tải trọng tác dụng vào trụ là tích số giữa giá trị tải trọng phân bổ trên 1m2 với giá trị “diện tích tương đương của 1 trụ”. Với giả thiết ứng suất tác dụng không giảm theo chiều sâu, chỉ số ứng suất tác dụng lên trụ được tính bằng tải trọng tác dụng vào trụ chia cho diện tích của một trụ. Chỉ số “diện tích tương đương của 1 trụ” được xác định bằng diện tích khu vực gia cố chia cho tổng số trụ.
Cường độ chịu tải của vật liệu trụ Rc với giá trị của cường độ của đất gia cố khoảng 50kg xi măng/m dài trụ. Hệ số an toàn là tỷ số của cường độ trụ và ứng suất