* Lựa chọn lý thuyết tính tốn
Các phương pháp tính tốn ổn định có thể phân thành hai loại: loại các phương pháp dựa trên cơ sở giả thiết trước hình dạng mặt trượt và loại các phương pháp dựa trên lý luận cần bằng giới hạn của đất. Đặc điểm các phương pháp thuộc loại thứ nhất là xuất phát từ các kết quả quan trắc lúc lâu dài các mái đất thực tế mà đưa ra một số giả thiết đơn giản hóa về hình dạng mặt trượt từ đó nêu lên phương pháp tính gần
28
đúng. Thuộc loại này có các phương pháp dạng gãy khúc, mặt trượt dạng đường xoắn logarit nhưng phương pháp mặt trượt dạng trụ tròn được áp dụng phổ biến hơn cả. Hiện nay, phương pháp này đang sử dụng tính tốn trong các quy trình quy phạm xử lý đất yếu hiện hành.
Theo quan trắc thực tế, mặt trượt của mái đất dính, đồng nhất, có dạng cong gần như mặt trụ tròn. Tại đỉnh mái, phương của mặt trượt gần như thẳng đứng, sau đó càng xuống phía dưới thì càng thoải dần và tại chân mái thì tiếp xúc với mặt nằm ngang. Bằng cách phân khối trượt giả định thành những mảnh nhỏ bằng những mặt phẳng đứng song, có thể dùng phương pháp mặt trượt trụ tròn để giải quyết nhiều trường hợp phức tạp của mái đất. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là xem khối đất bị phá hoại như một cố thể, giới hạn bởi mặt trượt và mái dốc, đồng thời xem trạng thái ứng xuất giới hạn như chỉ xảy ra trên mặt trượt mà thôi.
* Phương pháp phân mảnh cổ điển và phương pháp Bishop.
- Phương pháp phân mảnh cổ điển được tính theo sơ đồ dưới đây:
Hình 2. 1 Độ lún cố kết còn lại cho phép tại tim nền đường (*)
Hệ số ổn định Kj ứng với một mặt trượt có tâm Oj được xác định theo cơng thức sau:
29 1 1 ( . . / cos ) ( / ) .sin / n i i i i i j j n i i i i i c l Q tg F y R K Q W y R 1 1 1 . i i i j m tg tg K (2.1)
Trong đó các ký hiệu trong cơng thức được chỉ rõ trên hình vẽ. Chia khối trượt thành n mảnh, trong cơng thức trên là đang xét đến mảnh trượt thứ i. Đối với mỗi mặt trượt có tâm Oj thì yj sẽ thay đổi theo vị trí trọng tâm của mảnh trượt cịn y khơng đổi. Ci và i là lực dính đơn vị và góc ma sát trong của lớp đất chứa cung trượt li của mảnh trượt I (nếu cung li nằm trong vùng nền đắp thì dùng trị số lực dính và góc ma sát trong của đất đắp). Đối với vùng đất yếu, khi dùng kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường thì áp dụng i = 0 còn Ci được lấy bằng sức chống cắt tính tốn C’u.
- Khí tính tốn theo phương pháp Bishop thì hệ số ổn định Kj được tính sau:
(2.2)
Với
Khi tính tốn theo phương pháp Bishop phải tính lặp mị dần vì mj lại phụ thuộc vào Kj nên nếu sử dụng phương pháp Bishop thì buộc phải sử dụng các chương trình trên máy tính (ở đây sử dụng Geoslope) để tính.
* Những chú ý khi vận dụng phương pháp phân mảnh cổ điển và phương pháp Bishop
- Bề rộng mảnh trượt di không được vượt quá 2m và phải phân mảnh sao cho nhiều dài cung trượt trong phạm vi mỗi mảnh trượt li phải nằm trong vùn một lớp đất.
1 1 ( . .cos ) ( / ) .sin / n i i i i i j j n i i i i i c l Q tg F y R K Q W y R
30
Mỗi mảnh trượt bao gồm tất cả các lớp đất kể từ mặt trượt trở lên (có thể gồm cả tầng cát đệm, phần đắp chìm trong đất yếu, phần lớp đất không yếu, phần đắp phản áp, phần áp, phần đắp gia tải trước và phần chiều cao đắp tương ứng với trọng xe cộ quy đổi.
- Xác định bản thân mỗi mảnh Qi nhu sau: trong đó hk là chiều cao thứ I trong phạm vi mỗi lớp đất khác nhau có dung trọng thể tích khơ ók khác nhau (N là số lớp đất khác nhau trong phạm vi mảnh i). Đối với các lớp đất yếu nằm dưới mức nước ngầm thì trị số ók phải dùng trọng lượng thể tích đẩy nổi.
- Chú ý rằng đối với các mảnh trượt nằm trong phạm vi bề rộng của nền đường khi tính Qi phải kể đến thêm chiều cao quy đổi tải trọng xe cộ hx (được quy đổi theo các quy định hiện hành) và chiều cao đắp gia tải nếu có.
- Phải tính tốn với nhiều mặt trượt trịn khác nhau để xác định được mặt trượt nguy hiểm nhất và hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin. Trị số này dùng để đánh giá đối với các yêu cầu về độ ổn định trượt trồi nói ở phần 2.1.1 chương 2. Chú ý rằng phải vẽ được (xác định được) vị trí mặt trượt nguy hiểm nhất dự báo theo tính tốn để làm cơ sở cho việc thiết kế bố trí các giải pháp xử lý như bề rộng phản áp, chiều sâu bố trí các phương tiện thốt nước đứng hoặc để xác định vùng hoạt động khi tăng cường ổn định trượt bằng vải địa kỹ thuật. Trường hợp lớp đất yếu mỏng, mặt trượt có thể gồm các đoạn cung tròn kết hợp với một đoạn thẳng ở đáy lớp đất yếu (đặc biệt khi đấy có độ dốc trên 10%).
- Nếu khơng sử dụng Geoslope thì có thể tham khảo hướng dẫn dị tìm mặt trượt nguy hiểm nhất theo tiêu chuẩn 22TCN 262-2000.
- Khai áp dụng giải pháp đắp thành nhiều đợt thì trong q trình tính tốn phải quy đổi tải trọng thi cơng thành lớp đất tương đương căn cứ tình hình thực tế đồng thời hệ số Kmin yêu cầu = 1.4.
1 .
N
i i k k
31
i c ng tb
S S S S S II
- Khi tính tốn phải đặc biệt chú trọng số liệu đầu vào và sự thay đổi các giá trị trong từng giai đoạn tính tốn khi tiến hành đắp theo giai đoạn.
2.3. Các vấn đề về lún và viêc tính tốn lún đối với nền đường:
Thường tiến hành tính lún của nền đất yếu dưới nền đường đắp bằng cách xem độ lún có tính chất hai chiều và gồm 4 thành phần sau:
(2.3) Trong đó:
+ là độ lún cuối cùng.
+ Si là độ lún tức thời (khi dang thi công) xảy ra khơng thốt nước lỗ rỗng được xác định theo lý thuyết đàn hồi. Phương trình của thành phần độ lún này về nguyên tắc tương tự như biến dạng của một cột đất dưới tác dụng của tải trong trục. Trong tính tốn có thể cho phép lấy bằng (m – 1).Sc (2.4) với m là hệ số từ 1.1 đến 1.4; trường hợp có các biện pháp hạn chế đất yếu bị đẩy trồi ngang dưới tải trọng đắp (như có đắp phản áp hoặc rải vải địa kỹ thuật) thì sử dụng m = 1.1; ngồi ra chiều cao đắp càng lớn và đất càng yếu thì sử dụng trị số m càng lớn.
+ Sc là độ lún cố kết (hoặc cơ bản). Khi đất chịu tác dụng, nó bị nén lún do: ● Biến dạng của các hạt đất.
● Sự nén của khơng khí hoặc của nước trong lỗ rỗng. ● Nước và khơng khí thốt ra khỏi lỗ rỗng.
Hai thành phần đầu có thể bỏ qua, chỉ còn thành phần thứ ba. Khi nước và khơng khí bị ép ra khỏi lỗ rỗng, các hạt đất được xếp lại đến vị trí ổn định và kết quả là mặt đất bị lún. Quá trình này xảy ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào độ thấm của đất. Sự sắp xếp lại của các hạt đất và sự nén lún phụ thuộc vào độ cứng của cốt đất và vào kết cấu của đất.
32 c S mS 1 lg( / ) lg( ) ( .5) 1 i i n i i i i i z vz c i r pz vz c i i o pz H S C C II e
Khi đất sét chịu tải, d độ thấm tương đối thấp nên độ nén lúc của nó được kiểm tra bằng tốc độ nước thoát khỏi lỗ rỗng. Sự biến dạng có thể xảy ra trong thời gian rất lâu. Đây là chỗ khác nhau cơ bản và duy nhất giữa sự nén chặt các vật liệu rời và sự cố kết của đất dính; sự nén chặt của cát xảy ra tức thời còn sự cố kết là cả một quá trình phụ thuộc vào thời gian.
+ Sng là độ lún do chuyển vị ngang của đất dưới nền đắp. Do Sng nhỏ so với Sc nên trong tính tốn có thể bỏ qua.
+ Stb là độ lún từ biến (nén thứ cấp) tương ứng với sự tiếp tục biến dạng sau khi áp lực nước rỗng biến mất. Do Stb nhỏ so với Sc nên trong tính tốn có thể bỏ qua.
Vậy có thể tính gần đúng: (2.4)
* Tính tốn độ lún cố kết
Biến dạng của đất là một hiện tượng cơ học rất phức tạp. Hiện nay có rất nhiều lý thuyết khác nhay để tính lún nhưng có thể tổng kết lại trong 4 lý thuyết: lý thuyết biến dạng đàn hồi cục bộ, lý thuyết tổng biến dạng đàn hồi, lý thuyết tổng quát và lý thuyết nền biến dạng tuyến tính. Tất cả các lý thuyết trên trong thực tế đều được áp dụng trong từng lĩnh vực riêng biệt, nhưng không phải tất cả đều được dùng phổ biến mà hiện nay chỉ có lý thuyết nền biến dạng tuyến tính. Tất cả các lý thuyết trên thực tế đầu được áp dụng trong từng lĩnh vực riêng biệt, nhưng không phải tất cả đều được dủng phổ biến mà hiện nay chỉ có lý thuyết nền biến dạng tuyến tính là được dùng rộng rãi hơn cả phương pháp phân tầng cộng lún. Công thức tính độ lún cố kết là:
(2.5) Trong đó:
Hi là bề dày lớp đất tính lún thứ i (phân thành n lớp có các đặc trưng biến dạng khác nhau), i từ 1 đến n, Hi 2m.
33 1 lg( ) 1 i i n i i z vz c i c i i o pz H S C e
là hệ số rỗng của lớp đất thứ I ở trạng thái tự nhiên ban đầu (chưa đắp nền bên trên).
là hệ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún (biểu diễn dưới dạng e ~ log(σ) trong phạm vi σi > σipz của lớp đất thứ i).
Cir là chỉ số nén lún hay đường cong nén lún nói trên trong phạm vi σi < (còn gọi là chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình giỡ tải)
, , là áp lực (ứng suất nén thẳng đứng) do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp I, áp lực tiền cố kết ở lớp I và áp lực do trọng lượng đắp gậy ra ở lớp I (xác định các trị số này ở độ sâu z ở chính giữa lớp đất yếu i).
Các giá , , được xác định thơng qua thì nghiệm nén lún khơng nở hơng đối với các mậu nguyên dạng đại diện cho lớp đất yếu i.
Chú ý:
- Khi đất ở trạng thái chưa cố kết xong dưới tác dụng của trọng lượng bản thân, > , và khi đất ở trạng thái cố kết bình thường = thì cơng thức trên chỉ cịn một số hạnh sau (khơng tồn tại số hạng có mặt ),
- Khi đất ở trạng thái quá cố kết, < , thì độ lún cố kết Sc trong cơng thức (2.5) sẽ có 2 tác dụng:
+ Nếu + > thì áp dụng cơng thức (2.5) với cả hai số hạng.
+ Nếu + < thì áp dụng cơng thức sau:
(2.6)
Trên cơ sở độ lún cố kết tính được ta có thể tính ra độ lún tức thời và độ lún tổng cộng theo (2.3) và (2.4). i o e i c C
34
* Trình tự tính tốn lún của nền đắp trên đất u.
Để tính độ lún tổng cộng theo cơng thức (2.4) thì phải tính được độ lún cố kết Sc theo các công thức trên tức là phải xác định được các thơng số và trọ số tính tốn nói trên trong đó trị số phụ thuộc vào tải trọng đắp, tải trọng này bao gồm cả phần đắp lún vào trong đất yếu S. Vì lúc đầu chưa biết S nên q trình tính lún là q trình lặp thử dần theo trình từ:
+ Giả thiết độ lún tổng cộng Sgt (thường là Sgt = 5-10% bề dày đất yếu hoặc chiều sâu vùng đất yếu chịu lún za; nếu là than bùn lún nhiều thì có thể giả thiết Sgt = 20- 30% bề dày nói trên).
+ Tính tốn phân bố ứng suất theo toán đồ Osterberg với chiều cao nền đắp thiết kế có dự phịng lún H’tk = Htk + Sgt (Htk là chiều cao nền đắp thiết kế, nếu đắp trực tiếp thì kể từ mặt đất thiên nhiên khi chưa đắp đến mép vai đường; nếu có đào bớt đất yếu thì kể từ cao độ mặt đất yếu sai khi đào).
+ Với tải trọng đắp H’tk tính tốn độ lún cố kết Sc theo các cơng thức nói trên tùy từng trường hợp.
+ Nếu Sc tính được thõa mãn điều kiện (2.4) tức là Sc= S/m thì chấp nhận kết quả và như vậy đồng thời xác định được Sc= S = Sgt; nếu không thỏa mãn điều kiện nói trên thì phải giả thiết lại S và lặp lại q trình tính tốn.
* Chiều cao đắp thiết kế có dự phịng lún: H’tk H’tk = Htk + S.
Như vậy cao độ nền đắp trên đất yếu phải thiết kế cao thêm một trị số S để dự phòng lún. Bề rộng nền đắp tại cao độ ứng với chiều cao H’tk phải bằng bề rộng nền đường.
35
Để xét đến ảnh hưởng của thời gian thi công đắp kéo dài trong một thời hạn nhất định chứ không phải đắp đột ngột xong ngay đối với diễn biến lún của nền đắp yếu có thể dùng cách suy diễn đơn giản như hình vẽ dưới đây giả thiết tải trọng đắp tang tuyến tính.
Hình 2. 2: Diễn biến lún theo thời gian có xét đến thời gian thi cơng
+ Trước hết vẽ đường cong lún cố kết theo thời gian St=St .U với trường hợp tải trọng đắp tác dụng ngay một lúc (đường cong chấm gạch, đường 2 trong hình vẽ).
+ Độ lún ở cuối kỳ thi công (ở thời điểm tc, lúc đắp xong) được xác định bằng độ lún của đường 2 ở thời điểm đắp được một nửa tc / 2. Trên hình vẽ từ điểm này gióng xuống gặp đường cong 2 ở điểm H, từ H gióng ngang gặp đường gióng thẳng đứng tc ở E.
+ Tương tự, độ lún ở thời điểm t được xác định xuất phát từ điểm K (lún ở thời điểm t/2 của đường cong 2) gióng ngang được N, nối ON cắt đường gióng thẳng đứng
36
từ t ở M. Kết quả là vẽ được đường cong dự báo lún có xét đến thời gian thi công đắp nền đường (đường cong 1 qua OME trên hình vẽ).
2.4. Cơ sở lý thuyết của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp ổn định toàn khối. ổn định toàn khối.
2.4.1. Các kỹ thuật gia cố
Kỹ thuật gia cố toàn khối có thể được chia thành hai nhóm như sau: 1. Gia cố tại chỗ, “in situ”.
2. Gia cố đất đào/trầm tích ngồi cơng trường “ex situ”, có thể gọi là gia cố tại trạm. Các hình vẽ từ 2.3 đến 3.6 trình bày một số ứng dụng của biện pháp gia cố toàn khối với phương pháp gia cố tại chỗ và gia cố tại trạm.
1a) Gia cố toàn khối để tăng cường độ cho nền đất dưới cơng trình, như nền đường hoặc sân bãi với mục đích hạn chế độ lún, nâng cao ổn định (Hình 2.3a).
1b) Xử lý đất yếu xung quanh các đường ống. Việc xây dựng và khai thác các đường ống (đặc biệt là đường ống dẫn chất lỏng, có kích thước lớn, hạ ngầm) qua vùng đất yếu ln gặp nhiều khó khăn. Khi đào mương đặt ống, phải tốn chi phí để giữ vách, xử lý đất đào ra. Khi khai thác, đường ống ln có nguy cơ bị lún, lún lệch, gây đứt gẫy, biến dạng, ngày cả khi gối đỡ đã được xây dựng kiên cố. Các hạn chế này có thể được khắc phục tốt nếu áp dụng biện pháp gia cố để xử lý đất ở khu vực đặt ống trước khi thi cơng. (Hình 2.3b).
1c) Xử lý đất thừa có chất lượng thấp khi thi cơng nền đào. Khi thi công nền đào nằm trong khu vực đất yếu, xuất hiện nguy cơ ảnh hưởng tới cơng trình xung quanh do sạt lở đất; đất đào ra gặp khó khăn khi vận chuyển, khơng có khả năng