Đối với nền đường chất lượng xây dựng được thể hiện qua sự ổn định của nền đường trong thi công và khai thác, sự bảo đảm sức chịu tải của nền dưới tác dụng của tải trọng. Đối với các tuyến đường giao thông quân sự thì đa phần xây dựng ở các địa hình khó khăn và chịu nhiều bất lợi của khí hậu, thời tiết do vậy sự ổn định của nền đường là vô cùng quan trọng.
2.1.1 Sức chịu tải của nền đất:
Đất là vật liệu đàn - nhớt - dẻo, biến dạng của nó không tỷ lệ tuyến tính với tải trọng, vì vậy:
- Tất cả các tính toán của nền đất dựa trên cơ sở lý thuyết vật thể đàn hồi tuyến tính (vì đến nay cơ sở lý thuyết vật thể đàn hồi phi tuyến còn chưa được hoàn hảo).
- Giá trị các thông số thể hiện tính chất biến dạng của nền đất được chọn tương ứng với các giá trị quan sát được và đo đạc được.
Sức chịu tải của nền đất là sức kháng của nền đất với tải trọng bên ngoài hay nói cách khác là khả năng chịu tải trọng của nền đất, dưới tác dụng của tải trọng đó nền đất vẫn an toàn và ổn định về mặt chống phá hoại cắt. Về mặt trực quan cho thấy, trong quá trình khai thác sử dụng mặt đường vẫn duy trì được độ bằng phẳng theo yêu cầu.
Sức chịu tải của nền đất được đặc trưng bởi mô đun đàn hồi và mô đun biến dạng của nền đất. Khi xác định mô đun đàn hồi chỉ tính phần biến dạng
phục hồi sau dỡ tải, còn mô đun biến dạng thì lấy tổng biến dạng. Mô đun đàn hồi của mỗi loại đất ứng với mỗi độ ẩm có giá trị thực tế gần như không đổi còn mô đun biến dạng thay đổi tùy theo các giá trị chất tải khác nhau trên bàn nén.
Khi chất tải nền đất, không tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa áp lực và giá trị biến dạng đầy đủ. Nền đất có vai trò rất quan trọng trong khả năng chịu tải trọng của cả hệ nền - mặt đường. Độ bền và tuổi thọ của mặt đường phụ thuộc chủ yếu vào sức chịu tải của nền đường. Vì vậy, tính toán để lợi dụng được đầy đủ khả năng chịu tải của đất nền là một trong những vấn đề hết sức cần thiết.
Đánh giá sức chịu tải của nền đất thực chất là xác định giá trị của mô đun đàn hồi và mô đun biến dạng so với các giá trị cho phép.
- Trên phương diện lý thuyết, nếu ở một độ sâu nào đó của nền đất có ứng suất nén σ và gây ra biến dạng đàn hồi δđh và biến dạng dẻo δdeo đối với một lớp mỏng có chiều dày h, ta có:
L1
Hình 2.1 Sự phụ thuộc giữa cấp tải trọng và biến dạng tương đối của nền đất khi chất tải nền đất bằng bàn nén
+ Mô đun biến dạng: , (trong đó: δ = δđh + δdeo) (2.2) trong đó:
E - Mô đun đàn hồi, daN/cm2;
σ - Ứng suất nén, kG/cm2;
h - Chiều dày lớp móng, cm;
δđh - Biến dạng đàn hồi của đất, cm;
δdeo - Biến dạng dẻo của đất, cm.
- Thực tế, mô đun đàn hồi và mô đun biến dạng được xác định bằng cách dùng bàn nén đất. Tổng các biến dạng của khối đất do ứng suất nén gây ra (tắt
dần theo chiều sâu) cho ta mối quan hệ:
(2.3)
hoặc từ công thức của lý thuyết đàn hồi: (2.4)
ta suy ra: (2.5)
trong đó:
p - Áp lực phân bố đều trên các bàn nén, kG/cm2;
D - Đường kính bàn nén, cm;
Δ - Biến dạng của đất, cm;
η - Hệ số poisson;
ω - Hệ số phụ thuộc vào độ cứng và hình dáng của bàn nén (đối với hình tròn thì ω = 1);
w - Độ lún đo được của nền đất, cm.
2.1.2 Ổn định của nền đường
Nền đường phải là nền tảng vững chắc của phần xe chạy và đảm bảo duy trì các yếu tố hình học của đường trong suốt quá trình khai thác sử dụng đúng
định toàn khối, có nghĩa là nền đường không bị biến dạng hay chuyển dịch so với vị trí ban đầu. Cụ thể là kích thước hình học luôn đảm bảo hình dáng, kích thước và cao độ theo yêu cầu.
2.1.3 Các nguyên nhân chính hình thành hiện tượng lún, sụt gây mất ổn định nền đường
Hiện tượng lún, sụt đất đá gây mất ổn định nền đường chỉ có thể xảy ra khi hội tụ đủ các điều kiện bất lợi về địa chất, địa hình v.v. Có thể trực tiếp hay gián tiếp nhưng chủ yếu xuất phát từ các nguyên nhân sau:
- Đặc điểm kiến tạo của địa chất công trình:
+ Trong thực tế thường thấy đá nguyên khối của các loại macma (granit), trầm tích (đá vôi, đá kết tầng dầy) v.v. thì ngay cả trong mùa mưa lũ hiện tượng sụt trượt rất ít xuất hiện. Nhưng nếu là các loại đá phiến sét màu đen, đá phiến xêrisit, sét kết màu nâu, gan trâu thì ở đấy hiện tượng sạt lở, mất ổn định phát sinh trầm trọng.
+ Những nơi có lớp đất phong hóa dầy, thành phần chủ yếu là dăm sạn sắc cạnh, kích thước không đồng đều thường dẹt, dài và xen lẫn đất sét thì cũng thường xuyên hình thành sụt trượt, mất ổn định.
- Đặc điểm về địa hình, địa mạo:
+ Khi mức độ phân cách địa hình mạnh (khe xói nhiều, độ dốc lớn) thì số lượng và khối lượng sụt càng nhiều.
+ Những vùng đồi núi cấu tạo từ đá gốc có thành phần thạch học và cấu trúc đồng nhất như granit, rhyolit, badan v.v. thì sườn dốc tương đối phẳng, địa hình ít bị chia cắt. Do vậy, loại địa hình này thường ít bị sụt hoặc nếu có thì ở dạng trượt sâu hoặc đất đá đổ là chính.
+ Nếu sườn núi là đất đá không đồng nhất về thành phần và cấu trúc như trầm tích, cát kết kẹp sét hoặc sét kết lẫn diệp thạch, vôi sét hoặc đá vôi tầng mỏng thì mặt địa hình gồ ghề, nhiều khe xói với dạng địa hình ”chân chim” và
dạng cơ bản phát triển với mức độ mạnh. Nếu như độ phân cách càng mạnh, độ dốc càng lớn thì khối lượng đất sụt càng nhiều.
- Điều kiện khí hậu: Trong thực tế tồn tại mối quan hệ rất chặt chẽ giữa lượng mưa, các dạng xuất hiện của nước đối với mức độ sụt trượt của taluy nền đường.
+ Nước mặt: Mật độ phân bố dòng chảy, sông suối trên lãnh thổ Việt Nam khá lớn, vì vậy vào mùa mưa dòng nước lớn, gây nên sự phá hủy sườn dốc và làm xói mòn đất đá ở 2 bên sông suối và chân dốc, cuối cùng cả khối núi mất ổn định. Hiện tượng này xảy ra thường xuyên và mãnh liệt, nhất là vào mùa mưa lũ.
+ Nước mưa: Nước mưa không những là nguồn cung cấp cho nước mặt, mà còn tạo thành những dòng chảy trên bề mặt địa hình, làm bào mòn, cuốn trôi đất đá, những sản vật phong hóa và cả những mảng núi lớn. Kết quả là tạo nên hiện tượng xói sụt và sụt trượt hoặc hình thành những mương xói, rãnh xói sau đó là sụt trượt lớn hoặc lún nền. Ngoài ra, nước mưa còn là nguồn cung cấp cho nước ngầm nhất là những nới có hệ số thấm lớn.
+ Nước ngầm: Ngoài biểu hiện làm biến đổi lâu dài độ bền của đất đá theo một cơ chế giống như quá trình phong hóa vỏ trái đất, nước ngầm ở thời điểm bất lợi có tác dụng: Làm tăng trọng lượng thể tích của khối đất đá, làm giảm sức kháng cắt, tạo áp lực thủy động, gây xói ngầm. Những yếu tố lực học và địa chất này làm góp phần tăng thêm lực Mômen trượt và làm thay đổi điều kiện cân bằng giới hạn của khối đất.
- Sự tác động của con người: Đây là nguyên nhân chủ quan nhưng lại là rất trầm trọng và biểu hiện rừ rệt, cụ thể:
+ Đào, phá vách núi để làm nền đường với độ dốc không hợp lý và không xét đến các yếu tố có ảnh hưởng đến độ bền và độ ổn định của khối đất đá.
+ Dùng mìn quá tiêu chuẩn để phá nổ, gây chấn động làm phá vớ kết cấu nguyên dạng của đất đá.
+ Hiện tượng đốt rẫy bừa bãi để canh tác, nạn phá rừng v.v. làm thay đổi chế độ nước mặt, nước ngầm. Đây là nguyên nhân gây tác động trực tiếp và lâu dài đến sự gắn kết các lớp đất đá.
- Do tác dụng của tải trọng xe chạy.
- Do tác dụng của tải trọng bản thân nền đường khi nền đường đắp quá cao hoặc đào quá sâu, ta luy quá dốc...
- Do thi công không đảm bảo chất lượng: Đắp không đúng quy cách, loại đất đắp, lu lèn không chặt ...
Ngoài những nguyên nhân trên, các hoạt động tân kiến tạo, động đất và thay đổi hệ thống môi sinh cũng dẫn đến sự phát sinh, phát triển của các hiện tượng sụt trượt, trồi lún làm mất ổn định nền đường.
2.1.4. Các dạng mất ổn định nền đường thường xảy ra:
Nền đường xảy ra mất ổn định chủ yếu xuất phát từ sụt trượt mái taluy hoặc lún sụt các lớp kết cấu trong nền đường do không đảm bảo được sức chịu tải cần thiết (Hình 2.2).
Về mặt tổng quan, có thể nhìn nhận hiện tượng lún sụt đất đá gây mất ổn định nền đường theo một số cách phân loại như sau:
+ Phân loại theo các nhà nghiên cứu của Thụy Điển (1917 - 1955) + Phân loại theo N.V. Rodionov (1939)
+ Phân loại theo I.V Popov (1946)
+ Phân loại theo Ban nghiên cứu đường của Mỹ (1958) + Phân loại theo N.N Maxlov (1955)
+ Phân loại theo G.X. Zolotarev (1956) + Phân loại theo D. J. Varnes (1958 và 1962)
+ Phân loại theo đề nghị của Hội nghị về vấn đề nghiên cứu trượt và các biện pháp chống trượt (1964)
+ Phân loại theo G.L. Fixenko (1965) + Phân loại theo E.P.Emelianova (1972)
+ Phân loại theo A. Nemcok, J. Pasek và J. Rybar + Phân loại theo Hồ Chất và Doãn Minh Tâm
Hình 2.2 Các dạng mất ổn định nền đường thường xảy ra 2.1.5. Cơ sở đảm bảo ổn định cho nền đường
Đảm bảo ổn định nền đường đồng nghĩa với việc ngăn chặn những yếu tố phá hoại, gây mất ổn định cho nền đường để nền đường không bị biến dạng hay chuyển dịch so với vị trí ban đầu. Nền đường bị biến dạng, chuyển dịch hay bị phá hoại đều xuất phát từ các ứng suất tiếp do tải trọng sinh ra vượt quá sức chống trượt của đất trong một phạm vi thể tích khá lớn, biểu hiện bằng sự trồi đất lên bề mặt tại những vị trí khác nhau, hiện tượng lún sụt nền đường hay sạt trượt mái taluy v.v.
Để đảm bảo ổn định cho nền đường ta phải xác định giá trị áp lực tới hạn của khối đất trên cơ sở tổng lực trượt không vượt quá sức kháng trượt.
Tính toán ổn định của khối đất được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn hoặc lý thuyết cân bằng giới hạn thuần túy, cả hai phương pháp đều theo cách thử dần để tìm ra hệ số ổn định nhỏ nhất, tương ứng với nó là mặt trượt hiểm nhất.
- Lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn là nghiên cứu dựa trên quan trắc lâu dài các mặt trượt của mái dốc trong thực tế, khi tính toán giả thiết trước hình dạng mặt trượt theo các quan niệm đơn giản hóa và xem khối trượt như một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn và hệ số ổn định của một cố thể nào đó là tỷ số giữa tổng các mômen chống trượt và mômen gây trượt đối với cố thể đó.
- Lý thuyết cân bằng giới hạn thuần túy là giả thiết tại mỗi điểm trong khối đất đắp đều thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn, việc một điểm bị mất ổn định là do sự xuất hiện biến dạng trượt tại điểm đó, còn mái đất mất ổn định là do sự phát triển của biến dạng trượt trong một vùng rộng lớn giới hạn của khối đất đắp.
2.1.6. Tính toán ổn định cho nền đường 2.1.6.1. Tính toán ổn định trượt của mái dốc
Dưới tác dụng của lực trọng trường thì bất kỳ khối đất nào có một mặt bên là mái dốc đều có xu hướng chuyển dịch về phía dưới và về phía mái dốc.
Khi có tải trọng tác dụng trên mặt khối đất cũng như khi có tác dụng của các quá trình địa chấn và của dòng nước ngầm thấm trong đất dốc hướng về phía mái dốc thì các nội lực gây trượt càng tăng lên. Nếu sức chống trượt của đất lớn hơn tất cả các nội lực gây trượt đó thì mái dốc sẽ ổn định, nếu sức chống trượt và nội lực gây trượt bằng nhau thì sẽ xảy ra sự cân bằng giới hạn. Trong trường hợp ngược lại thì khối đất sẽ bị phá hoại và sự trượt lở sẽ xảy ra.
Mái đất càng thoải thì độ ổn định càng lớn nhưng như vậy thì khối lượng công tác đất lại càng tăng thêm. Vì thế cần phải tính toán xác định mái dốc sao cho hiệu quả nhất.
Nội dung tính toán ổn định trượt của khối đất như sau:
- Tổng hợp các số liệu đầu vào:
+ Xác định vị trí, phạm vi mái dốc cần tính toán.
+ Các chỉ tiêu cơ lý của đất đá: độ ẩm tự nhiên, khối lượng thể tích, khối lượng riêng, hệ số rỗng, lực dính kết, góc ma sát trong ...
- Xác định mặt trượt và tâm quay:
a) Theo lý thuyết cân bằng giới hạn của khối rắn:
Hình 2.3 Mô hình cung trượt của khối đất
Giả thiết mặt trượt dạng hình trụ tròn (thực tế còn có mặt trượt dạng mặt phẳng gãy khúc thích hợp cho mái dốc gồm nhiều lớp đất có tính chất cơ lý khác nhau, nền có lớp đất yếu hoặc mái đất tựa trên mặt đá gốc), khối trượt như một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn.
Xét cố thể ABC (Hình 2.3) với mặt trượt hình trụ tròn, ta có:
(2.6) trong đó:
η - hệ số ổn định;
R - bán kính cung trượt, m;
S - cường độ chống cắt trung bình của đất trên cung trượt;
L - độ dài cung trượt, m;
( với α là góc chắn cung L)
γ - trọng lượng đơn vị trung bình của khối đất trượt, kg/cm3;
A - diện tích mặt cắt ABC của khối đất trượt, m2;
d - khoảng cách từ phương lực W đến tâm trượt, m.
b) Phương pháp phân mảnh:
- Trên cơ sở mái đất đồng nhất, giả thiết một mặt trượt hình trụ tròn, khối đất trượt là một cố thể và trạng thái ứng suất giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt.
Sau đó, dùng các mặt đứng song song chia lăng thể trượt thành n mảnh có bề rộng b (Hình 2.4).
Hình 2.4 Xác định mặt trượt theo phương pháp phân mảnh - Trọng lượng bản thân của mảnh thứ i:
Wi = γhibi (2.7)
trong đó:
Wi - tổng trọng lượng đất trong mảnh thứ i, kg/cm3;
bi - chiều rộng mảnh thứ i, m;
hi - chiều cao mảnh thứ i, m;
γ - trọng lượng đơn vị của đất, kg/cm3.
- Chuyển điểm đặt Wi đến điểm nằm trên mặt trượt của mảnh, phân tích thành Ni vuông góc với mặt trượt và Ti tiếp tuyến với mặt trượt, ta có:
+ Ni = Wicosαi
+ Ti = Wisinαi (αi - góc tạo bởi đường thẳng đứng đi qua tâm trượt O và đường thẳng nối O với điểm đặt của lực Wi).
+ Ni gây lực ma sát lên mặt trượt với giá trị là Nitgφ (φ - góc ma sát trong của đất).
+ Ti - lực chống trượt hay lực gây trượt tùy theo vị trí mảnh thứ i.
+ Lực dính Ci có tác dụng chống trượt.
+ Áp lực tác dụng lên hai mặt bên thẳng đứng của mảnh đất chính là nội
tác dụng lên hai mặt bên của mảnh bằng nhau và ngược chiều, do vậy các áp lực này không ảnh hưởng gì đến sự trượt của mảnh đất.
- Hệ số ổn định trượt của mái đất: (2.8)
- Với mái đất không đồng nhất, hệ số ổn định trượt của mái đất:
(2.9) trong đó:
Wi - tổng trọng lượng của các lớp đất trong mảnh thứ i, kg/cm3;
ci và φi tương ứng là lực dính, góc ma sát trong của đất tại mặt trượt của mảnh thứ i;
li - độ dài cung trượt trong phạm vi mảnh thứ i, m.
* Phương pháp của Goldstein:
Hình 2.5 Mô hình cung trượt của Goldstein
Hình 2.6 Xác định mặt trượt theo phương pháp của Goldstein
Theo Goldstein, hệ số ổn định trượt của mái đất:
(2.10) trong đó:
A, B - hệ số phụ thuộc vào kích thước của lăng thể trượt;
F = tgφ - hệ số ma sát trong của đất;
c - cường độ lực dính của đất;
H - chiều cao mái đất, m.
c) Theo lý thuyết cân bằng giới hạn thuần túy:
Giả thiết tại mỗi điểm trong khối đất đắp đều thỏa mãn điều kiện cân bằng giới hạn, việc một điểm bị mất ổn định là do sự xuất hiện biến dạng trượt tại điểm đó, còn mái đất mất ổn định là do sự phát triển của biến dạng trượt trong một vùng rộng lớn của khối đất đắp.
Hình 2.7 Biểu đồ xác định dạng mặt trượt nguy hiểm theo lý thuyết cân bằng giới hạn thuần túy
Giải phương trình vi phân cân bằng giới hạn ta sẽ xác định được dạng mặt cong dốc nhất của một mái đất.
Kết quả phản ánh dưới dạng đồ thị (Hình 2.7). Trên đồ thị đó, tọa độ các
điểm trên mặt mái được cho theo trị số không thứ nguyên: và , với x và z là độ dài thực tế của hoành độ và tung độ các điểm.
Như vậy, với các hệ số lực dính c và góc ma sát trong φ của đất đã biết, dùng đồ thị ta có thể xác định được dạng mặt cong mái đất ổn định giới hạn.
d) Một số cách xác định cung trượt theo đặc thù của khối đất: