4.1 Xử lý nền đất yếu công trình đường
4.1.4 Tính toán thiết kế
Trạng thái giới hạn I (TTGH cường độ): Kiểm tra các sức chịu tải của cột đơn, sức chịu tải của nhóm cột. Kiểm tra ổn định trượt sâu nền hỗn hợp ( ổn định mái taluy).
Trạng thái giới hạn II (TTGH sử dụng): Kiểm tra điều kiện biến dạng của nền hỗn hợp
4.1.4.1.Tổ hợp tải trọng a. Tải trọng tính lún Gồm lớp đất đắp thiết kế tính tới đỉnh cột đất (htk):
Pgl = htk * γ
đđ
Pgl = 3m x 18 KN/m3 = 54 KN/m2 Trong đó:
Pgl : ứng suất do tải trọng gây lún tác dụng lên mặt phẳng đỉnh cột đất htk: chiều cao đất đắp
γ
đđ :Dung trọng của đất đắp , γ
đđ= 18 KN/m3 = 1.8T/ m3 b. Tải trọng kiểm toán sức chịu tải [13][14]
Tải trọng kiểm toán sức chịu tải gồm tải trọng thường xuyên và hoạt tải khai thác
- Tải trọng thường xuyên : tải trọng tính lún - Hoạt tải khai thác:
Đường gồm 6 làn xe, hoạt tải tiêu chuẩn HL93, trọng lượng 1 xe 3 cột P = 32.5 T, chiều dài xe theo phương dọc l = 8.6 m
= ∗
∗
= ∗ .
∗ . = 0.945 / Trong đó:
Pht : tải trọng tương đương do hoạt tải phân bố trên mặt đường n: Số xe tối đa xếp trên bề rộng nền đường, n = 6 xe
G: trọng lượng 1 xe, G = 32.5 tấn (xe HL93) L: phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc, l = 8.6 m Bm : Chiều rộng mặt đường, Bm= 24 m
c. Tính sức chịu tải của cột đất gia cố, của nền hỗn hợp - Kiểm toán sức chịu tải của cột đơn.
+ Kiểm toán theo vật liệu cột Cường độ chịu tải giới hạn của cột đất gia cố:
col creep
= 0.9colfailure vcol
col failure
= 2 Su + 3,h
'h = ,vo+0.5 v
Bảng 4.4 Kiểm toán theo vật liệu cột
Vị trí Tham số Kết quả Đơn vị
Đầu cột
'h = ,vo+0.5 v 2.7 KN/m2
col failure
= 2 Su + 3,h 79.5 KN/m2
col creep
= 0.9colfailure vcol 75.3 KN/m
2
vcol 43.0 KN/m
2
Giữa cột
h = ,vo+0.5 v 4.1 KN/m2
col failure
= 2 Su + 3,h 83.7 KN/m2
col creep
= 0.9colfailure vcol 75.3 KN/m
2
vcol 43.0 KN/m
2
Đáy cột
h = ,vo+0.5 v 5.5 KN/m2
col failure
= 2 Su + 3,h 87.9 KN/m2
col creep
= 0.9colfailure vcol 79.1 KN/m2
vcol 43.0 KN/m
2
Trong đó:
col creep
- Cường độ chịu tải trọng dài hạn của cột đất gia cố
col failure
- Cường độ giới hạn của cột đất gia cố
Su Cường độ kháng cắt không thoát nước
,h Ứng suất hữu hiệu theo phương ngang (áp lực hông)
,vo - ứng suất hữu hiệu theo phương đứng giữa cột và đất nền
v- ứng suất do tải trọng chất lên đầu cột
vcol - ứng suất do tải trọng dài hạn trên thân cột
+ Kiểm toán theo đất nền
Kiểm toán theo điều kiện đất nền được thực hiện theo phương pháp hệ số tải trọng.
Điều kiện: FS = Qcol / Pac 2.0 Sức chịu tải của cột đất theo điều kiện đất nền:
Qcol = (π*D*Lc + 2.25*π*D2)*Su
Bảng 4.5 Kết quả sức chịu tải của cọc đơn theo điều kiện đất nền
Su
(T/m2) Lc (m) D (m) Qcol
(T/c)
Pc
(T/c) Fs kiểm
tra Fs 2.16 5 0.6 25.85 12.15 2.9 Thỏa
Trong đó:
FS- Hệ số an toàn.
Qcol-Sức chịu tải danh định của cột đơn.
Pac- Tải trọng tính toán của một cột đơn bao gồm cả hoạt tải.
D- Đường kính cột.
Lc- Chiều dài cột.
Su- Sức kháng cắt không thoát nước của đất nền.
+ Kiểm toán sức chịu tải của nhóm cột
Kiểm toán theo điều kiện đất nền được thực hiện theo phương pháp hệ số tải trọng.
Điều kiện: FS = Qgroup / Pgroup 2.0 Sức chịu tải của nhóm cột được tính theo công thức của Brom-2001:
Qgroup = 2*Su*Lc*(B+L) + np * Su*B*L Tải trọng tính toán :
Pgroup= (Pgl + Pht)*B*h Tính toán tổng hợp : Bảng 4.6 Kết quả sức chịu tải của nhóm cột cọc theo điều kiện đất nền
Su (T/m2) Lc (m) B (m) L (m)
Qgroup
(T)
Pgroup
(T) Fs
Kiểm tra Fs
2.16 5 24 30 10497.6 3888 2.7 Thỏa
Trong đó : Qgroup- Sức chịu tải danh định của nhóm cột.
Pgroup- Tải trọng tính toán của nhóm cột.
L - Chiều dài của nhóm cột trên mặt bằng, lấy l= 30m ứng với đoạn chia nhỏ nhất.
B - Bề rộng nhóm cột.
Lc - Chiều dài cột.
Su- Sức kháng cắt không thoát nước của đất nền.
np- Hệ số liên quan tới hình dạng móng, np= 6÷9. Trường hợp móng băng, np=6.
Pgl, Pht- Các trị số ứng suất do tải trọng gây lún và hoạt tải tác dụng trên mặt phẳng đỉnh cột đất.
4.1.4.2.Tính độ lún Tính lún cho phạm vi nền được xử lý và phần nền không xử lý
- Tính lún cho phạm vi nền được xử lý Độ lún tổng (S) của nền đất yếu được xử lý bằng cột đất vôi – xi măng được xác định như sau:
S = S1+S2
Trong đó: S1: độ lún của khối đất được gia cố
S2: Độ lún của đất nền tự nhiên dưới mũi cột đất gia cố Độ lún của khối gia cố:
=
Chiều dài nền đường B = 24m; Chiều rộng nền đường Ln=30m
Bảng 4.7 Tính lún của của khối đất được gia cố
Lớp đất
hi zi γ p
I
gl bt
gl/bt
Ei Si
(m) trung bình kN/m3 kN/m2 kN/m2 kN/m2 kN/m2 (m) 1 1 0.5 5.4 54 1.000 54.00 2.7 20.00 12460.75 0.004 2 0.5 1.25 5.4 54 0.999 53.97 6.75 7.99 12460.75 0.002 3 0.5 1.75 5.4 54 0.998 53.91 9.45 5.70 12460.75 0.002 4 0.5 2.25 5.4 54 0.996 53.80 12.15 4.43 12460.75 0.002 5 0.5 2.75 5.4 54 0.993 53.65 14.85 3.61 12460.75 0.002 6 0.5 3.25 5.4 54 0.989 53.43 17.55 3.04 12460.75 0.002 7 0.5 3.75 5.4 54 0.984 53.15 20.25 2.62 12460.75 0.002 8 0.5 4.25 5.4 54 0.978 52.80 22.95 2.30 12460.75 0.002 9 0.5 4.75 5.4 54 0.970 52.37 25.65 2.04 12460.75 0.002
0.021 Trong đó:
hi – Chiều dày lớp đất thứ i
zi – Khoảng cách từ đỉnh cột đất đến trọng tâm lớp thứ i
Dung trọng hữu hiệu của lớp đất thứ i P - Tải trọng gây lún tác dụng lên đỉnh cột đất
I – Hệ số tra toán đồ Osterberg (hình 4.1), I = f(a/z, b/z), a, là chiều dài ứng với biểu đồ tải trọng tam giác và chữ nhật , z là độ sâu cần xét) [1]
glbt , Ei , Si: Ứng suất có hiệu do tải trọng gây lún và trọng lượng bản thân, mô đun tổng biến dạng và độ lún của lớp thứ i
Hình 4.1 Biểu đồ Osterberg tính ứng suất chịu tải băng dạng hình thang [1]
- Độ lún của đất nền tự nhiên dưới mũi cột đất gia cố Độ lún cố kết:
- Với đất thông thường: vzi ipz
] lg
1 [
1 0
i vz
i vz i i z c n
i
i i
c C
e S H
- Với đất quá cố kết: vzi < ipz và iz < ipz - vzi
] lg
1 [
1 0
i vz
i vz i i z r n
i
i i
c C
e S H
- Với đất có vzi < ipz và iz > ipz - vzi
] lg
lg 1 [
1 0
i pz
i vz i i z i c vz i i pz r n
i
i i
c C C
e S H
Bảng 4.8 Tính lún của đất nền tự nhiên dưới mũi cột đất gia cố
Lớp đất
hi zi γ e0 Cc Cr pz p I gl bt gl/bt Si
(m) trung bình kN/m3
kN/m2 kN/m2 kN/m2 kN/m2
(m)
1 2 1 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 1.000 53.98 61.295 0.88 0.105 2 2 3 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.992 53.55 71.955 0.74 0.092 3 2 5 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.965 52.14 82.615 0.63 0.081 4 2 7 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.919 49.62 93.275 0.53 0.071 5 2 9 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.856 46.24 103.935 0.44 0.061 6 2 11 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.785 42.37 114.595 0.37 0.052 7 2 13 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.711 38.38 125.255 0.31 0.044 8 2 15 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.639 34.51 135.915 0.25 0.037 9 2 17 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.572 30.91 146.575 0.21 0.032 10 2 19 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.512 27.64 157.235 0.18 0.027 11 2 21 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.458 24.72 167.895 0.15 0.023 12 2 23 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.410 22.14 178.555 0.12 0.019 13 2 25 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.368 19.87 189.215 0.11 0.017 14 2 27 5.33 1.998 0.572 0.113 58.9 54.00 0.331 17.89 199.875 0.09 0.014
0.675
Trong đó:
Sc : Độ lún cố kết
Hi : Chiều dày lớp đất tính toán e0 : Độ rỗng ban đầu của lớp đất tính toán Cc, Cr : Chỉ số nén và chỉ số nở
i
vz,ipz,zi : Áp lực hữu hiệu 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 tải trọng gây lún ở lớp i
Tổng độ lún cho phạm vi nền được xử lý và phần nền không xử lý
S = S1+S2 =0.021+0.675 = 0.696 m 4.1.4.3 Kiểm tra ổn định
Kiểm tra ổn định của khối đất với nhiều mặt trượt (giả định) trụ tròn hoặc hình dạng bất kỳ bằng phương pháp phân mảnh, phương pháp Bishop. Hệ số an toàn tương ứng với từng mặt trượt được xác định như sau:
i i
u s av av e e
x W
c l l
l
F R
Hình 4.2 b Mặt trượt 1
Hình 4.2 c Mặt trượt 2
Hình 4.2 d Mặt trượt 3
Hình 4.2 a các thông số của mặt trượt
Bảng 4.9 Kiểm tra hệ số an toàn tương ứng với các mặt trượt
MT R τe τav cu Δle Δlav Δls wi xi Δl F
m kN/m2 kN/m2 kN/m2 m m m kN m m
1 7.5 31.18 357 21.6 3.33 2.53 17.13 268.64 4.15 11.27 8.43 2 11.0 31.18 357 21.6 3.75 3.93 20.53 435.21 4.73 12.85 9.60 3 15.0 31.18 357 21.6 3.80 4.68 27.37 583.23 6.41 18.89 8.81
4.1.4.4. Xác định chiều sâu nền cần xử lý Dựa vào: Sức chịu tải của cột đất theo điều kiện đất nền:
Qp = (π*D*Lc + 2.25*π*D2)*Su
Khoảng cách bố trí cột đất (hình vuông).
= . . + .
Kiểm toán theo điều kiện đất nền được thực hiện theo phương pháp hệ số tải trọng, ta tìm được mối quan hệ giữa chiều cao đất đắp H và chiều dài cột đất vôi – xi măng với hệ số FS > [FS] = 1.5
Bảng 4.9 Xác định chiều dài cọc theo chiều cao đất đắp
S H γ q Su D Pac Qp Lcột
L cột chọn
= Lcột x 1.5
m m kN/m3 kN/m2 kN/m2 m kN/m2 kN m FS =1 .5
1.5 2 18 10 21.6 0.6 46 134.55 1.95 2.9
2 2 18 10 21.6 0.6 46 239.20 4.52 6.8
2.5 2 18 10 21.6 0.6 46 373.75 7.83 11.7
1.5 3 18 10 21.6 0.6 64 187.20 3.25 4.9
2 3 18 10 21.6 0.6 64 332.80 6.82 10.2
1.5 4 18 10 21.6 0.6 82 239.85 4.54 6.8
2 4 18 10 21.6 0.6 82 426.40 9.12 13.7
1.5 5 18 10 21.6 0.6 100 292.50 5.83 8.8
1.5 6 18 10 21.6 0.6 118 345.15 7.13 10.7