CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG
2.2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ DỰ BÁO CÁC VẤN ĐỀ ĐNA KỸ THUẬT
2.2.4. Dự báo các vấn đề địa kỹ thuật công trình
2.2.4.3. Kết quả tính toán ổn định
Bằng việc phân tích trên các mặt cắt tính toán được lựa chọn theo bảng 2.5, với các thông số tải trọng công trình và tài liệu địa chất công trình tại vị trí các mặt cắt tính toán; áp dụng các lý thuyết tính toán như trên.
Việc tính toán cho các mặt cắt thiết kế điển hình được thực hiện tại phần mái taluy dễ xảy ra nguy cơ trượt nhất, có mức độ chênh lệch về địa hình lớn nhất, dốc nhất và điều kiện địa chất bất lợi nhất. Ở đây, với mặt cắt điển hình MCĐH2 việc tính toán thực hiện tại phần mái giáp mương, sông có kè đá và tường chắn sóng;
mặt cắt điển hình MCĐH3 việc tính toán thực hiện cả hai phần mái giáp mương, sông và giáp đồng.
Tải trọng của tường chắn bê tông được xác định trên cơ sở các thông số thiết kế: Cao trình đỉnh tường: +5.50m, bề dày trung bình tường chắn bt=0,40m, chiều cao tường chắn Htc. Tải trọng của tường chắn được xác định theo công thức sau:
Ptường =bt. γbt.Htc (2.27)
Phân tích ổn định trượt, tính toán với đồng thời các phương pháp trên, sử dụng phần mềm excel, geoslope và plaxis phân tích bài toán, thu được các kết quả dưới đây:
1. Kết quả tính toán ổn định lún:
Sơ đồ phân tích ứng suất trong nền, do tác dụng tải trọng đắp và tải trọng xe cộ, được xác định tại vị trí tim đường, vai đường và vị trí chân đường được tính theo phương pháp giải tích bằng phần mềm Excel (phụ lục số 4) và phần mềm Plaxis (phụ lục 5B). Kết quả phân tích được minh họa cho mặt cắt tính toán điển hình MC1 tại lý trình Km 3+757 như sau:
Tải trọng tác dụng xuống nền, được tính qua chiều cao đắp. Chiều cao đắp tính toán HTT bao gồm chiều cao đắp thiết kế (HĐ), chiều cao đắp bù lún (HBl)và chiều cao đắp quy đổi tải trọng xe (Hq). Việc tính toán chiều cao đắp kết hợp với việc phân tích lún của nền với chiều cao đắp bù lún được lấy sau cho bằng độ lún của nền đường đắp và được xác định theo sơ đồ hình 2.4. Qua kết quả phân tích trong phụ lục số 4 tại mặt cắt MC1 trình bày ở bảng 2.5 xác định chiều cao đắp bù
47
lún Hbl = 1,16m. Chiều cao đắp tính toán và tải trọng tác dụng xuống nền xác định như sau:
HTT = 5,24 + 1,16 + 0,68 = 7,08m q = HTT.γđ = 7,08*19,0 = 13,45 kN/m2
Với tải trọng nền đắp tính toán, ứng suất trong nền được phân tích bao gồm ứng suất do trọng lượng bản thân của đất nền và ứng suất gây bởi tại trọng của công trình. Ứng suất do tải trọng công trình được tính toán theo độ sâu tại các điểm tính dưới tim đường, vai đường và chân đường làm cơ sở cho việc phân tích lún và sự thay đổi về sức kháng cắt của đất dưới nền công trình. Ứng suất trong nền được phân tích tính toán và biểu diễn theo hình 2.12.
Hình 2.12: Biểu đồ phân tích ứng suất trong nền
48
Độ lún cố kết và lún theo thời gian, được phân tích tính toán trên cơ sở lựa chọn các mặt cắt đặc trưng cho các kiểu cấu trúc nền đất yếu và các điều kiện bất lợi nhất. Phân tích lún trong nền, được thực hiện theo phương pháp cộng lún từng lớp phân tố. Các thông số của đất nền được lựa chọn theo tài liệu lỗ khoan gần vị trí các mặt cắt tính toán, giá trị các chỉ tiêu cơ lý được lấy theo giá trị tiêu chuNn của lớp. Áp dụng các công thức tính toán từ 2.16 đến 2.21 trên mỗi lớp phân tố được phân chia. Nội dung tính toán được thực hiện bằng bảng tính Excel cho các kết quả tổng hợp ở bảng 2.5:
Bảng 2.5: Kết quả tính toán độ lún tại mặt cắt ví dụ MC1
hi i
σvz σiz σipz OCR e0 Cc Cr Si Lớp
đất (m) T/m2 T/m2 T/m2 - - - - (m) 3a 1,00 0,41 13,42 11,28 32,40 1,08 0,34 0,07 0,06 3a 1,00 1,24 13,42 11,28 10,80 1,08 0,34 0,07 0,05 3a 1,00 2,07 13,41 11,28 6,47 1,08 0,34 0,07 0,05 3a 1,00 2,90 13,40 11,28 4,62 1,08 0,34 0,07 0,05 3a 1,50 3,94 13,36 11,28 3,39 1,08 0,34 0,07 0,07 4 1,50 5,17 13,30 11,61 2,57 1,10 0,30 0,08 0,06 4 1,00 6,20 13,21 11,61 2,13 1,10 0,30 0,08 0,04 4 1,00 7,03 13,13 11,61 1,87 1,10 0,30 0,08 0,04 5 1,00 7,82 13,04 14,17 1,67 1,22 0,40 0,12 0,04 5 2,00 8,96 12,86 14,17 1,44 1,22 0,40 0,12 0,09 5 2,00 10,47 12,59 14,17 1,20 1,22 0,40 0,12 0,09 5 2,00 11,99 12,28 14,17 1,02 1,22 0,40 0,12 0,09 5 2,00 13,51 11,94 14,17 0,88 1,22 0,40 0,12 0,09 5 2,00 15,02 11,59 14,17 0,77 1,22 0,40 0,12 0,10 5 2,30 16,66 11,20 14,17 0,67 1,22 0,40 0,12 0,12
Lớp đất 3a 4 5 8 Sc = 1,05
Độ lún, S (m) 0,28 0,15 0,61 0,00 S = 1,16
49
Độ lún theo thời gian được xác định theo các công thức từ 2.22 đến 2.26, kết quả tính toán tại mặt cắt MC1 như sau: chiều dày tính lún Ha = 22,3m; hệ số cố kết trung bình tính toán là Ctbv = 4,82m2/năm; số chiều thoát nước là 1 phía mặt đất.
Kết quả tính toán độ lún cố kết theo thời gian, thể hiện ở bảng 2.6:
Bảng 2.6: Kết quả tính toán độ lún theo thời gian tại mặt cắt MC1
Thời gian chờ lún Tv U St ∆S
Ngày Năm - - (m) (m)
0.00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,05
2,77 0,23 0,01 0,10 0,11 0,95
11,07 0,91 0,03 0,20 0,21 0,84
24,91 2,05 0,07 0,30 0,32 0,74
44,28 3,64 0,13 0,40 0,42 0,63
69,19 5,69 0,20 0,50 0,53 0,53
83,72 6,88 0,24 0,55 0,58 0,47
99,63 8,19 0,28 0,60 0,63 0,42
119,94 9,86 0,34 0,65 0,68 0,37
141,95 11,67 0,40 0,70 0,74 0,32
167,98 13,81 0,48 0,75 0,79 0,26
199,84 16,43 0,57 0,80 0,84 0,21
240,91 19,80 0,68 0,85 0,89 0,16
298,80 24,56 0,85 0,90 0,95 0,11
397.77 32,69 1,13 0.95 1,00 0,05
Theo kết quả tính toán, thời gian đạt độ cố kết U = 90% là 298,8 tháng, thời gian đạt độ lún dư ∆S nhỏ hơn 0,30m là 141,9 tháng.
Phân tích lún bằng phần mềm Plaxis được trình bày trong phụ lục 5A. Các thông số đất nền tính toán bằng phần mềm Plaxis được lựa chọn theo mô hình Mohr -Coulomb bao gồm: E, à, c, ϕ và k được lấy theo bảng số liệu thớ nghiệm nộn cố kết và nén ba trục (phụ lục 03). Mô hình tính toán tại mặt cắt MC1 bằng phần mềm Plaxis như hình 2.13:
50
Hình 2.13: Sơ đồ mặt cắt tính toán bằng phần mềm Plaxis tại MC1 - Các kết quả phân tích ổn định tại mặt cắt MC1 bằng phần mềm Plaxis:
+ Biến dạng tổng là 1,23m, độ lún lớn nhất tại tim đường là 1,14m.
Hình 2.14: Lưới biến dạng phân tích bằng phần mềm Plaxis
+ Đường cong lún tại các điểm tính dưới tim đường, chân và vai đường được trình bày như hình 2.15:
51
Hình 2.15: Biểu đồ lún theo thời gian phân tích bằng phần mềm Plaxis
Theo đường cong phân tích lún, độ lún lớn nhất là 1,14m. Thời gian đạt độ cố kết U = 90%, ứng với độ lún là 1,026m là 9511 ngày (317 tháng).
Tổng hợp các kết quả tính toán tại các mặt cắt lựa chọn cho kết quả độ lún cố kết và thời gian đạt độ cố kết U ≥ 90% như bảng số liệu sau:
Bảng 2.7: Tổng hợp các kết quả phân tích lún của nền chưa xử lý Tính bằng
Excel
Tính bằng Plaxis TT Mặt cắt tính
toán
Cấu trúc nền
Chiều dày đất yếu (m)
Chiều cao đắp
(m) Sc
(m)
t (tháng)
Sc (m)
t (tháng)
1 MC1 I 22,3 5,24 1,05 298,8 1,14 317
2 MC2 I 24,5 1,54 0,43 284,4
3 MC3 I 24,5 3,20 0,77 286,6 0,75 231
4 MC4 IIa 17,1 4,17 0,80 219,2 0,89 195
5 MC5 IIa 19,7 3,81 0,78 196,7 0,92 208
6 MC6 IIb 19,5 5,90 0,95 155,7 1,09 141
7 MC7 IIb 22,6 4,46 0,90 146,2 0,93 104
8 Km 0 + 315 IIb 20,0 2,14 0,45 53,7
9 Km 1 + 075 I 24,5 2,80 0,81 297,6
10 Km 6+144 I 19,8 4,55 1,05 297,7
52
Qua bảng số liệu tính toán trên ta thấy tại các mặt cắt tính toán trên các kiểu cấu trúc nền, đều cho độ lún lớn hơn độ lún yêu cầu xử lý. Việc phân tích độ lún theo công thức giải tích, tính toán bằng phần mềm excel và phương pháp phần tử hữu hạn tính toán bằng phần mềm Plaxis cho kết quả lệch nhau không nhiều. Tại mặt cắt MC6 có độ lệch lớn nhất là 0,14m là do bảng tính excel không đề cập đến độ lún của lớp cát có chiều dày lớn (lớp đất 2).
Để xác định mối quan hệ giữa độ lún với các chiều cao đắp trên các kiểu cấu trúc nền tại một số mặt cắt tính toán đại diện, với cao đắp giả thiết ứng với sự thay đổi chiều cao đắp trên tuyến, được tổng hợp qua số liệu bảng sau:
Bảng 2.8: Kết quả phân tích độ lún theo chiều cao đắp
Độ lún cố kết theo chiều cao đắp có xét đến tải trọng xe cộ -Si (m) TT Kiểu cấu
trúc nền
Mặt cắt tính toán
Chiều dày đất yếu Hy
(m) 2,0 3,0 4,5 6,5
1 I MC1 22,3 0,39 0,53 0,76 1,07
2 I MC3 24,5 0,41 0,56 0,79 1,10
3 IIa MC4 17,1 0,47 0,59 0,75 0,95
4 IIa MC5 19,7 0,37 0,52 0,76 1,03
5 IIb MC6 19,5 0,34 0,47 0,67 0,91
6 IIb MC7 22,6 0,48 0,62 0,80 1,01
Sự thay đổi độ lún trung bình tại mỗi kiểu cấu trúc nền được tổng hợp qua các số liệu tính toán tại các mặt cắt trên một số đoạn tuyến với chiều cao đắp thay đổi, xác định trên đồ thị hình 2.16a.
Về thời gian đạt độ cố kết yêu cầu U = 90%: trong cùng kiểu cấu trúc nền thời gian chờ lún tăng theo chiều cao đắp, giữa các kiểu cấu trúc nền kết quả tính toán cho thấy, thời gian đạt độ cố kết yêu cầu trong cấu trúc nền I là lớn nhất và cấu trúc nền IIb là nhỏ nhất. Theo các kết quả tính toán thay đổi độ lún theo thời gian được đánh giá qua độ cố kết, được biểu diễn như biểu đồ hình 2.16b.
53
Quan hệ giữa độ lún và chiều cao đắp
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Chiều cao đắp H (m)
Độ lún S (m)
Poly. (Cấu trúc nền I) Poly. (Cấu trúc nền IIa) Poly. (Cấu trúc nền IIb)
1
3 2
1 2 3
Hình 2.16a: Biểu đồ so sánh độ lún nền đắp trên các kiểu cấu trúc nền
Biểu đồ so sánh U -t các kiểu cấu trúc nền
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0
Thời gian (năm)
Độ cố kết U
Cấu trúc nền I- MC1 Cấu trúc nền I- MC3 Cấu trúc nền IIa- MC4 Cấu trúc nền IIa- MC5 Cấu trúc nền IIb- MC6 Cấu trúc nền IIb- MC7
Hình 2.16b: Biểu đồ so sánh độ cố kết theo cấu trúc nền
Như vậy, qua số liệu tính toán và đồ thị hình 2.16a có một số nhận xét như sau: Cấu trúc nền I cho độ lún lớn nhất với cùng chiều cao đắp, có độ lún tăng mạnh theo chiều cao đắp. Đồ thị hình 2.16b cho thấy độ cố kết trên cấu trúc nền IIb tăng nhanh hơn cấu trúc nền IIb và I, cho thấy vai trò của lớp thoát nước trên mặt đNy nhanh tốc độ cố kết của nền, làm giảm thời gian chờ lún.
54
Qua các kết quả tính toán cho thấy, việc tính toán bằng bảng tính excel đánh giá độ lún và độ cố kết của các kiểu cấu trúc nền với sơ đồ tính toán đơn giản, phù hợp với dạng mặt cắt thiết kế điển hình MCĐH1 và MCĐH2. Trong khi đó phần mềm Plaxis mô phỏng được các bài toán phức tạp hơn đối với các dạng mặt cắt điển hình MCĐH2 và MCĐH3 và có xét đến độ lún đàn hồi của các lớp cát và lớp đất tốt phía sâu. Tuy vậy, các kết quả lệch nhau không lớn cho thấy ảnh hưởng lún của các lớp đất tốt và dạng mặt cắt đối với độ lún chung của nền không đáng kể. Hơn nữa, việc tính toán bằng bảng tính excel được thiết lập, thuận tiện, dễ dàng, tốc độ tính toán nhanh nên có thể sử dụng để dự báo độ lún sơ bộ tại các mặt cắt bất kỳ trên tuyến. Để đánh giá chính xác độ lún theo các bài toán phức tạp, cần tính toán kiểm tra bằng phần mềm Plaxis.
2. Kết quả tính toán ổn định trượt a. Kiểm tra ổn định lún trồi:
Được tính toán theo công thức (2.6), bao gồm các thông số được lựa chọn tính toán tại mặt cắt MC1, có chiều cao đắp lớn nhất HĐ = 5,24m, tải trọng xe cộ được quy đổi theo chiều cao đắp là Hq = 0,68m :
- Chiều rộng tính toán B, được tính toán theo các mặt cắt, như sau:
B = b + a = 32,5+ 1,5*5,24 = 40,36m
- Tài liệu địa tầng lấy theo tài liệu hình trụ lỗ khoan CS-01, với các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng cho các lớp đất được tổng hợp như trên. Ta có lớp đất trên cùng là lớp sét pha trạng thái dẻo chảy (lớp 3a) có sức kháng cắt không thoát nước lấy theo Su = 16,4kN/m2.
- Với chiều dày các lớp đất yếu Hy = 22,3m B/Hy = 40,36/22,3 =1,81 - Tra theo sơ đồ hình 2-10 ta có Nc = 5,28. Thay vào công thức (2.6) ta có:
qmax = Cu.Nc = Su.Nc = 16,4*5,29 = 86,76 kN/m2. - Hệ số ổn định lún trồi (Flt) tính theo công thức (2.7) ta có:
Flt = H . qmax
γ =
92 , 5
* 0 , 19
76 ,
86 = 0,77 < [F] = 1,20
55
Vậy, tại mặt cắt MC1 với chiều cao đắp tính toán như trên thì không ổn định về lún trồi.
Trên các đoạn tuyến khác, kết quả kiểm tra ổn định lún trồi theo sơ đồ tính toán của Mandel và Salencon, được tổng hợp theo bảng sau:
Bảng 2.9: Bảng kết quả tính toán hệ số ổn định lún trồi Mặt cắt HTK
(m)
B (m)
Hy (m)
B/Hy Hệ số Nc
Cu (kN/m2)
qmax (kN/m2)
Flt
MC1 5,24 40,36 22,3 1,81 5,29 16,4 86,76 0,77 MC2 1,54 34,81 24,5 1,42 5,14 18,6 95,60 2,27 MC3 3,20 38,90 24,5 1,59 5,18 18,6 96,45 1,59 MC4 4,17 38,76 17,1 2,27 5,49 24,7 135,60 1,47 MC5 3,81 38,22 19,7 1,94 5,34 24,7 131,90 1,55 MC6 5,90 41,35 19,5 2,12 5,43 18,6 101,00 0,81 MC7 4,46 39,19 22,6 1,73 5,25 18,6 97,65 1,00 Km 0 +315 2,14 35,71 20,0 1,79 5,27 18,6 98,02 1,83 Km 1+075 2,80 40,90 24,5 1,67 5,22 16,4 85,61 1,29 Km 2+500 3,46 42,88 23,4 1,83 5,30 16,4 86,92 1,11 Km 6 +144 4,55 39,33 19,8 1,99 5,37 18,6 99,88 1,01
Theo phương pháp này, các mặt cắt trên cấu trúc nền I có chiều cao lớn hơn 2,80m đều mất ổn định.
b) Kết quả kiểm tra theo phương pháp Bishop
Kiểm tra ổn định trượt theo phương pháp Bishop được phân tích bằng phần mềm Geoslope, trong đó có kể đến ảnh hưởng của mực nước ngầm, vải địa kỹ thuật và tải trọng do xe cộ.
Tính toán phức tạp nhưng xét đến nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ổn định trượt hơn so với hai phương pháp tính nhanh ở trên. Các thông số đất nền và kết quả phân tích ổn định trượt theo phương pháp Bishop bằng phần mềm Geoslope trình bày trong phụ lục số 5A và được minh họa như hình vẽ dưới đây :
56
Dat dap
Lop 3a: Set pha, deo chay Lop 4: Set pha, chay
Lop 5: Set, deo chay 1.047
Khoang cach (m)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Cao do (m)
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Hình 2.17: Sơ đồ tính toán ổn định trượt tại mặt cắt MC1
Theo kết quả phân tích, hệ số ổn định trượt nhỏ nhất, tính theo phương pháp Bishop là Fmin = 1,047.
Các thông số về lực, tác dụng lên phân tố đất, ứng với các mặt trượt nguy hiểm nhất xác định qua phần mềm tính toán tại mặt cắt MC1 như sau:
Hình 2.18: Sơ đồ phân tích lực lên lăng thể đất
57
Ngoài ra, còn sử dụng phần mềm Plaxis phân tích tại một số mặt cắt điển hình cho các kiểu cấu trúc nền. Minh họa tại mặt cắt MC1 như sau:
Hình 2.19: Cung trượt trụ tròn phân tích tại MC1
Các kết quả phân tích ổn định trượt theo các phương pháp tại các mặt cắt đại diện, được tổng hợp theo số liệu bảng sau:
Bảng 2.10: Bảng tổng hợp các kết quả tính toán hệ số ổn định
Hệ số ổn định trượt, theo phương pháp TT Mặt cắt
tính toán
Chiều cao đắp
(m)
Kiểu cấu trúc
nền Bishop Mandle-
Salencon
Phần mềm Plaxis
1 MC1 5,24 I 1,05 0,77 1,243
2 MC2 1,54 I 1,74 2,27
3 MC3 3,20 I 1,46 1,59
4 MC4 4,17 IIa 1,52 1,47 1,658
5 MC5 3,81 IIa 1,51 1,55
6 MC6 5,90 IIb 1,19 0,81 1,268
7 MC7 4,46 IIb 1,34 1,00 1,383
8 Km 0 +315 2,14 IIb 1,86 1,83
9 Km 1+075 2,80 I 1,46 1,29
58
10 Km 2+500 3,46 I 1,36 1,11 1,406
11 Km 6 +144 4,55 I 1,10 1,01
Qua kết quả tính toán cho thấy, mặc dù các phương pháp tính toán cho kết quả tương đối khác nhau, trong đó phương pháp Mandle – Salencon cho hệ số ổn định thấp nhất, phương pháp Phi/credution của phần mềm Plaxis cho kết quả lớn nhất. Nhưng xét theo tiêu chuNn đánh giá ổn định của mỗi phương pháp đối với các mặt cắt tính toán cho kết quả khả giống nhau, đó là: các mặt cắt MC1, MC2, MC5, MC7 và MC8 đạt ổn định về trượt.
Về phương pháp phân tích ổn định trượt, cho thấy phương pháp của Mandle – Salencon tính toán khá đơn giản, tính toán nhanh, có xét đến sự thay đổi hệ số ổn định trên cơ sở tính toán sự thay đổi sức kháng cắt theo độ cố kết và chiều cao đắp.
Tuy nhiên, phương pháp này thể hiện được cung trượt nguy hiểm với sơ đồ tính toán chưa xét đến vai trò của các lớp vải địa kỹ thuật tăng cường chống trượt.
Phân tích ổn định trượt bằng phần mềm Geoslope và Plaxis giải quyết được với các mô hình bài toán phức tạp hơn, cho biết nhiều thông tin hơn và kết quả tính toán phù hợp hơn với cấu trúc nền nhiều lớp, việc tính toán đòi hỏi phải sử dụng được phần mềm. Như vậy, có thể thấy rằng, các phương pháp tính ổn định trên có thể được sử dụng để phân tích đánh giá ổn định nền đường trong quá trình xử lý nền và khai thác sử dụng công trình. Theo đó, khi cần tính toán sơ bộ ổn định nền đắp, chiều cao giới hạn đắp và thời gian chờ lún cố kết trong mỗi giai đoạn đắp có thể sử dụng phương pháp Mandke - Salencon tính toán. Khi phân tích ổn định trượt công trình với sơ đồ tính toán phức tạp, yêu cầu độ tin cậy cao có thể sử dụng phần mềm Geoslope hoặc Plaxis để phân tích.
Theo các kết quả phân tích, chiều cao đắp trên cấu trúc nền I nhỏ hơn 3,20m nền đạt ổn định về trượt. Do vậy, khi tính toán nền đường các đoạn tuyến có chiều cao đắp nhỏ hơn 3,20m không cần kiểm tra ổn định trượt. Trên cấu trúc nền IIa, và IIb cho chiều cao đắp ổn định lớn hơn cấu trúc nền I, tuy nhiên còn phụ thuộc vào chiều dày của lớp đất tốt trên mặt.
59
Trên toàn bộ các mặt cắt tính toán, độ lún cố kết và thời gian chờ lún đều lớn hơn các yêu cầu kỹ thuật về lún của công trình. Do vậy, cần phải có các biện pháp xử lý nền trên toàn bộ chiều dài tuyến.