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
2.2.4.2. Các phương pháp tính toán
Để kiểm tra ổn định trượt của nền đường, sử dụng các phương pháp tính toán, kiểm tra sau:
a) Phương pháp phân mảnh của Bishop
Hình 2.9: Sơ đồ tính ổn định trượt theo phương pháp Bishop
Để tính toán ổn định trượt của nền công trình, áp dụng theo phương pháp phân mảnh, mặt trượt cung tròn của Bishop, như hình trên:
Khi đó hệ số ổn định được đánh giá như sau:
[ ]
∑
∑
α
ϕ
− +
= =
i i n
1 i
i i
i i i i a
s Q .sin
tan ).
b . u Q ( b . C m .
1
F (2.5)
Trong đó: )
Fs .tan tan 1 .(
cos
ma = αi + αi ϕi Ci: Lực dính của đất (kG/cm2) ϕi: Góc ma sát trong của đất (độ)
bi: Chiều rộng của mảnh phân tố đất (m) ui: Áp lực nước lỗ rỗng (kG/cm2)
Qi: Khối lượng của mảnh phân tố đất
αi: Góc nghiêng của mặt đáy phân tố đất (độ)
40
Phương pháp tính toán này do phải tính lặp với nhiều lăng thể đất đưa vào phân tích trên nhiều cung trượt, do vậy khối lượng tính toán tương đối lớn, khó kiểm soát kết quả nếu tính toán thủ công. Vì vậy, trong báo cáo này, sử dụng phần mềm GeoSlope (Canada) xác định hệ số Fs theo phương pháp Bishop.
Yêu cầu về kiểm toán ổn định trượt theo phương pháp Bishop trong quá trình thi công nền đắp là Fs ≥ 1,2; khi đưa đường vào sử dụng thì Fs ≥ 1,4. Ngoài ra có thể áp dụng một số các phương pháp tính nhanh, lựa chọn tính toán chiều cao đắp trong quá trình thi công như ở phần dưới đây:
b) Phương pháp tính toán ổn định chống lún trồi (chống phá hủy nền)
Đây là phương pháp tính toán đơn giản, thuận tiện cho việc tính toán chiều cao đắp sơ bộ. Việc tính toán được tiến hành bằng cách xem nền đắp tương tự như một móng nông hình băng được giới hạn bởi điểm giữa của taluy nền đắp.
Theo phương pháp của Mandel và Salencon, tải trọng giới hạn trên nền đất có lực dính cu được xác định như sau:
c u
max c .N
q = (2.6)
Trong đó: Nc được xác định theo sơ đồ hình 2.10
Hình 2.10: Sơ đồ xác định Nc theo phương pháp Mandle- Salencon [15]
41
B - là chiều rộng trung bình mặt cắt ngang đường đắp Hy – là chiều dày của lớp đất yếu
Hệ số ổn định được tính toán theo công thức sau:
H . Flt qmax
= γ (2.7)
Trong đó: H là chiều cao nền đắp, γ là khối lượng thể tích của đất đắp.
Theo phương pháp này, nền đường đắp ổn định khi Flt ≥ 1,2 c) Khi có vải địa kỹ thuật tăng cường:
Ta có sơ đồ tình toán khi bố trí vải địa kỹ thuật giữa đất yếu và nền đất đắp như hình vẽ sau:
Hình 2.11: Sơ đồ tính toán ổn định trượt khi có vải địa kỹ thuật gia cường Với vùng I là vùng khối trượt, vùng II là vùng vải địa kỹ thuật đóng vai trò neo giữ, lực F là lực kéo mà vải địa kỹ thuật phải chịu (kN/m), Y là cánh tay đòn đối với tâm trượt nguy hiểm nhất. Khi tính toán phải đảm bảo các điều kiện sau:
- Điều kiện về lực giữ khối trượt của vải địa kỹ thuật:
F ≤ Fcp (2.8)
Trong đó: Fcp là lực kéo cho phép của vải địa kỹ thuật (kN/m) - Điều kiện bền của vải địa kỹ thuật:
k
Fcp ≤ Fmax (2.9)
42
Trong đó: Fmax là cường độ kéo đứt của vải; k là hệ số an toàn lấy bằng 2 khi vải làm bằng polyester và k =5 nếu vải làm bằng polypropylene hoặc polyamide
- Điều kiện về lực ma sát cho phép đối với lớp vải rải trực tiếp trên đất yếu:
' f . h .
F i
l
0 đ cp
∑1 γ
= (2.10a)
' f . h .
F i
l
0 đ cp
∑2 γ
= (2.10b)
Trong đó: l1, l2 là chiều dài của vải trong phạm vi khối trượt và vùng đất neo giữ; γđ là khối lượng thể tích đất đắp; hi là chiều cao đắp trên vải; f’ là hệ số ma sát giữa đất đắp và vải địa kỹ thuật, được xác định theo biểu thức sau:
ϕ
= .tan 3 '.2 k '
f (2.11)
Trong đó: ϕ là góc ma sát trong của đất đắp, k’ là hệ số dự trữ về ma sát, lấy bằng 0,66.
Tính toán ổn định trượt theo phương pháp của Madle và Salencon đơn giản nên thực hiện các phép tính trên phần mềm Excel. Phương pháp phân mảnh của Bishop và tính toán ổn định trượt khi có vải địa kỹ thuật tăng cường, sử dụng phần mềm Geoslope để tính toán. Ngoài ra, trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm Plaxis để phân tích biến dạng và ổn định của nền đường đắp trước và sau xử lý trên một số mặt cắt điển hình. Trong phần mềm Plaxis hệ số ổn định trượt được xác định trên cơ sở công thức sau:
) m equilibriu min(
) available max(
s S
F = S (2.12)
Trong đó: Smax(available) là sức kháng cắt thực tế của đất; Smin(equilibrium) là sức kháng cắt tối thiểu ở trạng thái cân bằng ổn định.
Theo tiêu chuNn phá hoại Mohr – Coulomb thì công thức hệ số an toàn trở thành:
r n r
n
s c .tan
tan . F c
ϕ σ
−
ϕ σ
= − (2.13)
43
Trong đó: c, cr, ϕ, ϕr là các tham số sức kháng cắt của đất; σn là ứng suất tổng tại điểm tính toán.
Nguyên tắc này được lấy làm cơ sở cho phương pháp Phi/credution trong phần mềm Plaxis để tính toán ổn định tổng thể cho công trình, theo đó hệ số an toàn được xác định như sau:
r r
sf
s tan
tan c
M c
F ϕ
= ϕ
=
=∑ (2.14)
Giá trị hệ số an toàn được định nghĩa chính là giá trị của Msf tại thời điểm xuất hiện phá hoại.
2. Phương pháp tính toán độ lún của nền công trình
a) Tính độ lún cố kết của nền trường hợp bài toán thấm một chiều
Áp dụng để tính toán độ lún của nền chưa xử lý, khi đó nền thoát nước một chiều thẳng đứng. Việc tính toán lún trong nền được thực hiện theo phương pháp công lún từng lớp, có nghĩa là chia nền đất trong phạm vi chiều sâu vùng hoạt động nén ép của công trình thành nhiều lớp phân tố, mỗi lớp phân tố có chiều dày hi. Sau đó tính độ lún của các lớp phân tố Si rồi tính độ lún tổng cộng do tải trọng công trình gây ra. Các thông số của đất nền được xác định từ thí nghiệm nén lún không nở hông trong phòng thí nghiệm.
Chiều sâu vùng hoạt động nén ép, được xác định dựa vào điều kiện sau:
i
σz≤ 0,15.σivz (2.15)
Độ lún cố kết được tính tương ứng với tải trọng công trình như sau:
∑
=
σ
σ + + σ
σ σ
= n +
1 i
i pz
i vz i i z
i c vz i i pz
r i 0 i
c . C .log C .log
e 1
S h (2.16)
Trong đó:
hi- chiều dày lớp đất thứ i
e01- hệ số rỗng tự nhiên của lớp đất thứ i
i
Cc- Chỉ số nén lún của đất, trong phạm vi σi >σipz của lớp đất thứ i
i
Cr- Chỉ số nở của đất, trong phạm vi σi<σipz của lớp đất thứ i
44
i
σpz- Áp lực tiền cố kết của lớp đất thứ i
i
σvz- Ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân nén đến lớp thứ i
i
σz - Ứng suất do tải trọng đắp gia tải gây ra.
Ở đây, ứng suất do tải trọng nền đắp được xác định theo công thức toán đồ Osterberg như sau:
q . Iq
i z =
σ (2.17)
Trong đó: q là tải trọng gây lún, Iq là hệ số ứng suất, tra bảng.
Trong công thức (2-16) các thông số Cic, Cir, σipz được lấy từ kết quả thí nghiệm nén cố kết không nở hông của mẫu đất. Trong tính toán cần phải xem xét tỷ số quá cố kết OCR của đất nền.
Tỷ số quá cố kết OCR được xác định như sau:
i vz i
OCR pz
σ
= σ (2.18)
Khi nền đất cố kết chưa xong có OCR < 1và nền đất cố kết thông thường có OCR =1, thì khi tính Sc trong công thức (2-16) không tính Cir (coi Cir=0). Khi nền đất quá cố kết có OCR > 1, nếu σiz+σivz >σipz tính Sc theo công thức (2-16) bao gồm cả Cic vàCir, nếu σiz+σivz <σipz thì tính Sc theo công thức sau:
∑=
σ
σ + σ
= n +
1 i
i vz
i vz i i z
r i 0 i
c .C .log
e 1
S h (2.19)
Độ lún tức thời được tính theo công thức sau:
Si = (m-1).Sc (2.20)
Trong đó: hệ số m được lấy từ 1,1÷1,4 phụ thuộc vào chiều cao lớp đất đắp gia tải đặc điểm nền đất yếu và các biện pháp hạn chế cho đất yếu khỏi bị đNy trồi ngang.
Độ lún tổng cộng S được dự đoán theo quan hệ kinh nghiệm như sau:
S = m.Sc (2.21)
45 b) Tính độ lún theo thời gian của nền
Độ lún cố kết theo thời gian của nền công trình sau thời gian t được xác định theo công thức sau
St = Uv.Sc (2.22)
Trong đó: Uv – là độ cố kết của nền đất sau thời gian t, được xác định theo công thức sau:
α +
α
− +
= α
1
) 1 .(
U U . .
Uv 2 v0 v1 (2.23)
Trong đó: v
2
T 4. 0 2
v 8 .e
1 U
−π
−π
= ; v
2
T 4. 1 3
v 32.e
1 U
−π
−π
= ; ,,
z , z
σ
=σ α
Với: σ,z- ứng suất tại mặt thoát nước;
, ,
σz- ứng suất tại mặt không thoát nước.
Tv- nhân tố thời gian, được xác định theo công thức sau:
t H .
T C2
tb v
v = (2.24)
Trong đó: H- là chiều dài đường thoát nước
tb
C - là hệ số cố kết trung bình theo phương thẳng đứng của các lớp đất trong v
phạm vi chiều dày vùng hoạt động ứng suất Ha, được xác định theo công thức sau:
2
vi i 2 tb a
v
C h C H
=
∑
(2.25)
Với hi, Cvi là chiều dày, hệ số cố kết của lớp đất thứ i
Phần độ lún cố kết còn lại sau thời gian t, ∆S được tính như sau:
∆S =(1-Uv).Sc (2.26)
Việc tính toán ổn định lún và lún theo thời gian được thực hiện bằng phần mềm Excel. Ngoài ra, tác giả còn sử dụng phần mềm Plaxis để phân tích ổn định lún và lún theo thời gian cho một số mặt cắt điển hình.