THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG
2. Tính toán nền đắp trên đất yếu
Các lý thuyết tính toán có thể chia là ba nhóm chủ yếu sau:
+ Phương pháp tính toán dựa trên giả định mặt trượt quy định trước áp dụng điều kiện cân bằng giới hạn cho các điểm nằm trên mặt trượt đó. Cả khối đất trượt coi như một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng tĩnh học.
Bài giảng Thiết kế đường ô tô F1 Trang 101
+ Phương pháp tính toán theo lý luận nửa không gian biến dạng tuyến tính thì áp dụng điều kiện cân bằng giới hạn vào việc nghiên cứu ranh giới khu vực biến dạng dẻo và quy định mức độ phát triển của các khu vực đó.
+ Phương pháp tính toán theo lý luận cân bằng giới hạn của môi trường rời áp dụng điều kiện cân bằng giới hạn của tất cả các điểm nằm trong khu vực trượt, do đó xác định được các mặt trượt và suy ra trạng thái giới hạn của nền.
- Tính toán ổn định do lún trồi: F =
q qgh
(5.8)
Ở đây: qgh – áp lực giới hạn trên đất yếu.
q – ứng suất do đất đắp nền đường ở tim đường.
Trường hợp
h
B≤1,49:
Hình 5-14: Sơ đồ phá hoại của nền đường có đáy rộng
qgh = (π+2)Cu (5.9)
Ở đây: Cu – lực dính không thoát nước.
B - chiều rộng nền đường đắp h – chiều dày lớp đất yếu
+ Khi B/h > 1,49: áp lực giới hạn trên đất yếu được xác định theo công thức:
qgh = Cu.Nc
trong đó: Nc – hệ số thay đổi theo tỉ số B/h, tra toán đồ hình 5.15.
Bài giảng Thiết kế đường ô tô F1 Trang 102
Nc
0 B/h 1
2 3 4 5 6 7 8 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1,49 π+2
Hình 5.15 Hệ số chịu tải Nc của nền đường Trường hợp
h
B>1,49:
qgh = CuNu (5.10)
Ở đây: Cu = f(
h
B), tra toán đồ.
q = γH
Ở đây: γ - dung trọng đất đắp H – chiều cao nền đắp
b. Tính toán ổn định do trượt mái dốc:
Khi đánh giá nền đường mất ổn định do trượt trên đất yếu, trượt sâu qua nền là hình thức mất ổn định phổ biến của công trình đất trên nền đất yếu bão hòa nước. Sử dụng phương pháp phân mảnh cổ điển hoặc phương pháp Bishop với mặt trượt tròn khoét xuống vùng đất yếu làm phương pháp cơ bản để tính toán đánh giá mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu.
Các tải trọng tính toán khi kiểm tra ổn định và dự báo lún của nền đắp trên đất yếu gồm tải trọng đắp nền và đắp gia tải trước, tải trọng xe cộ, tải trọng động đất.
Vì việc tính toán đều đưa về bài toán phẳng, do vậy các tải trọng tính toán đều được xác định tương ứng với phạm vi phân bố trên 1m dài nền đường.
Bài giảng Thiết kế đường ô tô F1 Trang 103
Tải trọng đắp nền và đắp gia tải trước được xác định đúng theo hình dạng đắp trên thực tế ( hình thang với mái dốc có độ dốc thiết kế, có thể có thêm phản áp hoặc trong trường hợp đào bớt đất yếu trước khi đắp thì có thêm hai dải tải trọng phản áp vô hạn ở hai bên).
Tải trọng xe cộ được xem là tải trọng của số xe nặng tối đa cùng một lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng nền đường (Hình 5-16) phân bố trên 1m chiều dài đường, tải trọng này được quy đổi tương đương thành một lớp đất đắp có chiều cao là hx như sau:
hx =
l B
G n
. .
.
γ (5.11)
B = n.b + (n-1)d + 2.e Trong đó:
G – Trọng lượng một xe (chọn xe nặng nhất), (Tấn).
n – Số xe tối đa có thể xếp được trên phạm vi bề rộng nền đường.
γ - Dung trọng của đất đắp nền đường, (T/m3).
l – Phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc, (m).
B – Bề rộng phân bố ngang của các xe, (m), < bề rộng nền đường.
b – Khoảng cách giữa hai bánh xe theo phương ngang cầu.
d - Khoảng cách ngang tối thiểu giữa các xe.
e - bề rộng lốp đôi hoặc vệt bánh xích.
Như vậy, khi tính toán kiểm tra ổn định của nền đường đắp trên đất yếu có xét đến tải trọng xe cộ thì tải trọng đắp xem như được cao thêm một trị số hx.
Bài giảng Thiết kế đường ô tô F1 Trang 104 Hình 5.16
Phương pháp phân mảnh cổ điển được tính theo sơ đồ hình 5-16 và hệ số ổn định Kj ứng với một mặt trượt tròn có tâm Oj được xác định theo công thức (3.11):
Kj =
∑
∑
+ + +
n
j i i i i n
j i
i i i i
R Y W Q
R Y F tg
Q l c
1 1
)]
/ ( sin
[
) / ( ) cos
(
α ϕ α
(5.12)
Trong hình (5-16) mảnh trượt i rộng di chịu tác dụng của trọng lượng bản thân Qi, lực động đất Wi; ngoài ra, nếu có rải vải địa kỹ thuật để tăng cường ổn định thì toàn khối trượt còn chịu tác dụng của lực giữ F. Các lực này có cánh tay đòn so với tâm trượt Oj là Yi ( lực Wi) và Y (lực F). Đối với một mặt trượt trụ tròn có tâm Oj thì Yi sẽ thay đổi theo vị trí trọng tâm của mảnh trượt, còn Y sẽ không đổi.
li – Chiều dài cung trượt trong phạm vi mảnh i.
n – Tổng số mảnh trượt được phân mảnh trong phạm vi khối trượt.
αi – Góc giữa pháp tuyến của cung li với phương của lực Qi. Rj – Bán kính đường cong của cung trượt.
ci, ϕi – 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 hoặc không yếu nằm dưới nền đắp, sử dụng kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường thì xem như ϕi =0, còn ci được lấy bằng sức chống cắt tính toán Cui. Chỉ khi không có cách nào có
Bài giảng Thiết kế đường ô tô F1 Trang 105
được thí nghiệm cắt cánh hiện trường thì mới được dùng đặc trưng sức chống cắt theo kết quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước ở trong phòng thí nghiệm.
Cui = μ.Ss (MPa) Trong đó:
Ss – Sức chống cắt nguyên dạng (MPa) không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường.
μ - Hệ số hiệu chỉnh (theo Bjerum) xét đến ảnh hưởng bất đẳng hướng của đất, tốc độ cắt và tính phá hoại liên tiếp của nền đất yếu tùy thuộc vào chỉ số dẻo của đất.
Wi = Kc.Qi Trong đó:
Wi - Lực động đất tác dụng trên một mảnh trượt i (hoặc khối trượt i) (Tấn), Wi có điểm đặt là trọng tâm mảnh (hoặc khối trượt) và có phương nằm ngang từ phía trong nền đường ra phía ngoài mái taluy nền đắp.
Kc – Hệ số tỷ lệ được lấy tùy thuộc cấp động đất.
Mức độ ổn định dự báo theo kết quả tính toán đối với mỗi đợt đắp (đắp nền và đắp gia tải trước) và trong suốt quá trình đưa vào khai thác sử dụng sau đó theo phương pháp phân mảnh cổ điển:
Kj ≥ Kmin = 1.2
(Trường hợp dùng kết quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước ở trong phòng thí nghiệm để nghiệm toán thì Kmin = 1.1).
* Phương pháp Bishop hệ số ổn định Kj ứng với một mặt trượt tròn có tâm Oj được xác định theo công thức (5.13):
Kj =
∑
∑
+ + +
n
j i i i i n
j i
i i i i i
R Y W Q
R Y F tg m
l Q c
1 1
)]
/ ( sin
[
) / ( cos )
(
α α
ϕ
(5.13)
mi =
1 1
1
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ + i i
j
tg
K tgϕ α (5.14)
Bài giảng Thiết kế đường ô tô F1 Trang 106
Quá trình tính toán theo (5.13) và (5.14) là quá trình tính lặp vì mi ở (5.14) lại phụ thuộc vào Kj; do vậy nếu sử dụng phương pháp Bishop thì buộc phải sử dụng các chương trình tính trên máy vi tính.
Mức độ ổn định dự báo theo kết quả tính toán đối với mỗi đợt đắp (đắp nền và đắp gia tải trước) và trong suốt quá trình đưa vào khai thác sử dụng sau đó theo phương pháp Bishop:
Kj ≥ Kmin = 1.4 c. Tính toán biến dạng:
Lý thuyết nền biến dạng tuyến tính là lý thuyết được sử dụng rộng rãi trong tính toán cơ học đất hiện nay. Lý thuyết này xét đến cả biến dạng đàn hồi và biến dạng dư trong đất, đặc trưng bằng môđun biến dạng Eo của đất. Các đặc trưng biến dạng của nền đất bao gồm:
+ Môđun biến dạng Eo đặc trưng cho khả năng chống lại sự biến dạng của nền đất
+ Hệ số nén lún a đặc trưng cho khả năng biến dạng của nền đất + Hệ số nở hông (ngang) ν
Độ lún của nền đường đắp trên đất yếu là độ lún của toàn bộ nền đường sau khi kết thúc lún dưới tác dụng của tải trọng, gồm độ lún của bản thân nền đắp và độ lún của đất yếu dưới nền đường. Ở đây chỉ tính độ lún của nền đất yếu dưới nền đắp, bao gồm độ lún tức thời và lún cố kết, trong đó độ lún cố kết thường có giá trị lớn nhất.
Khi thiết kế nền đường đắp trên đất yếu cần phải biết được độ lún tổng cộng để tính chính xác khối lượng và kích thước nền đường (trong đó có chiều cao phòng lún), đồng thời cần phải biết được tốc độ lún để khống chế thời gian lún cho nó kết thúc trước khi xây dựng mặt đường.
Việc tính toán chi tiết xem sách “Nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam”.
§6 CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT KHI XÂY DỰNG NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU
* Các yêu cầu chung đối với cấu tạo nền đắp trên đất yếu:
- Chiều cao nền đắp nhỏ nhất Hmin = 1.2 – 1.5m kể từ chỗ tiếp xúc với đất yếu (trị số lớn đối với đường cao tốc và đường có nhiều xe tải nặng, trị số bé với các
Bài giảng Thiết kế đường ô tô F1 Trang 107
đường khác), hoặc phải 0.8 – 1m kể từ bề mặt tầng đệm cát nếu có để đảm bảo phạm vi khu vực tác dụng của nền đường không bao gồm vùng đất yếu.
- Trong phạm vi 20m từ chân taluy nền đắp ra mỗi bên phải san lấp các chỗ trũng và tuyệt đối không đào lấy đất trong phạm vi đó.
- Cấu tạo của nền đắp trên đất yếu phải đảm bảo hạn chế được các tác dụng bất lợi của nước ngập và nước ngầm:
+ Đất đắp phải ổn định với nước tốt, không sử dụng đất bụi.
+ Độ chặt, chiều cao đắp tối thiểu trên nước ngập và nước ngầm cùng các yêu cầu cấu tạo khác của nền đường ( đắp bao taluy khi thân nền đường là cát…) phải tuân theo TCVN 4054-05, TCVN 5729-1997.
1. Tăng bề rộng nền đường, làm bệ phản áp:
Nhằm tăng độ ổn định, giảm khả năng trồi đất ra hai bên.
Bệ phản áp đóng vai trò là một đối trọng chống lại sự trồi đất ra hai bên chân ta luy, ngoài ra còn có tác dụng phòng lũ, chống sóng, chống thấm nước,…(Hình 5.17). Tuy nhiên cũng cần chú ý ảnh hưởng của bệ phản áp sẽ làm tăng độ lún của đất đắp nền đường.
L
h
Bệ phản áp
HD
Hình 5.17 Sơ đồ cấu tạo bệ phản áp Kích thước bệ phản áp thường lấy như sau:
h < (1/2 -1/3)H; L = (2 – 3)D hoặc vượt quá phạm vi cung trượt nguy hiểm nhất từ 1-3m. Bệ phản áp dốc ra ngoài 2%, K ≥ 0.9.
Các yếu tố thể hiện trên hình vẽ.
Phương pháp này chỉ phù hợp nếu vật liệu đắp là đất hoặc cát thông thường, khó khăn có thể dùng đất lẫn hữu cơ và phạm vi đắp không bị hạn chế.
Bài giảng Thiết kế đường ô tô F1 Trang 108
Giải pháp này không thích hợp với các loại đất yếu là than bùn loại III và bùn sét.