CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.3. Độ bền lâu dài của vải địa kỹ thuật
Vải địa kỹ thuật được dùng trong công trình vĩnh cửu cần có độ bền lâu dài hàng chục năm và hơn. Độ bền của vải ngoài do nguyên liệu chế tạo quyết định còn phụ thuộc vào quá trình vận chuyển, lưu kho và thi công lắp đặt, ... Các ảnh hưởng của quá trình này dẫn đến độ bền của vải địa kỹ thuật có thể phân thành 3 cơ chế (theo tiêu chuẩn của Pháp):
- Làm hỏng cấu trúc của vải địa kỹ thuật;
- Làm hao tốn vật liệu của vải địa kỹ thuật;
- Làm thay đổi tính chất vật liệu làm vải địa kỹ thuật;
2.1.3.1. Làm hỏng cấu trúc của vải địa kỹ thuật
Trong quá trình thi công, vải địa kỹ thuật bị giãn thưa, thủng rách do lôi kéo quá mức hoặc đụng mạnh với các vật sắc nhọn, thường là các hạt dăm, sạn, đá hộc có cạnh sắc. Điều này rất nguy hiểm khi dùng vải địa kỹ thuật gia cố đất (mất ổn
Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng
định cục bộ), làm "túi địa kỹ thuật", hay làm lọc ngăn chặn hiện tượng xói ngầm của đất,...
2.1.3.2. Làm hao tốn vật liệu của vải địa kỹ thuật
Vải địa kỹ thuật mất dần vật liệu do bào mòn. Điều này xẩy ra khi vải địa kỹ thuật tiếp xúc với những hạt thô nhám như cát vàng, sạn sỏi, đá dăm, đá hộc thường xuyên bị dịch động do xe cộ đi lại hoặc tác dụng của đầm. Trong trường hợp này cần dùng loại vải địa kỹ thuật làm bằng chất liệu chống bào mòn tốt. vải địa kỹ thuật cũng dễ bị các loại gậm nhấm và các sinh vật khác làm thủng. Điều này cần đặc biệt chú ý khi dùng vải địa kỹ thuật cho đê đập.
2.1.3.3. Tính biến chất của vải địa kỹ thuật
Những polyme dùng làm vải địa kỹ thuật (polyester, polypropylene,...) có tính bền hoá học khá tốt. Các loại polyme này thường không bị tác dụng của những thành phần hoá học và các vi sinh vật thường có trong đất. Tuy nhiên, trong một số trường hợp đất bị nhiễm bẩn nhiều cần nghiên cứu cẩn thận.
Tuy nhiên, các loại polyme làm vải địa kỹ thuật rất dễ hư hại do tác dụng của tia cực tím của ánh sáng mặt trời. Nếu do điều kiện thi công, vải địa kỹ thuật phải để lộ thiên đến 3 tuần thì cần phải dùng loại vải địa kỹ thuật chịu được tia cực tím.
Theo thí nghiệm, loại polyester có tính ổn định về tia cực tím lớn hơn cả. Có tiêu chuẩn thí nghiệm để đánh giá độ bền của vải địa kỹ thuật về tia cực tím khi cần thiết. Đối với công trình cần tuổi thọ lớn không bao giờ để vải địa kỹ thuật lộ thiên
Bảng 2.1: Tính chất của vải địa kỹ thuật
Tính chất của VĐKT Phương pháp thí nghiệm Trị số và khoảng nhận xét Tính chất cơ học
Tính chịu nén - Từ 0 đến cao
Cường độ chịu kéo grab (Grab Tensile Test), thí
ASTM D4632 0,45 – 4,5 kN/m
Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng
nghiệm với biến dạng ngang hạn chế Cường độ chịu kéo rộng
(wide width Tensile Test) ASTM D4595 và ISO 10319 9 – 180 kN/m Cường độ chịu kéo giới
hạn ngang ( Plane- Strain Tessile Test) - còn gọi thí kéo với biến dạng phẳng
- 18 – 180 kN/m
Độ bền khâu nối ASTM D4632 và ISO 10321 50 – 100% cường độ chịu kéo
Cường độ mỏi - 50 – 100% cường độ chịu
kéo
Cường độ chịu vặn xoắn ASTM D3786 350 – 5200kPa
Cường độ chịu xé rách ASTM D4533, D751 và
D1424 90 – 1300N
Cường độ chịu xuyên rơi thủng
có thể sử dụng thiết bị ASTM D1424, D256 và
A370
14 – 255J
Cường độ chịu chọc thủng
ASTM D4833, ISO/DIS12236 và
DIN54307
45 – 450N
Ứng xử ma sát ASTM D5321 60 – 100% ma sát của đất
Ứng xử kéo tuột - 50 – 100% cường độ của vải
địa kỹ thuật
Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng
2.2. NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN
2.2.1. Các cơ chế tương tác giữa đất và cốt
Đất có độ bền kéo thấp nhưng độ bền nén là tương đối, độ bền của đất chỉ bị giới hạn bởi sức kháng ứng suất cắt của nó. Mục đích kết hợp đất với cốt là để tiếp thu lực kéo hoặc ứng suất cắt, giảm được việc tải trọng gây phá hoại đất do ứng suất cắt hoặc do biến dạng quá mức. Khối đắp có cốt được coi là một khối vật liệu hỗn hợp có các đặc tính đã được cải thiện, đặc biệt là khả năng chịu kéo, chịu cắt so với đất không có cốt.
Khi tải trọng được truyền từ đất vào cốt thì cơ chế truyền tải từ đất vào cốt và ngược lại thực hiện thông qua sức neo bám đất/cốt. Đối với đất kém dính sức neo bám này là do ma sát đất/cốt phụ thuộc vào đất, cốt và mức độ thô nhám trên bề mặt của nó. Còn đối với đất dính, sức neo bám này phụ thuộc chính là lực dính giữa cốt với đất. Sự tương tác giữa cốt mềm với đất là sự tiếp thu lực kéo dọc trục. Để tăng khả năng chịu tải kéo và để tiện thi công các cốt mềm được đặt nằm ngang trong tường, trong mái dốc và dưới nền đắp trùng với trục biến dạng kéo chính trong đất không có cốt. Khi tính toán thiết kế, ta phải xác định các lực kéo dọc trục mà cốt phải tiếp nhận ở vùng chủ động và sự phân bố chúng vào vùng bị động.
Cho dù đất chỉ chịu tải trọng nén nhưng trong khối đất vẫn xuất hiện biến dạng kéo, điều này được minh hoạ bằng mô hình (Hình 2.1), trong đó mẫu cát khô được chặn bởi ứng suất nén σR3Rtác dụng từ phía ngoài và được gia tải bởi ứng suất nén σR1 R
> σR3R. Dưới tải trọng này, mẫu đất không có cốt sẽ chịu biến dạng nén dọc δRvRvà biến dạng nở ngang δh
2
1 (Hỡnh 2.1-a). Rừ ràng sự nở ngang này liờn quan đến biến dạng kéo trong đất. Nếu ta đưa vào đất một vài lớp cốt nằm ngang (Hình 2.1-b), dưới tác dụng của tải trọng ngoài không đổi biến dạng lúc này sẽ là δRvtR và δht
2
1 trong đó δRvt
R< δRvR và δht 2
1 < δh 2
1 . Mức giảm biến dạng này là kết quả trực tiếp của ứng suất chặn (ứng suất hạn chế nở hông) bổ sung ∆σR3Rdo tương tác giữa đất và cốt.
Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng
σ1 δh
2 δht δ
2 h
< 2
σ3 σ3 σ3 σ3
1
δv
σ
δ < δ vt v
σ1
σ1
Hình 2.1: Tác dụng của cốt đối với đất
a. Trường hợp đất không có cốt b. Trường hợp đất có cốt
Trong minh hoạ trên cho thấy, khi các mẫu đất có cốt và không có cốt cùng chịu một tải trọng ngoài như nhau, việc bổ sung cốt còn làm giảm biến dạng so với đất không có cốt. Việc bổ sung này còn cải thiện độ bền của đất. Nếu đất không có cốt chịu nén dưới ứng suất không đổi σR3R và độ lớn của ứng suất σR1Rtăng dần, đất sẽ chịu ứng suất cắt tăng dần ( 1 3)
2
1 σ −σ . Trượt xảy ra khi ứng suất cắt đạt tới độ bền cắt của đất. Khi đất có cốt, giá trị σR1Rđủ gây cắt lớn hơn nhiều vì sự gia tăng σR1R làm gia tăng ∆σR3R kéo theo việc ứng suất cắt [ 1 ( 3 3) ]
2
1 σ − σ +∆σ tăng tương đối ít. Giới hạn thực tế về độ bền của đất có cốt được thể hiện là do sự kéo đứt cốt hoặc sự phá hỏng cơ chế ngàm bám do trượt ở bề mặt tiếp xúc cốt/đất.
Để hiểu rừ đặc tớnh cơ học của đất cú cốt, người ta đó tiến hành nhiều thớ nghiệm và xây dựng được lý thuyết tính toán. Theo kết quả thu được từ các thí nghiệm đã chỉ ra rằng: Những mẫu đất có cốt có cường độ chống cắt cao hơn những mẫu không có cốt.
Khi tiến hành thí nghiệm nén 3 trục với hai mẫu đất: một mẫu là đất không có cốt với một mẫu là đất có cốt, nếu giữ nguyên giá trị ứng suất chính nhỏ nhất σR3R và tăng dần ứng suất chính lớn nhất σR1R cho đến khi mẫu đất bị biến dạng nhiều mà tải trọng không tăng (mẫu đất bị phá hoại), thì giá trị σR1Rở mẫu đất có cốt lớn hơn σR1R ở
Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng
mẫu đất không có cốt. Nghĩa là mẫu đất có cốt có cường độ chống cắt cao hơn mẫu đất không có cốt.
2.2.2. Cơ chế gia cường đất trong tường chắn và mái dốc
Hình 2.2 thể hiện mái dốc đất rời khô nghiêng góc β (là góc lớn hơn góc ma sát trong ϕ của đất) so với phương ngang. Nếu không có tác động của cốt, mái đất đã bị trượt. Tuy nhiên nhờ kết hợp với đất và cốt mái đất đã ổn định. Việc khảo sát cơ chế gia cường cơ bản đã chứng tỏ trong mái dốc gồm hai vùng riêng biệt: vùng chủ động và vùng kháng trượt (vùng bị động). Nếu không có cốt, vùng chủ động sẽ mất ổn định, dịch ra phía trước và trượt xuống so với vùng kháng. Nếu đặt cốt ngang qua hai vùng, cốt có thể làm cho vùng chủ động ổn định. Hình 2.2 thể hiện một lớp cốt đơn có chiều dài LRajR trong vùng chủ động và LRejR trong vùng kháng.
Trong thực tế thường bố trí cốt gồm nhiều lớp.
Hình 2.2: Cơ chế gia cường tường và mái dốc bằng cốt
Tạo cho cốt có được cơ chế neo bám thích hợp và có độ cứng chống kéo thích hợp thì cốt sẽ tiếp thu được biến dạng kéo xuất hiện trong đất ở vùng chủ động (vùng hoạt động). Biến dạng kéo được truyền đi từ đất sang cốt nhờ vào cơ chế neo bám cốt - đất. Biến dạng trong đoạn cốt thuộc vùng chủ động làm tăng tương ứng lực kéo của cốt trong vùng này.
Nếu tổng chiều dài cốt bị giới hạn bởi LRajRthì quá trình truyền tải trọng từ đất vào cốt không đủ ngăn chặn hiện tượng trượt của vùng chủ động. Để có đủ khả
Rienforcement Lej
Vùng hoạt
động
Laj
β
Vùng giữ
Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng
năng chống trượt, phần tử cốt phải được kéo dài thêm đoạn LRejR vào vùng giữ (vùng bị động). Giả thiết rằng cốt có đủ lực kéo để chịu được tải trọng kéo tiếp thu từ vùng chủ động, lực này sẽ được phân tán vào đất trong vùng kháng. Trong vùng chủ động, tải trọng truyền từ đất vào cốt cũng thông qua cơ chế neo bám đất - cốt, lực kéo trong cốt phân bố không đều theo chiều dài giảm dần về phía đầu tự do của chiều dài LRejRkể từ bề mặt mái dốc hay bề mặt tường vì tải trọng được phân phối dần vào đất. Tại đầu tự do của cốt trong vùng kháng, lực kéo trong cốt bằng không.
2.2.3. Cơ chế gia cường đất trong nền đắp trên đất yếu
Tại những vùng đắp qua nền đất yếu, thường xảy ra các hiện tượng như lún, trượt, thời gian đắp thường kéo dài,... Để khắc phục tình trạng trên người ta đưa vào lớp cốt đặt nằm ngang ở mặt tiếp xúc giữa khối đắp với đất nền phía dưới. Nếu cốt có đủ độ nhám bề mặt, độ bền chống kéo, cường độ chịu kéo dọc trục thì ứng suất cắt theo phương ngang xuất hiện ở đáy nền đắp sẽ được truyền vào đất nhờ ma sát đất/cốt.
Trầm tích yếu
Cèt
Hình 2.3: Mái đắp có cốt trên nền đất yếu
Sự truyền ứng suất có tác dụng là ứng suất cắt thông thường truyền trực tiếp vào nền đất yếu bị phần tử cốt chặn lại. Điều này làm giảm khả năng phình ngang của lớp đất yếu và duy trì khả năng chịu tải của đất yếu mà thông thường khả năng này bị giảm khi có ứng suất cắt truyền vào.
Ở những nơi nền đất yếu có chiều dày giới hạn, phía dưới là tầng đất tốt thì dịch chuyển ngang của đất nền hoặc nền đắp là một kiểu phá hoại phổ biến nhất.
Tuy nhiên khi lớp đất yếu có chiều dày lớn hơn 3 lần chiều cao lớp đắp thì cần kiểm tra sự phá hoại do trượt sâu cắt qua nền và tầng đất đắp. Lớp cốt đáy đã chứng tỏ là có ảnh hưởng đến hình dạng mặt trượt do làm nó xoay đi và bị đẩy xuống sâu hơn, Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng
làm cho đường trượt dài ra. Khi đó lực kéo xuất hiện trong cốt đáy tương tự như trong tường và mái dốc. Dù lực kéo xuất hiện trong cốt đáy theo cả hai phương dọc trục và nằm ngang thì điều này vẫn làm cho mô men kháng đối với tâm cung trượt đang xét tăng lên, làm giảm mômen gây trượt, giảm ứng suất cắt gây phá hoại cắt trong khối đắp hoặc đất nền.
2.2.4. Tương tác giữa đất và cốt
Để đất có cốt phát huy hiệu quả thì cốt phải tương tác với đất để tiếp thu những ứng suất và biến dạng thường gây phá hoại trong đất không có cốt. Cơ chế của sự phát sinh tương tác phụ thuộc vào các đặc trưng của đất (cả đất nền tự nhiên và đất đắp), các đặc trưng của cốt và quan hệ giữa hai nhóm đặc trưng này. Khi đất và cốt làm việc (tương tác đất/cốt) sẽ xảy ra hai sự phá hoại. Thứ nhất là trạng thái phá hoại về trượt thường là phá hoại đứt cốt và phá hoại neo bám giữa đất với cốt (ma sát giữa đất với cốt). Trạng thái giới hạn thứ hai là trạng thái sử dụng, xảy ra trong quá trình sử dụng, biến dạng của khối đất có cốt hoặc biến dạng của cốt vượt quá giới hạn quy định.
Khi tải trọng được truyền từ đất vào cốt thì cơ chế truyền tải từ đất vào cốt và ngược lại thực hiện thông qua sức neo bám đất/cốt. Đối với đất kém dính sức neo bám này là do ma sát đất/cốt phụ thuộc vào đất, cốt và mức độ thô nhám trên bề mặt của nó. Còn đối với đất dính, sức neo bám này chính là lực dính giữa cốt với đất. Sự liên kết giữa các hạt đất với các kẽ hở của lưới cốt có thể xuất hiện, khi đó sức neo bám có thể bị khống chế bởi độ bền kháng cắt với đất ở chỗ cách mặt tiếp xúc đất cốt một khoảng cách nhỏ. Độ lớn của sức neo bám này bị chi phối bởi đặc tính tương quan của đất và cốt cụ thể là độ bền kháng cắt của đất và độ nhám bề mặt của cốt.
Sự tương tác giữa cốt mềm với đất là sự tiếp thu lực kéo dọc trục. Để tăng khả năng chịu tải kéo và để tiện thi công các cốt mềm được đặt nằm ngang trong tường, trong mái dốc và dưới nền đắp trùng với trục biến dạng kéo chính trong đất không có cốt. Các lực dọc trục tiếp thu bởi cốt mềm được xác định theo phương pháp tĩnh, Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng
do đó, khi tính toán thiết kế, ta phải xác định các lực kéo dọc trục mà cốt phải tiếp nhận ở vùng chủ động và sự phân bố chúng vào vùng kháng.
2.2.5. Ảnh hưởng của độ cứng dọc trục của cốt mềm đối với tải trọng
Trạng thái ứng suất trong khối đất đất đắp được gia cố bằng cốt phụ thuộc vào độ cứng của cốt. Cốt mềm chỉ chịu kéo dọc trục và trạng thái giới hạn phá hoại sụp đổ đã được phân tích ở trên là do phá hỏng sức neo bám giữa cốt và đất hoặc kéo đứt cốt. Kiểu kéo đứt cốt khống chế bởi độ lớn tải trọng tác dụng lên cốt và khả năng của cốt khị chịu những tải trọng này tác dụng mà không để xây ra phá hỏng trong suốt tuổi thọ của công trình thiết kế đã chọn. Đối với các loại cốt mềm đặt trong tương đắp đất và mái dốc, tải trọng tác dụng sẽ liên quan đến áp lực chủ động.
Trong trường hợp tường thẳng đứng không chịu phụ tải thì áp lực áp chủ động sẽ bằng ứng suất hữu hiệu thẳng đứng nhân với hệ số áp lực ngang chủ động KRaR; và nếu chấp nhận mặt là tường nhẵn thì:
KRaR = ,
,
1 1
p p
Sin Sin ϕ ϕ +
− (2-7)
Trong đó: ϕp, - góc kháng cắt cực đại trong điều kiện ứng suất hữu hiệu.
Qua những quan trắc hiện trường các tường có gia cố bằng cốt mềm không dãn người ta nhận thấy rằng: mặc dù tường chuyển vị trong suốt thời gian thi công tương ứng với sự phát triển của hệ số áp lực chủ động KRaR, nhưng do hiệu ứng nén chặt nên vẫn tạo ra áp lực đất cao hơn áp lực chủ động phần trên của tường, áp lực này có thể biểu thị bằng hệ số áp lực ngang tĩnh KRoR. Do vậy nhằm mục đích tính áp lực ngang của đất để từ đó xác định lực cốt phải chịu, cần phải phân biệt giữa cốt có dãn và cốt không dãn.
Như vậy đối với loại cốt có dãn thì tải trọng thiết kế phần trên tường được xác định dựa trên cơ sở giả thiết tuân theo sự phân bố áp lực chủ động. Tuy vậy nếu có những quan trắc hiện trường đối với bất kỳ cốt nào thuộc loại cốt có dãn cho thấy có phát sinh áp lực ngang lớn hơn áp lực chủ động thì phần trên của tường hoặc mái
Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đề xuất các dạng kết cấu gia cường cho mái dốc đứng