Đề tài hãy lựa chọn và thiết kế giải pháp xử lý nền đường đất yếu cho các kiểu cấu trúc trên nền đất yếu 2

Các thông số kỹ thuật của nền đường đắp của tuyến đường Để tính toán và thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu cần các thông số về quy mô.. Xác định tải trọng tính toán của nền đường Mục đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

-TIỂU LUẬN MÔN HỌC

KỸ THUẬT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ VẬT LIỆU

ĐỊA KỸ THUẬT TỔNG HỢP

MÃ HỌC PHẦN: 8040507

Đề tài:

Hãy lựa chọn và thiết kế giải pháp xử lý nền đường đất yếu cho các kiểu

cấu trúc trên nền đất yếu

GIẢNG VIÊN: PGS.TS NGUYỄN HUY PHƯƠNG

HỌC VIÊN: VŨ HOÀNG DƯƠNG

NGÀNH HỌC: KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT (ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH)

MÃ HỌC VIÊN: 2128102013

Hải Dương, 2022

1 Thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cho đoạn 1 (hi

= 25m), thời gian thi công 18 tháng

2 Thiết kế xử lý nền đất yêu bằng cọc đất xi măng cho đoạn 2 (hi = 12m), thờigian thi công 6 tháng

Biết rằng xử lý nền đất yếu cọc đất xi măng (ĐXM) với hàm lượng 250 kg/1m3đất, giá trị cường độ kháng nén một trục qu = 800 Kpa (8,00 kG/cm ), mô đun đàn2hồi của cọc ĐXM lấy bằng: E50 = 50qu = 400 kG/cm , φ = 33 , C = 25 kG/cm2 0 2Cho sơ đồ đường đắp là cát hạt trung, đầm chặt có = 1,90 T/mɣ 3, E0 = 250kG/cm, φ = 33 , C = 0, kể cả đường và lớp san lấp0

Bảng1 Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 1

14 Lực dính kết đơn vị Cu kG/cm2 0.12715

Bảng2 Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 2

PHẦN 1 ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT TUYẾN ĐƯỜNG, ĐẤT NỀN VÀ DỰ BÁO

VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH CHO NỀN ĐƯỜNG

5 | P a g e

1 Các thông số kỹ thuật của nền đường đắp của tuyến đường

Để tính toán và thiết kế giải pháp xử lý nền đất yếu cần các thông số về quy

mô tải trọng, kích thước của tuyến đường với thông số kỹ thuật như sau :Các lớp đất yếu có chiều dày lớn nên khi xây dựng và sử dụng công trình cóthể xảy ra các vấn đề ĐCCT sau: - Tải trọng thiết kế: H30-XB80

- Bề rộng mặt đường Bđ = 25m

- Hệ số mái dốc: 1: m = 1:1

- Chiều cao đắp tại tim đường H = 3,0m (Đoạn I)đ

- Chiều cao đắp tại tim đường H = 5,0m (Đoạn II)đ

Đất đắp có các chỉ tiêu cơ lý như sau:

+ Khối lượng thể tích: γ = 1,9 T/m 3

+ Góc ma sát trong: φ = 33đ o

+ Lục dính kết: C = 0 T/m2

 Vấn đề ổn định về cường độ nền đường đất yếu

 Vấn đề ổn định trượt mái dốc taluy đường đắp

 Vấn đề biến dạng lún

2 Xác định tải trọng tính toán của nền đường

Mục đích xác định tải trọng tính toán là để kiểm tra ổn định và dự báo lúncủa phần đất đắp trên nền đất yếu Tải trọng tính toán bao gồm:

- Tải trọng nền đắp;

- Tải trọng xe cộ: Theo tiêu chuẩn 22TCN 262 - 2000, tải trọng xe cộ là tảitrọng của số xe nặng tối đa cũng một lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng nền đườngphân bố trên 1m chiều dài đường Tải trọng này được quy đổi tương đương thànhmột lớp đất có chiều cao h được xác định theo công thức sau: x

(1.1)

6 | P a g e

Trong đó:

G: trọng lượng một xe (chọn xe nặng nhất), tấn;

n: số xe tối đa có thể xếp được trên bề rộng phạm vi đường;

: khối lượng thể tích của đất đắp nền đường, T/m ;3

l: phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc;

Bảng 3 Quan hệ giữa tải trọng xe và phạm vi phân bố tải trọng theo hướng dọc của xe.

Hình 1 Sơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ tác dụng lên đất yếu

Bo: bề rộng phân bố ngang của các xe được xác định theo sơ đồ 2.2

Bo = n.b+ (n-1)d+e (1.2)

Bảng 4 Quan hệ giữa loại xe và khoảng cách giữa hai bánh xe.

7 | P a g e

Trong đó:

b: khoảng cách giữa hai bánh xe (m);

d: khoảng cách ngang tối thiểu giữa các xe, thường lấy d= 1,3 (m);

e: bề rộng lốp đôi hay vệt bánh xích, thường e = 0,5÷0,8 (m);

n: số lượng xe được chọn tối đa nhưng phải đảm bảo B được tính theo côngthức nhỏ hơn bề rộng nền đường

Chọn: n = 6 (chiếc); b = 1,8 (m); d = 1,3 (m); e = 0,7 (m)

Vậy, B0 = 6*1,90+ (6-1)*1,3+ 0,7 = 18,0 (m)

Thay vào công thức (1.1) ta có: hx = 0,8 (m)

Chiều cao lớp đất đắp: H = 3,0 (m)đ

Chiều cao lớp đất đắp quy đổi từ tải trọng xe cộ: h = 0,80 (m)x

Vậy, chiều cao lớp đất đắp kể đến tải trọng quy đổi tại tim đường:

8 | P a g e

Hình 2 Nền đường bị phá hoại do lún trồi.

Để tính toán, tôi sử dụng công thức của J.Mandel: K = (1.3)Nếu K > 1,2 nền đường ổn định

Nếu K < 1,2 nền đường mất ổn định

Trong đó: q - áp lực giới hạn của nền đất yếu.gh

q - ứng suất do nền đường gây ra tại tim đường được tính theo côngthức:

Nc- hệ số thay đổi theo tỷ số B/H tra theo toán đồ

Pilot-Moreau (TCVN 9355-2012) hình 3

9 | P a g e

Vậy nền đường tại đoạn II mất ổn định bị lún trồi.

Như vậy nền toàn bộ tuyến đường tại đoạn I và đoạn II đều mất ổn đinh lún trồi

4 Vấn đề mất ổn định do trượt cục bộ

Mất ổn định do trượt một bộ phận của nền đắp và một phần của nền đất yếu

là hình thức phá hoại thường gặp nhất Dưới tác dụng của tải trọng công trình,trong nền đất phát sinh ứng suất cắt, nếu ứng suất cắt vượt quá độ bền kháng cắtcủa đất thì sẽ phát sinh trượt cục bộ Hiện tượng này xảy ra trong trường hợp lớpđất yếu nằm trên lớp đất có sức chịu tải cao, biểu hiện được nhận thấy là một phầnđoạn đường bị sụt lún tạo thành bậc trượt, đất ở đỉnh nền đường và dưới chân taluy

bị đẩy trồi lên

Trên đoạn tuyến nhận thấy có lớp đất yếu (lớp 1) nằm phía trên lớp đất cósức chịu tải tốt nên tiến hành kiếm tra ổn định trượt cục bộ

Việc tính ổn định do trượt được tiến hành theo phương pháp phân mảnh cổđiển với giả thiết mặt trượt có dạng hình trụ tròn

11 | P a g e

Hình 4 Sơ đồ tính toán ổn định theo phương pháp phân mảnh cổ điểnTheo Goldstein, có thể xác định hệ số an toàn F ứng với cung trượt nguy hiểmnhất theo công thức sau:

F = A.f + B .

u

d tt

C h

 (1.7)Trong đó: A, B: hệ số phụ thuộc vào độ dốc của mái taluy và được xác địnhbằng phương pháp tra bảng;

f= tg với là góc ma sát trong của đất yếu;

Cu: lực dính không thoát nước;

: Khối lượng thể tích tự nhiên của đất đắp;

HR: chiều cao khối đất đắp

Khi F < F thì nền đường bị trượt;gh

Khi F > F thì nền đường không bị trượt;gh

Bảng 5 Bảng tra hệ số A, BĐộ

12 | P a g e

- Đánh giá ổn định trượt cục bộ Đoạn I

Căn cứ vào độ dốc mái taluy 1:1 chọn: A= 5,78; B = 5,75

Theo công thức (1.7)với các thông số: d = 1,90(T/m3);

Pht: tải trọng do phương tiện giao thông gây ra (H30-XB80) quy ra cột đất tươngđương:

5 Vấn đề biến dạng lún của nền đường

Độ lún của nền đường đắp trên nền đất yếu là độ lún toàn bộ nền đường saukhi kết thúc lún dưới tác dụng của tải trọng, gồm độ lún của bản thân nền đườngđắp và độ lún của nền đất yếu dưới nền đắp Ở đây, chúng ta không xét đến độ lúncủa nền đường đắp (vì vật liệu đắp là cát), coi như nền đắp được đầm chặt tối đa

Vì vậy, việc tính lún sẽ là tính độ lún của nền đất yếu do tải trọng nền đắp gây nên

Để đánh giá vấn đề biến dạng lún của nền đất yếu dưới nền đường đắp, cầnphải xác định độ lún cuối cùng và độ lún theo thời gian

5.1 Xác định độ lún cuối cùng của nền đất

Theo 22TCN 262-2000, trình tự tính toán của nền đắp trên đất yếu như sau:

- Giả thiết độ lún tổng cộng S ( thường giả thiết S = 5÷10% bề dày đất yếugt gthoặc chiều sâu vùng đất yếu chịu lún z ; nếu là than bùn lún nhiều thì có thể giảathiết S = 20÷30% bề dầy nói trên);gt

- Tính toán phân bố ứng suất zi theo toán đồ Osterberg với chiều cao nềnđắp thiết kế có dự phòng lún H = H + S (H là chiều cao nền đắp thiết kế: nếu’

tk tk gt tkđắp trực tiếp thiét kể từ mặt đất thiên nhiên khi chưa đắp đến mép vai đường; nếu

có đào bớt đất yếu thì kể từ cao độ mặt đất yếu sau khi đào);

- Với tải trọng đắp H tính độ lún cố kết S theo công thức (1.9) hoặc (1.11)’

Trường hợp đất ở trạng thái cố kết bình thường và chưa cố kết σbt>σc

bti - ứng suất bản thân của lớp thứ i

zi - ứng suất phụ thêm do tải trọng đất đắp gây ra ở lớp i

Trong đó: hệ số nén lún rút đổi của lớp phân tố thứ i: oi oi = (1.14)

- hệ số nén lún của lớp đất thứ i

- hệ số rỗng của lớp đất thứ i

h - chiều dày lớp phân tố thứ i.i

- ứng suất phụ thêm ở giữa lớp thứ i, tính bằng trung bìnhcộnggiữa ứng suất phụ thêm ở đỉnh và đáy lớp phân tố thứ i

- hệ số tra bảng phụ thuộc vào loại đất lớp phân tố thứ i

- mô đun tổng biến dạng của đất lớp phân tố thứ i

Áp lực bản thân của đất tại các điểm đáy lớp được tính theo công thức:i

Tính toán dự báo biến dạng lún tại mặt cắt I

- Áp lực bản thân của đất tại các điểm đáy lớp được tính theo công thức(1.15)

- Ứng suất phụ thêm tại các điểm đáy lớp được tính theo công thức (1.16).Theo 22TCN 262-2000, Chọn S =3% bề dày lớp đất yếu.gt

Để đơn giản trong việc tính toán, tải trọng đất đắp tác dụng lên nền đườngđược quy về tải trọng hình chữ nhật với chiều rộng quy đổi, Bqđ = Bđ +2*2Hđ = 25,0 + 2*2*3,0 = 37,0m.

Trong phạm vi chiều sâu địa tầng đoạn tuyến (Hình1), phân chia nền đấtthành các phân lớp nhỏ như sau:

- Lớp 1: Dày 25,0m được chia thành 25 lớp phân tố có bề dày 1m;

Việc phân chia lớp và kết quả tính ứng xuất được trình bày trong bảng 6:Kết quả tính toán ứng suất và tính lún tại tim đường được thể hiện trong bảng 6

Bảng 6 Ứng suất tại tim dưới nền đường đắp tại đoạn I

Độ lún của đất nền được tính đến hết vùng hoạt động nén ép;

- Lớp 1 có σ + σ > σ nên tính lún theo công thức (1.11).bt z c

Bảng 7 Bảng tính lún cố kết tại tim nền đường tại đoạn I

5.2 Tính lún theo thời gian

Độ lún theo thời gian ở thời điểm ‘‘t’’ kể từ lúc đắp xong nền đường ký hiệu

Bảng 8: Bảng tra U , T v v

Thay vào công thức trên ta có:

t = 2*252/(0,4*10-3) = 3125 * 107s = 593,0 năm => Thời gian cố kết này là rấtlâu so với thời gian thi công cho phép, do đó cần phải có biện pháp xử lý nềnđường để đảm bảo thời gian thi công

Nhận xét

Qua đánh giá điều kiện địa chất công trình và dự báo các vấn đề địa chất côngtrình của đoạn đường, nhận thấy: nền đường xảy ra hiện tượng lún trồi, độ lún cuốicùng của nền lớn, thời gian lún ổn định rất lâu Vì thế, trước khi thi công phải tiếnhành xử lý nền

Ở đây ta chọn phương án đắp đường theo nhiều giai đoạn:

* Tính chiều cao đắp cho phép ở giai đoạn 1:

Chiều cao đất đắp cho phép ở giai đoạn 1 được xác định theo công thức sau:

Từ H = 0,22 m ta có bề rộng của đáy đường là = 1,22*2+25 = 27.44 mVậy ta có thể lấy chiều cao đất đắp ở giai đoạn 1 là H = 1,22 m

* Kiểm tra điều kiện chống trượt cục bộ giai đoạn 1

Áp dụng công thức của Goldstein:

K= Atgφ+Cuu*B/(γh )đ

Do lớp đất yếu dày nên hệ số A, B có thể lấy cho mặt trượt đi qua nền đấtyếu và có tiếp tuyến nằm ngay độ sâu h = 1,5H (H là chiều cao đất đắp), độdốc mái taluy là 1:1 => A = 5,78; B = 5,75

Từ H = 2.72 m ta có bề rộng của đáy đường là = 2,72*2+25 = 30,44 m

* Kiểm tra điều kiện chống trượt cục bộ giai đoạn 2

*Tính chiều cao đất đắp ở giai đoạn 3 với lực dính kết:

C = C + ΔC = 1,51 + 1,21 = 2,72 T/m2

Tương tự như cách tính ở giai đoạn 2, ta có:

H = (π + 2) * 2,72/(1,9 * 1,5) = 4,9 m

Từ H = 4,9 m ta có bề rộng của đáy đường là = 4,9*2+25 = 34,81 m

* Kiểm tra điều kiện chống trượt cục bộ giai đoạn 3

PHẦN 2 THIẾT KẾ GIẢI PHÁP XỬ LÝ ĐÁT NỀN YẾU

2.1 Thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước

2.1.1 Nguyên lý của phương pháp

Đây là phương pháp kỹ thuật thoát nước thẳng đứng bằng bấc thấm, kết hợpvới gia tải trước

Bấc thấm gồm hai phần: lõi chất dẻo (hay bìa cứng) được bao ngoài bằng vậtliệu tổng hợp (thường là vải địa kỹ thuật polypropylene hay polyeste không dệt…).Bấc thấm có tính chất vật lý tùy theo từng loại và có những đặc trưng sau:

 Cho nước trong lỗ rỗng của đất thấm qua lớp vải địa kỹ thuật bao ngoài vàolõi chất dẻo;

 Lõi chất dẻo chính là đường tập trung nước và dẫn chúng thoát ra khỏi nềnđất yếu bão hoà nước;

Lớp vải địa kỹ thuật bao ngoài là polypropylene và polyeste không dệt hayvật liệu giấy tổng hợp, chúng có các chức năng ngăn cách giữa lõi chất dẻo và đấtxungquanh, đồng thời là bộ phận lọc hạn chế các hạt mịn chui vào lõi làm tắc thiết

bị Lõi chất dẻo có hai chức năng quan trọng vừa đỡ màng bao bọc ngoài vừa tạođường cho nước thấm dọc chúng ngay cả khi áp lực ngang lớn

Nước lỗ rỗng trong đất thoát ra theolõi chất dẻo, dưới tác dụng của tải trọngtạm thời làm cho đất sắp xếp lại và nén chặt làm cho cường độ của đất tăng lên.Nếu so sánh hệ số thấm giữa bấc thấm PVD với đất sét bão hòa nước cho thấyrằng bất thấm PVD có hệ số thấm (k= 10 m/s) lớn gấp nhiều lần so với hệ số thấm-4nước của đất sét yếu (k= 10 m/ngày đêm) Do đó các thiết bị PVD dưới dạng nén-5tức thời đủ lớn có thể ép nước trong lỗ rỗng của đất sét thoát tự do ra ngoài

2.1.2 Quá trình cố kết

a Sơ đồ tính lún

23 | P a g e

Bài toán cố kế thấm của nền khi gia cố bằng vật liệu chế tạo sẵn (bấc thấm),được Barron (1948) đưa ra lời giải toàn diện đầu tiên cho bài toán cố kết của trụđất có chứa một giếng cát ở trung tâm Lý thuyết của ông được dựa trên việc đơngiản hóa các giả thuyết có kết một hướng của Terzaghi (1943).

Trong trường hợp biến dạng như nhau, phương trình vi phân quá trình cố kết

có dạng:

∂U/∂t =Ch[∂ U/∂r2 2+ (1/r)(∂U/∂r)]

Trong đó:

U: áp lực lỗ rỗng dư trung bình tại một điểm vào thời điểm bất kỳ;

r: Khoảng cách hướng tâm của điểm xem xét, từ tâm của trụ đất tiêu nước;

Ch: Hệ số kết ngang;

Với trường hợp tiêu nước hướng tâm, lời giải của Barron (1948) trong điềukiện lý tưởng (không bị xáo động và không có sức cản của giếng) như sau:Xác định độ cố kết theo phương ngang:

Th: nhân tố thời gian theo phương ngang T =h 2

.

D t

C h

Trong đó: D là đường kính ảnh hưởng của bấc thấm

C là hệ số cố kết theo phương ngang, lấy C = 2,5.Ch h v

F(n): nhân tố ảnh hưởng của khoảng cách bấc thấm

2 2

2

4 1 3 ) ln(

.

n n n



D

Nếu n >>1, thì có thể tính F(n) theo công thức F(n)= ln(n)-3/42

Fs: nhân tố xét đến ảnh hưởng xáo động đến đất nền khi đóng bấc thấm

C

C k

k k k

ds là đường kính tương đương của vùng đất bị xáo động xung quanh bấcthấm Thực tế thường dùng ds/dw= 2÷3

Với: H là chiều dài tính toán của bấc thấm

qw- Khả năng thoát nước của bấc thấm ứng với gradient thuỷ lực bằng 1 lấytheo chứng chỉ xuất xưởng của bấc thấm, (m /s) Thực tế tính toán đối với đất yếu3loại sét thường lấy tỷ số:

Tỷ số Barron: n = De/dw

Với:

t: thời gian cố kết

Ch: hệ số cố kết theo phương ngang;

Dw: đường kính tương đương của trụ đất

De: đường kính ảnh hưởng của trụ đất tương đương;

Cv: Hệ số cố kết trung bình theo phương thẳng đứng của các lớp đất yếutrong phạm vi chiều sâu chịu nén H ;a

dw = 2(a+b))/πSau đó, năm 1986 phương pháp phần tử hữu hạn Rixner đưa ra cách tínhđường kính tương đương và đã được Hansbo xác nhận là:

dw = (a+b)/2Trong đó:

a: chiều rộng mặt cắt ngang của bấc thấm;

b: chiều dài mặt cắt ngang của bấc thấm

26 | P a g e

Hình 5 Sơ đồ mặt cắt ngang bấc thấm

Vùng ảnh hưởng của thiết bị tiêu nước bấc thấm;

Bố trí các thiết bị tiêu nước thẳng đứng bấc thấmtheo hai sơ đồ tính hìnhvuông hay tam giác đều;

+ Bố trí theo sơ đồ hình vuông, có đường kính là ảnh hưởng D là:e

De = 1,13X

+ Bố trí theo sơ đồ hình tam giác đều có đường kính ảnh hưởng D là:e

De = 1,05X

Trong đó:

De: đường kính đới ảnh hưởng của bấc thấm bấc thấm, cm

X: khoảng cách giữa tâm các bấc thấm nằm cạnh nhau, cm

Hình 6 Sơ đồ bố trí bấc thấm theo sơ đồ tam giác đều (trái)

và sơ đồ hình vuông (phải)

27 | P a g e

c Tốc độ cố kết

Mục đích của công tác gia cường đất sét bão hòa nước bằng bấc thấm nhằmđạt được mức độ cố kết yêu cầu trong khoảng thời gian xác định Với thiết bị tiêunước thẳng đứng kết hợp với gia tải trước, tổng mức độ cố kết θ, là kết quả kết hợpcủa hiệu quả tiêu nước theo phương ngang (hướng tâm) và tiêu thẳng đứng (dọctrục) Carilli (1942) đưa ra công thức sau:

U = 1 – (1 - U )*(1 - U )h vTrong đó:

Uh: Độ cố kết theo phương ngang (hướng tâm)

Uv: Độ cố kết theo phương đứng (dọc trục)

2.1.3 Tính toán thiết kế.

a Lựa chọn bấc thấm

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại bất thấm có chất lượng khác nhau

do nhiều nước sản xuất như: Hàn Quốc, Đài Loan, Hà Lan,… Viện Kỹ thuật châu

Á đã thử nghiệm và đưa ra khuyến cáo loại tốt nhất là của Hà Lan sản xuất với cáctiêu chuẩn kỹ thuật sau:

+ Kích thước 100*32mm

+ Trọng lượng đơn vị 73g/m

+ Cường độ chịu kéo 2,03kN

+ Độ giãn dài với áp lực 0,5 kN là 4 %; khi đứt là 25%

+ Khả năng thoát nước với áp lực 300 kN/m là q = 52 * 102 /s và với áp

w -6m3lực là 200 kN/m là = 49 * 102 -6m3/s

+ Hệ số thấm của vỏ bọc K = 0,09m/s

b Tính toán

Để chọn được phương án bố trí bấc thấm hợp lý, ta tính toán độ cố kết của

cả ba phương án bố trí khác nhau rồi sau đó so sánh phương án hợp lý nhất trong

28 | P a g e