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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ---TIỂU LUẬN MÔN HỌCHỌC PHẦN: KỸ THUẬT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU VÀ VẬT LIỆU ĐỊA KỸ THUẬT TỔNG HỢP MÃ HỌC PHẦN: 8040507 Đề tài: Hãy lựa chọn v

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

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

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

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

MÃ HỌC VIÊN: 21142000002

Hà Nội 2022

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

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

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

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

MÃ HỌC VIÊN: 21142000002

Hà Nội 2022

M Ụ C L Ụ C

LỜI MỞ ĐẦU 2

ĐỀ TIỂU LUẬN: 3

Hình 1: Mặt cắt ngang đoạn tuyến đường 3

PHẦN 1 ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT TUYẾN ĐƯỜNG, ĐẤT NỀN VÀ DỰ BÁO VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH CHO NỀN ĐƯỜNG 6

1 Các thông số kỹ thuật của nền đường đắp của tuyến đường 6

2 Xác định tải trọng tính toán của nền đường 6

3 Vấn đề mất ổn định do lún trồi 8

4 Vấn đề mất ổn định do trượt cục bộ 10

5 Vấn đề biến dạng lún của nền đường 12

5.1 Xác định độ lún cuối cùng của nền đất 12

5.2 Tính lún theo thời gian 17

PHẦN 2 THIẾT KẾ GIẢI PHÁP XỬ LÝ ĐÁT NỀN YẾU 20

2.1 Thiết kế xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước 20

2.1.1 Nguyên lý của phương pháp 20

2.1.2 Quá trình cố kết 20

a Sơ đồ tính lún 20

b Diện tích cố kết 22

c Tốc độ có kết 24

2.1.3 Tính toán thiết kế 24

a Lựa chọn bấc thấm 24

b Tính toán 24

2.2 Thiết kế gia cố nền đất yếu bằng giải pháp cọc đất xi măng (ĐXM) 28

2.2.1 Nguyên lý chung 28

2.2.2 Các yếu tố kỹ thuật 28

NHẬN XÉT CHUNG 33

KẾT LUẬN 35

Tài liệu tham khảo 36

1

LỜI MỞ ĐẦUĐất yếu là đối tượng khó khăn và phức tạp cho công tác xây dựng của nhiềunước trên thế giới, trong đó có Việt Nam Trên lãnh thổ Việt Nam, nước ta có rất nhiềukiểu địa hình, địa mạo khác nhau trải dài từ địa đầu Móng Cái cho đến Mũi Cà Ma; từcác đồng bằng ven biển, vùng trung du đến miền núi Chính những cấu tạo về địa hình

và địa mạo là một yếu tố quan trọng quyết định nên cấu trúc địa chất, đặc biệt có tácđộng đến các quá trình địa chất - địa chất công trình Trong số đó góp phần hình thànhnên những đồng bằng Sông Hồng, Sông Mê Kông hay các đồng bằng ven biển miềnTrung; những lãnh thổ này thường phân bố các loại đất yếu với nhiều nguồn gốc khácnhau gây khó khăn cho việc phát triển xây dựng, đặc biệt là về công tác nền và móng.Vậy yêu cầu đặt ra: cần phải có những biện pháp kỹ thuật và vật liêu địa kỹthuật phục vụ cho việc thi công các công trình xây dựng trên những loại đất yếu này.Nhưng phải đảm bảo về các yêu cầu kỹ thuật và đồng thời phải phù hợp về tính kinhtế

Các nhà giáo, nhà khoa học đã đưa ra nhưng giải pháp thích hợp để có thể thựchiện được công tác xây dựng này Trong đó PGS.TS Nguyên Huy Phương và

PGS.TS Tạ Đức Thịnh đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học và những giáo

trình để giảng dạy về kỹ thuật xử lý nền đất yếu và vật liệu Địa kỹ thuật; phục vụ chocông tác nghiên cứu, cũng như ứng dụng chúng hiệu quả vào thực tế xây dựng cáccông trình trên các nền đất yếu này được an toàn và kinh tế

Sau thời gian học tập và nghiên cứu môn học: Kỹ thuật xử lý nền đất yếu và

vật liệu xây dựng tổng hợp, dưới sự hướng dẫn, giảng dạy của PGS TS Nguyên Huy Phương học viên viết tiểu luận: Hãy lựa chọn và thiết kế giải pháp xử lý nền đường

đất yếu cho các trên các kiểu cấu trúc nền đất yếu

3

ĐỀ TIỂU LUẬN:

Hãy lựu chọn và thiết kế giải pháp xử lý nền đường đất yêu cho các đoạn I và đoạn

II trên các kiểu cấu trúc nền đất yếu gồm 02 lớp:

Lớp 1: Sét rất dẻo, trạng thái dẻo chảy, chỉ tiêu cơ lý cho trong bảng 1

Lớp 2: Sét ít dẻo, trạng thái nửa cứng, chỉ tiêu cơ lý cho trong bảng 2

Đường đắp có kích thước như sơ đố hình 1, cát đắp là cát hạt trung, đầm chặt có ɣ

= 1,90 T/m , E0 = 250 kG/cm, φ = 33 , C = 0.3 0

Bđ = 25 m

Hđ = 2.0 m (Đoạn I)

Hđ = 5.0 m (Đoạn II)

Hình 1: Mặt cắt ngang đoạn tuyến đường

Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 1 và lớp 2 như sau:

3 Khối lượng thể tích tự nhiên γw g/cm3 1.79

4 Khối lượng thể tích tự nhiên khô γw g/cm3 1.25

3 Khối lượng thể tích tự nhiên γw g/cm3 1.99

4 Khối lượng thể tích tự nhiên khô γw g/cm3 1.61

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

VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH CHO NỀN ĐƯỜNG

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 có thểxảy 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 = 2,0m (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 tớch: 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 lún củaphần đất đắp trên nền đất yếu Tải trọng tính toán bao gồm:

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

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.

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 công thứcnhỏ hơn bề rộng nền đường

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

Hình 2 Nền đường bị phá hoại do lún trồi.

Để tính toán, tôi sử dụng công thức của J.Mandel: K =

q

q gh

(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 công thức:

9

(B/h > 1,49 ) thì q = Ngh c*Cu (1.6)

Trong đó: C - lực dính kết không thoát nước của lớp đất yếu.u

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

Chiều dày đất yếu là: h = 10,0m, bề rộng nền đường Bn = (25 + 5*2) = 35 (m);nên bề rộng nền đường quy đổi Bqđ = Bn + 2*Hđ = (35+2*5) = 45,0m

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 làhình thức phá hoại thường gặp nhất Dưới tác dụng của tải trọng công trình, trong nềnđất phát sinh ứng suất cắt, nếu ứng suất cắt vượt quá độ bền kháng cắt của đất thì sẽphát sinh trượt cục bộ Hiện tượng này xảy ra trong trường hợp lớp đất yếu nằm trênlớp đất có sức chịu tải cao, biểu hiện được nhận thấy là một phần đoạn đường bị sụtlún 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 có sứcchịu 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 cổ điểnvới giả thiết mặt trượt có dạng hình trụ tròn

11

Hình 4 Sơ đồ tính toán ổn định theo phương pháp phân mảnh cổ điển

Theo Goldstein, có thể xác định hệ số an toàn F ứng với cung trượt nguy hiểmnhất theo công thức sau:

 (1.7)

Trong đó: A, B: hệ số phụ thuộc vào độ dốc của mái taluy và được xác định bằngphương pháp tra bảng;

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

Cu: lực dính không thoát nước;

w

 : 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

1:2.25 3.19 7.27 3.26 7.23 3.66 6.56 4.90 6.16 6.18 5.981:2.5 3.53 7.30 3.46 7.62 3.82 6.74 5.03 6.26 6.26 6.021:2.75 3.59 8.02 3.68 8.00 4.02 6.95 5.17 6.36 6.34 6.051:3 3.59 8.81 3.93 8.40 4.24 7.20 5.31 6.47 6.44 6.09

- 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:

Vậy nền đường tại phân đoạn I trên xảy ra hiện tượng trượt cục bộ.

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 sau khikết thúc lún dưới tác dụng của tải trọng, gồm độ lún của bản thân nền đường đắp và độlún của nền đất yếu dưới nền đắp Ở đây, chúng ta không xét đến độ lún của nền đườngđắp (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, cần phảixác 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 yếu hoặcgt gtchiều sâu vùng đất yếu chịu lún z ; nếu là than bùn lún nhiều thì có thể giả thiết S =a gt20÷30% bề dầy nói trên);

- Tính toán phân bố ứng suất zi theo toán đồ Osterberg với chiều cao nền đắp thiết kế

có dự phòng lún H = H + S (H là chiều cao nền đắp thiết kế: nếu đắp trực tiếp’

tk tk gt tk

13

2,19,00,49,1098,0

*75,5143,078,5



tt d

u H

C B f A F



thiét kể từ mặt đất thiên nhiên khi chưa đắp đến mép vai đường; nếu có đào bớt đấtyếu 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) tùy’

Trong đó: m là hệ số dự đoán theo kinh nghiệm m = 1,1 ÷ 1,4

Độ lún cố kết: Để tính độ lún cố kết ổn định, ở đây sử dụng phương pháp phântầng lấy tổng Trong đó, theo 22TCN 262-2000 độ lún của phần đất yếu, tính theo chỉ

số nén lún, tùy từng trường hợp mà tính theo công thức sau:

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

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:

15

bt = i.hi (1.15)Ứng suất phụ thêm tại các điểm đáy lớp được tính theo công thức:

i

Pgl = đ.Htk – γ1.h1

Độ lún cố kết S được tính đến lớp phân tố cuối cùng nằm trong vùng hoạtc

động nén ép Vùng hoạt động nén ép được xác định đến độ sâu mà tại đó có σz0,15σbt

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

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

- Lớp 1: Dày 20,0m được chia thành 20 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

B ng 6 ng suấất t i tm dả Ứ ạ ưới nêền đ ường đắấp t i đo n Iạ ạ

(T/m2) (T/m )2

+ Tính lún cố kết của đất nền:

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

Như vậy, độ lún cuối cùng S = 3,19m lớn hơn so với tiêu chuẩn quy định, vì vậynền đường cần phải xử lý.

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 là

Thay vào công thức trên ta có:

t = 2*20 /(0,402 * 10 ) = 4826 * 10 s = 631,0 năm => Thời gian cố kết này là rất2 -7 7lâu 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:

* 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 đất yếu

và có tiếp tuyến nằm ngay độ sâu h = 1,5H (H là chiều cao đất đắp), độ dốc máitaluy là 1:1 => A = 5,78; B = 5,75

19

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

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 hợp vớigia tải trước

Bấc thấm gồm hai phần: lõi chất dẻo (hay bìa cứng) được bao ngoài bằng vật liệutổng hợp (thường là vải địa kỹ thuật polypropylene hay polyeste không dệt…) Bấcthấm 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 vào lõichất dẻo;

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

Lớp vải địa kỹ thuật bao ngoài là polypropylene và polyeste không dệt hay vật liệugiấy tổng hợp, chúng có các chức năng ngăn cách giữa lõi chất dẻo và đất xungquanh,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 tạo đường cho nướcthấm dọc chúng ngay cả khi áp lực ngang lớn

Nước lỗ rỗng trong đất thoát ra theolõi chất dẻo, dưới tác dụng của tải trọng tạmthời 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 thấy rằngbất thấm PVD có hệ số thấm (k= 10 m/s) lớn gấp nhiều lần so với hệ số thấm nước-4của đất sét yếu (k= 10 m/ngày đêm) Do đó các thiết bị PVD dưới dạng nén tức thời-5

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

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 trụ đất cóchứa một giếng cát ở trung tâm Lý thuyết của ông được dựa trên việc đơn giản hóacác giả thuyết có kết một hướng của Terzaghi (1943)

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

∂U/∂t =Ch[∂ U/∂r2 2+ (1/r)(∂U/∂r)]

21