Vấn đề hệ số an toàn trong tính toán ổn định nền đường đắp vũ tuấn anh Trường Đại học giao thông Đường Bộ Mascơva Tóm tắt: Bμi báo đề cập đến những vấn đề cần thảo luận, nghiên cứu liê
Trang 1Vấn đề hệ số an toàn trong tính toán ổn định nền đường đắp
vũ tuấn anh
Trường Đại học giao thông Đường Bộ Mascơva
Tóm tắt: Bμi báo đề cập đến những vấn đề cần thảo luận, nghiên cứu liên quan đến hệ số
an toμn ổn định khi tính toán thiết kế nền đường
Summary: The article discusses the issues on the problems involving the safety
coefficient in caculation and design road bed
1 Đặt vấn đề
Tính toán ổn định nền đường đắp là một nội dung quan trọng trong tính toán thiết kế đường,
đặc biệt đối với đường đắp cao qua vùng đất yếu Khi tiến hành tính toán ổn định nền đường
đắp người kỹ sư thiết kế cần cân nhắc các dữ liệu cho trước về cấp hạng đường, tải trọng xe, các tham số hình học của nền đắp, chỉ tiêu cơ lý của đất đắp, đất nền tự nhiên … để cân nhắc lựa chọn: phương pháp tính toán ổn định và xác định hệ số an toàn ổn định cho phép
Sự cân nhắc lựa chọn như vậy không mấy dễ dàng vì cho đến nay vẫn tồn tại một số phương pháp tính toán ổn định và hệ số an toàn cũng được quy định theo một dải khá rộng (từ 1,2 ữ 1,6 có khi đến 1,8 hoặc 2) mà chưa có một cơ sở lý luận chặt chẽ Sau đây chúng ta sẽ đề cập đến những vấn đề này nhằm gợi mở hướng nghiên cứu giải quyết
CT 2
2 Vấn đề tính toán ổn định của nền đường đắp
Trước hết cần khẳng định rằng: ”Nền đường đắp là khái niệm dùng để chỉ một hệ thống công trình tổ hợp không thể tách rời bao gồm nền đất đắp và đất nền tự nhiên Như vậy bài toán tính toán ổn định nền đường đắp tất yếu phải là “Tính toán ổn định tổng thể hệ thống nền đất
đắp - đất nền tự nhiên”
Tuy nhiên nội dung bài báo này chỉ giới hạn đề cập tới vấn đề tính toán ổn định đất nền tự nhiên dưới nền đất đắp
Giả thiết vμ sơ đồ tính
Để tính toán ổn định của nền đường đắp người ta thường ứng dụng một trong 2 phương pháp phổ biến là:
Trang 2- Đánh giá ổn định của nền đường đắp theo sức chịu tải giới hạn (Pph) của đất nền tự nhiên
- Đánh giá ổn định của nền đường đắp theo sức chống cắt (S) của đất nền tự nhiên
2.1 Đánh giá ổn định của nền đường đắp theo sức chịu tải giới hạn của đất nền tự
nhiên
Giải hệ thống phương trình vi phân cân bằng giới hạn của F Ketter, bỏ qua ảnh hưởng của
trọng lượng đất nền tự nhiên, Prandtl đã xác định được Pgh1 theo biểu thức:
ϕ
ư ϕ
ư
ϕ + ϕ +
sin 1
sin 1 ) g cot c P (
trong đó:
P0 - tải trọng bền, P0 = δγ0;
δ - chiều sâu nền đất đắp lún vào nền tự nhiên;
γ0, c, ϕ - tương ứng là trọng lượng đơn vị, lực dính đơn vị, góc nội ma sát của đất nền tự
nhiên
Hoặc theo lời giải của V G Berezansev:
Khi xét đến trọng lượng của đất nền tự nhiên:
c N p N b N
Pgh2 = γγ0 1+ p 0+ c (2) trong đó:
CT 2
Nγ, Np, NC - các hệ số về khả năng chịu tải của đất tương ứng với các giá trị góc nội ma
sát ϕ;
b - nửa chiều rộng của tải trọng hình băng chữ nhật (chiều rộng trung bình nền đắp)
Hệ số an toàn ổn định K1 được xác định như sau:
P
P
trong đó:
Pgh - sức chịu tải giới hạn của đất nền tự nhiên (tính theo (1) hoặc (2))
P - áp suất lên bề mặt đất nền tự nhiên dưới đáy nền đất đắp (do tải trọng đất đắp và
tải trọng xe cộ gây ra)
K1 = 1 - nền đường ở trạng thái cân bằng giới hạn;
K1 < 1 - nền đường mất ổn định;
K1 > 1 - nền đường ổn định
2.2 Đánh giá ổn định của nền đường đắp theo sức chống cắt của đất nền tự nhiên
Theo phương pháp này người ta quan niệm rằng: Dưới tác dụng của tải trọng đất đắp, xe
cộ và trọng lượng bản thân đất nền tự nhiên, trong đất nền tự nhiên phát sinh ứng suất cắt cực
Trang 3đại τmax Đất nền tự nhiên sẽ bị biến dạng dẻo (phá hoại) tại những điểm ở đó τmax > sức chống cắt (S) của đất:
c tg
trong đó:
σ - ứng suất pháp thẳng đứng do ngoại tải và trọng lượng bản thân gây ra trong đất nền tự nhiên
ϕ, c - góc nội ma sát và lực dính đơn vị của đất nền tự nhiên Với đất yếu (ϕ ∼ 0) thì S = c, trong quá trình gia tải, cố kết sức chống cắt tăng dần lên S; η = (0,31 ữ 4,0)
τM - ứng suất cắt lớn nhất do ngoại tải (trọng lượng đất đắp và phương tiện) gây ra tại điểm tính toán (M)
Với sơ đồ nền đất đắp là tải trọng hình thang dài vô hạn (hình dưới) - τm được tính theo công thức (5)
2 3 1 3 2
4 1 2
R R
R R ln b
pz
α
ư α + π
=
α1, α2 - tính bằng radian
P - áp suất của nền đắp tác dụng lên nền đất tự nhiên ; P = γH
CT 2
Hệ số an toàn ổn định K2 được xác định:
max 2
S K τ
K2 < 1 tại điểm tính toán đất nền tự nhiên bị biến dạng dẻo
K2 = 1 tại điểm tính toán đất nền tự nhiên ở trạng thái cân bằng giới hạn
K2 > 1 tại điểm tính toán đất nền tự nhiên ở trạng thái ổn định
Trang 43 Vấn đề hệ số an toμn trong tính toán ổn định nền đường đắp
Qua những phân tích trên ta thấy:
3.1 Với phương pháp tính toán theo sức chịu tải giới hạn (P gh ) của đất nền thì hệ số
an toàn K1 là hệ số an toàn ổn định của nền đường đắp Khi K1 > 1 nền đường ổn định Tuy
nhiên vấn đề đặt ra là K1 yêu cầu đến mức nào: K1 = 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6;… ? Quy phạm
các quốc gia thường quy định hệ số an toàn ổn định yêu cầu Kyc khác nhau và nằm trong
khoảng từ 1,4 ữ 1,8 tuỳ thuộc chức năng, ý nghĩa, cấp hạng kỹ thuật của đường Cấp hạng
đường càng cao thì giá trị hệ số an toàn càng lớn Tuy nhiên khi tăng Kyc thì chi phí cho xây
dựng nền đường cũng tăng lên do phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật cần thiết để tăng sức
chịu tải (hoặc sức chống cắt) của đất nền tự nhiên, hoặc giảm tải trọng của nền đất đắp … và
như vậy người kỹ sư thiết kế cần cân nhắc, luận chứng kinh tế kỹ thuật để xác định hệ số an
toàn hợp lý Đây là một vấn đề hiện nay đang cần phải nghiên cứu làm sáng tỏ
3.2 Với phương pháp tính toán ổn định theo sức chống cắt của đất nền tự nhiên thì
hệ số an toàn ổn định K2 là hệ số an toàn ổn định cho một điểm trong đất nền tự nhiên Đối với
nền đường cấp cao, khi có yêu cầu không cho phép phát sinh biến dạng dẻo ở bất kỳ một điểm
nào trong đất nền tự nhiên Khi đó K2 sẽ là hệ số an toàn ổn định của nền đường đắp và trị số
của Kyc hoàn toàn có ý nghĩa tương tự như đã đề cập ở mục 3.1
Hiện có quan niệm cho rằng đối với đường thông thường có thể cho phép tồn tại một vùng
biến dạng dẻo (bao gồm những điểm có hệ số an toàn ổn định K2 < 1) với bề rộng chưa vượt
quá một nửa bề rộng đáy nền đắp thì nền đường vẫn ổn định Vấn đề đặt ra là tại sao lại có thể
quan niệm như vậy? Nếu phạm vi khu vực biến dạng dẻo trong đất nền bé hơn hoặc lớn hơn
một nửa bề rộng đáy nền đất đắp thì sao? Câu hỏi này đến nay vẫn chưa được làm sáng tỏ và
dĩ nhiên cần phải nghiên cứu tiếp
CT 2
4 Kết luận
Nền đường đắp là một bộ phận đặc biệt quan trọng, là kết cấu cơ sở của công trình đường;
những nội dung nghiên cứu đã thảo luận ở trên tất yếu
Sự ổn định của nền đường đắp quyết định cho sự ổn định, tuổi thọ và chất lượng khai thác
của toàn bộ công trình nền - mặt đường từ đó dẫn tới khái niệm về “hệ thống nền - mặt đường”
và “nền đất đắp - đất nền tự nhiên” Tính toán ổn định nền đường đắp thực chất phải là tính toán
ổn định tổng thể hệ thống nền đất đắp - đất nền tự nhiên Những nội dung nghiên cứu như đã
thảo luận ở trên tất yếu sẽ dẫn tới lời giải cho sự lựa chọn hệ số an toμn ổn định hợp lý trong
tính toán ổn định nền đường đắp Đây thực sự là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn
quan trọng trong xây dựng đường ô tô
Tài liệu tham khảo
[1] Thiết kế nền đường đắp trên đất yếu (bổ sung vào SNIP 2.05.02-85), nhà xuất bản Stroyizdat,
Mascơva-1989
[2] N N Maslov Địa chất và cơ học đất đại cương Nhà xuất bản Vưshaya Skola, Mascơva, 1982
[3] Pierre Laréal, Nguyễn Thành Long, Nguyễn Quang Chiêu Nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện
Việt nam, Nhà xuất bản KHKT, Hà nội, 1994Ă