Thuyết minh tính toán xử lý nền đất yếu

1. TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 2 1.1 Độ lún và Độ cố kết 2 1.2 Độ ổn định chống trượt 2 1.3 Tải trọng giao thông. 2 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 5 2.1 Lý thuyết và Phương pháp Tính toán thoát nước đứng 5 2.2 Lý thuyết và phương pháp tính toán Cọc cát đầm 9 2.3 Chiều dày lớp đệm cát thoát nước 12 2.4 Phần mềm 12 3. CHỈ TIÊU TÍNH TOÁN CỦA ĐẤT 13 3.1 Khối lượng thể tích đơn vị 13 3.2 Cường độ kháng cắt không thoát nước ban đầu 13 3.3 Hệ số tăng Cường độ kháng cắt không thoát nước 17 3.5 Tóm tắt giá trị đất tính toán cho Thiết kế xử lý nền đất yếu 23 4. PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 25 4.1 Thời gian cho công tác xử lý nền đất yếu 25 4.2 Sự cần thiết của biện pháp xử lý nền đất yếu 25 4.3 Các biện pháp có thể áp dụng xử lý nền đất yếu. 25 4.4 Phân đoạn 31 4.5 Kết quả thiết kế xử lý nền đất yếu 32

Môc lôc

1 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 2

1.1 Độ lún và Độ cố kết 2

1.2 Độ ổn định chống trượt 2

1.3 Tải trọng giao thông 2

2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 5

2.1 Lý thuyết và Phương pháp Tính toán thoát nước đứng 5

2.2 Lý thuyết và phương pháp tính toán Cọc cát đầm 9

2.3 Chiều dày lớp đệm cát thoát nước 12

2.4 Phần mềm 12

3 CHỈ TIÊU TÍNH TOÁN CỦA ĐẤT 13

3.1 Khối lượng thể tích đơn vị 13

3.2 Cường độ kháng cắt không thoát nước ban đầu 13

3.3 Hệ số tăng Cường độ kháng cắt không thoát nước 17

3.5 Tóm tắt giá trị đất tính toán cho Thiết kế xử lý nền đất yếu 23

4 PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 25

4.1 Thời gian cho công tác xử lý nền đất yếu 25

4.2 Sự cần thiết của biện pháp xử lý nền đất yếu 25

4.3 Các biện pháp có thể áp dụng xử lý nền đất yếu 25

4.4 Phân đoạn 31

4.5 Kết quả thiết kế xử lý nền đất yếu 32

-Báo cáo tính toán xử lý nền đất yếu Gói thầu EX-4

(Km 33+000 đến Km 48+000)

1 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

Các tiêu chuẩn thiết kế sau đây được đề xuất áp dụng để thiết kế xử lý nền đất yếu:

- Quy trình Khảo sát và Thiết kế nền đường đắp trên đất yếu 22TCN262-2000,

- Đường cao tốc – Yêu cầu Thiết kế TCVN5729-1997

Căn cứ các tiêu chuẩn trên, sau đây là các yêu cầu thiết kế xử lý nền đất yếu:

- Độ cố kết không ít hơn 90% hoặc tốc độ lún dư nhỏ hơn 2cm/năm

b) Đường ngang (Cầu vượt)

Nền đất yếu được xử lý đảm bảo yêu cầu tương ứng với tiêu chuẩn thiết kế đường ngang, cụ thể:

- Đối với đường có vận tốc thiết kế V=80Km/h, độ lún dư yêu cầu Sr<10cm đoạn đường đầu cầu, Sr<20cm đối với các đoạn còn lại

- Đối với đường có vận tốc thiết kế V=60Km/h, các yêu cầu tương ứng là 20cm và 30cm

- Không xử lý với đường có vận tốc thiết kế V=40Km/h trở xuống

- Theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 và tiêu chuẩn thiết kế đường gom, thì xử lý đất yếu

sẽ không thực hiện với đường gom Tuy nhiên, để phục vụ thi công tại các vị trí cống thoát nước, tùy điều kiện địa chất, có thể xem xét các giải pháp như thay một phần đất yếu bằng cát,đóng cọc tre,…Nội dung thiết kế này được thể hiện trong hồ sơ/bản vẽ thoát nước cho từng cống cụ thể

1.2 Độ ổn định chống trượt

Các điều kiện sau đây phải được xác nhận đối với độ ổn định chống trượt:

- Hệ số an toàn không nhỏ hơn 1,2 trong giai đoạn đắp và chờ cố kết, và

- Hệ số an toàn không nhỏ hơn 1,4 khi ở cuối giai đoạn chờ cố kết cuối cùng

1.3 Tải trọng giao thông.

Tải trọng giao thông được xác định theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 từ các phương trình sau đây:

G: Trọng lượng xe (=30 tấn trong trường hợp H30),

B: Bề rộng của tải trọng giao thông (Tối đa là 14,3m theo thiết kế, 1 bên),

l: khoảng cách giữa bánh xe trước và bánh xe sau (=6,6m, trong trường hợp H30),

Hình 1-2 Giá trị tải trọng và phân bổ Giá trị tải trọng q = 1.57T/m2 cũng được xem như tải trọng gây lún và được đưa vào tính toán.Theo 22TCN262-2000, tải trọng giao thông như xác định trên đây chỉ đưa vào tính toán ổnđịnh trượt Tuy nhiên, theo yêu cầu của Chủ đầu tư, trong thiết kế điều chỉnh, ngoài ổn địnhtrượt, trong tính toán lún và ổn định lún cũng sẽ xem xét đến tải giao thông Tuy nhiên, chỉnhững đoạn tải trọng giao thông có ảnh hưởng thực sự đến ổn định lún (được đánh giá quađiều kiện dưới đây) mới xem xét trong khi thi công (gia tải thêm 1 lớp tương đương tải tronggiao thông).

Đối với các đoạn thay đổi từ NT(không xử lý) của thiết kế cũ không xét tới tải trọng giaothông sang Gia tải trước (Gia tải trước) khi xét tới tải trọng giao thông sẽ xem xét không thayđổi (vẫn giữ nguyên NT) nếu thỏa mãn các yêu cầu tính toán theo 22TCN211-06 Nhữngtrường hợp này sẽ bổ sung thêm kết quả tính toán để khẳng định

Có thể tính toán độ lún cố kết bằng cách sử dụng công thức gốc theo mô tả dưới đây (sau đây gọi tắt là phương pháp e):

log

P P H

s

c

P

P P H

s

c

P

P P H e

C P

P H

log1

log

1 Đối với đất quá cố kết và Pc<P0+P (2-4)

Về lớp đất cát, có thể sử dụng công thức sau đây để tính độ lún tức thời (phương pháp De Beer)

o

o

P P H

Si: Độ lún tức thời của lớp đất cát,

eo: Hệ số rỗng tại áp lực P0 (Hệ số rỗng ban đầu),

Uv: Thành phần cố kết thẳng đứng được tính như đề cập trên,

Uh: Thành phần cố kết ngang được tính bằng kiến nghị Hansbo như sau:

n

F

2 2

2

4

13ln1

)

(

n

n n n

h

s

d

d k

q

k z L

ds: Khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các đường thấm đứng,

dw: Đường kính/đường kính tương đương của đường thấm đứng,

kh: Hệ số thấm theo phương ngang,

ks: Hệ số thấm trong vùng đất bị xáo trộn,

ds: Đường kính mặt cắt ngang của vùng đất bị xáo trộn,

L: Chiều dài thoát nước,

qw: Khả năng thoát nước của đường thấm đứng

C: Lượng tăng của sức kháng cắt không thoát nước do cố kết,

m: Hệ số tăng của sức kháng cắt không thoát nước

d) Kiểm toán trượt

Tư vấn kiến nghị sử dụng Phương pháp Bishop như công thức dưới đây để kiểm toán trượt

w

b u w b C

u: Áp lực nước lỗ rộng tác động đáy cung trượt,

W: Trọng lượng của phân tố,

 : Góc nghiêng tại đáy cung trượt so với phương ngang



Hình 2-2 Mô hình kiểm toán trượt Trong trường hợp có sử dụng lớp vải địa kỹ thuật gia cường, cường độ kháng trượt được tínhnhư sau:

Tensile: Cường độ chịu kéo đứt của vải (=200KN)

k: Hệ số an toàn (=2 với vải được làm bằng polyester theo 22TCN262-2000)

Hình 2-3 Resistant force mobilized from reinforced geotextile

2.2 Lý thuyết và phương pháp tính toán Cọc cát đầm

a) Tổng quan

Phương pháp Cọc cát đầm (SCP) sử dụng tải trọng rung để xuyên một ống chống tạo cọc cátđầm vào lớp đất yếu Phương pháp này sẽ giúp gia tăng khả năng chịu tải, giảm độ lún cố kết,tăng sức kháng theo phương ngang, tạo sự đồng đều cho đất, tăng hiệu quả thoát nước cố kết

do việc tăng độ chặt của đất Phương pháp này được áp dụng cho hầu hết các điều kiện đấtgồm cả đất cát, đất sét và đất hữu cơ

b) Thiết kế

 Tỷ lệ thay thế

Tỷ lệ thay thế được định nghĩa bằng phương trình sau đây và sẽ được tính toán cho dạng hìnhvuông và dạng tam giác như sau (hình 2-3):

Hình 2-3 Sơ đồ bố trí và quan niệm thiết kế Cọc cát đầm (SCP)

3

d

As A

As

Trong đó,

As: Diện tích mặt cắt ngang của Cọc cát đầm

d: Khoảng cách từ Tâm đến Tâm

 Sức kháng cắt

Nền đất yếu sau khi được xử lý bằng Cọc cát đầm sẽ được xem là nền đất hỗn hợp gồm cóCọc cát đầm và đất yếu bao quanh Sức kháng cắt của nền đất hỗn hợp SC được tính toán nhưsau:

τsc=(1-Fv)(Co+Cu/p• (Po-Pc+μc•sc=(1-Fv)(Co+Cu/p• (Po-Pc+μc•c•z)•U+ Fv • (s'•Z+μc•s•z)tans• (cosθ)² )² (2-23)τsc=(1-Fv)(Co+Cu/p• (Po-Pc+μc•sc=(1- Fv)(Co+Cu/p• (Po-Pc+μc•c•z )·U+('m•Z+z )•μc•s •Fv •tans •(cosθ)² )² (2-24)

Trong đó,

) 1 ( 1

s: Hệ số tăng ứng suất,

Fv n

n s

s

) 1 (







Cu/p: Tỷ lệ tăng cường độ

s': Trọng lượng thể tích đẩy nổi của cát

Z: Độ sâu của mặt phá hoại

s: Góc ma sát trong của cát

: Góc giữa bề mặt phá hoại so với phương ngang

z: Ứng suất tăng tại mặt phá hoại do tải trọng nền đường đắp (Δσ))

: Ứng suất bình quân

c: Ứng suất tác động lên lớp đất xung quanh

s: Ứng suất tác động lên Cọc cát đầm

γm' = Trọng lượng thể tích đẩy nổi của đất hỗn hợp m' = Trọng lượng thể tích đẩy nổi của đất hỗn hợp

Góc ma sát trong của cát (của Cọc cát đầm) phụ thuộc vào tỷ lệ thay thế thể hiện trong bảng2-1 dưới đây:

Bảng 2-1 Góc ma sát trong và Tỷ lệ phân chia ứng suất theo tỷ lệ thay thế

Tỷ lệ thay thế, Fv Góc ma sát trong

của cát, s

Tỷ lệ phân chiaứng suất, n

c

P

P c P H

s

c

P

P c P H e

C P

P H

log1

log

2.3 Chiều dày lớp đệm cát thoát nước:

Chiều cao cột nước áp lực do tải trọng nền đắp gây ra được tính toán theo công thức:

3 CHỈ TIÊU TÍNH TOÁN CỦA ĐẤT

Chi tiết điều kiện địa chất công trình và các đặc trưng của đất đựơc trình bày trong báo cáo Khảo sát Địa kỹ thuật cho Gói thầu EX4 do Tổng công ty Tư vấn Thiết kế GTVT lập Các phần sau đây chỉ phân tích các chỉ tiêu tính toán của đất để xử lý đất yếu

3.1 Khối lượng thể tích đơn vị

Theo số liệu thí nghiệm, sự thay đổi khối lượng thể tíchg (w) theo độ sâu của các lớp đất 1,2a, 2b, 3, 5 và 6 được thể hiện trong hình 3-1

Unit weight (t/m 2 ) Vs Depth

Hình 3-1 Sự thay đổi khối lượng thể tích tự nhiên theo độ sâu của đất

Từ hình vẽ trên, các giá trị sau sẽ được kiến nghị sử dụng:

3.2 Cường độ kháng cắt không thoát nước ban đầu

Cường độ kháng cắt không thoát nước ban đầu của đất yếu (Co) được xác định dựa trên các

cơ sở sau:

- Thí nghiệm cắt cánh hiện trường (FVST): Giá trị Co sẽ được tính trực tiếp từ FVST tiếnhành trong quá trình khoan nền đắp (Lỗ khoan-Y),

- Thí nghiệm ba trục, biểu đồ-UU (Thí nghiệm UU): Giá trị Co cũng được đánh giá trực tiếp

từ thí nghiệm UU trong phòng, những thí nghiệm này được tiến hành trên các mẫu nguyêndạng, để có giá trị Co đáng tin cậy cho thiết kế, việc phân tích sẽ được tham khảo thêm những

cơ sở sau:

- Thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT): Giá trị Co sẽ được tính từ sức kháng xuyên đầu mũi (qc) theophương trình sau:

Nk

po qc

Co (t/m2) Vs Depth for UU Test

Hình 3-3 Kết quả thí nghiệm và giá trị Co điển hình thí nghiệm UU

Co (t/m2) Vs Depth for CPT Test

Co (t/m2) Vs Depth for SPT Test

Figure 3-5 Co từ thí nghiệm SPT và giá trị điển hình

Các giá trị Co đặc trưng của các lớp đất từ bốn phương pháp thí nghiệm trên được tổng hợptheo hình vẽ 3-6 sau

Hình 3-6 Các giá trị Co đặc trưng từ các thí nghiệm và kiến nghị giá trị dùng cho thiết kế

Từ những phân tích trên, các giá trị C0 sau sẽ được kiến nghị sử dụng:

Riêng đối với lớp 4, lớp này được phát hiện như những thấu kính cát pha (SC, SC-SM) và sẽ

có biểu hiện hầu như đất cát, trong đó góc ma sát trong đóng vai trò quan trọng cho cường độđất và sẽ được tính từ mối quan hệ thực nghiệm Dunham (1954) như sau:

Theo đó, với giá trị SPT điển hình bằng 8, =25o

3.3 Hệ số tăng Cường độ kháng cắt không thoát nước

Cường độ kháng cắt không thoát nước của đất yếu tăng do cố kết với hệ số gọi là “Hệ số tăngcường độ kháng cắt không thoát nước” – m, hệ số này được tính từ thí nghiệm 3 trục, CU –thí nghiệm CU và như đã chỉ ra trong Tiêu chuẩn 22TCN262-2000, m bằng tan (cu)

Giá trị-m từ số liệu thí nghiệm CU được chỉ ra trong hình 3-7

Hình 3-7 Hệ số tăng cường độ kháng cắt không thoát nước do cố kết

Theo hình vẽ trên, các giá trị thiết kế sau sẽ được kiến nghị sử dụng:

- Lớp 2A: m=0.26

- Lớp 2B: m=0.25

- Lớp 5: m=0.25

Tuy nhiên, thí nghiệm CU chỉ được thực hiện cho lớp đất yếu, mà không có thí nghiệm chocác dẻo cứng (lớp 1, 3 và 6) Hệ số m của những lớp này được xác định tham khảo từ giá trịquan hệ C/P như sau (bảng 3-1)

Bảng 3-1 Xác định giá trị mLớp Co/Pc Kiến nghị giá trị m

3.4 Điều kiện cố kết trước và Các chỉ tiêu cố kết

Hình 3-8 thể hiện các giá trị áp lực tiền cố kết của trầm tích gói thầu EX4 so với áp lực địatầng của lớp đất

Consolidation Condition Chart

thí nghiệm cố kết như liệt kê dưới đây:

0.0625 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 0.0938 0.1875 0.375 0.75 1.5 3 6 0.0938 0.1875 0.375 0.75 1.5 3 6 1.917 1.823 1.764 1.662 1.517 1.345 1.160 0.970 0.797 0.755 0.708 0.628 0.555 0.474 0.396 1.537 1.141 0.997 0.663 0.378 0.192 0.089

e - P (Kg/cm 2 ) Cv.10-3 (cm 2 /sec) - P (Kg/cm 2 ) Kv.10 -7 (cm/sec) - P (KG/cm 2 )

Consolidation coefficient curve of soil 2A

0.1 1.0 10.0

0.0625 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 0.0938 0.1875 0.375 0.75 1.5 3 6 0.0938 0.1875 0.375 0.75 1.5 3 6 0.844 0.827 0.816 0.798 0.770 0.735 0.694 0.645 3.774 3.313 3.232 2.993 2.816 2.643 2.429 3.728 1.858 1.425 0.985 0.578 0.330 0.182

e - P (Kg/cm 2 ) Cv.10-3 (cm 2 /sec) - P (Kg/cm 2 ) Kv.10 -7 (cm/sec) - P (KG/cm 2 )

Consolidation coefficient curve of soil 3

0.1 1.0 10.0 100.0

Hình 3-13 Đường cong thí nghiệm và giá trị điển hình của lớp 6

Chỉ số nén của các lớp đất 1, 2a, 2b, 3, 5, và 6 từ các thí nghiệm cố kết cũng được tổng hợpcùng vói các giá trị đặc trưng theo hình dưới đây:

Compression index Vs Depth

0.0 1.0 2.0 Soil 2a

0.439

0.0 1.0 2.0 Soil 2b

zx

0.153

0.0 0.5 1.0 Soil 3

0.273

0.0 0.5 1.0 Soil 5

0.358

0.0 1.0 2.0 Soil 6

Hình 3-14 Số liệu thí nghiệm và chỉ số nén lún của các lớp đất 1, 2a, 2b, 3, 5 và 6

Từ hình vẽ trên cho thấy các số liệu thí nghiệm rất hạn chế, trừ lớp 2b Để có được số liệu tốtnhất dùng cho thiết kế, cũng cần xem xét kiểm tra trên mối quan hệ giữa Cc và các số liệu thínghiệm khác Hình vẽ 3-15 và 3-16 là biểu đồ quan hệ giữa Cc và e, giữa Cc và Wn theo các

số liệu thí nghiệm

Từ hình vẽ cho kết quả R2 =0.9 là hợp lý Điều đó có nghĩa là mối quan hệ theo như trên là cóthể chấp nhận được

Theo như các quan hệ này, giá trị Cc từ các số liệu thí nghiệm cũng như các giá trị kiến nghị

sử dụng được tính toán và tổng hợp theo bảng sau:

Relation chart Cc-e0

Cc = 0.4918e - 0.2516

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Cũng giống như vậy, hệ số cố kết và hệ số thấm của lớp 1 cũng chỉ có 1 mẫu và được kiếnnghị tính toán từ cùng mối quan hệ đó với hệ số rỗng được thể hiện theo hình 3-14 dưới đây:

Hình 3-17 Quan hệ giữa hệ số cố kết và hệ số thấm với hệ số rỗng

Theo như mối quan hệ trên, hệ số Cv và Kv của lớp đất 1 được tính toán và kiến nghị như sau

Cv x 10-3 cm2/sec 3.460

3.5 Tóm tắt giá trị đất tính toán cho Thiết kế xử lý nền đất yếu

Theo như phân tích ở trên, các giá trị tính toán của đất cho thiết kế xử lý nền đất yếu đượctóm tắt trong bảng 3-1 sau

Bảng 3-1 Tóm tắt các thông số tính toán của đất kiến nghị cho Thiết kế xử lý nền đất yếu

4 PHÂN TÍCH XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

4.1 Thời gian cho công tác xử lý nền đất yếu

Gói thầu này được dự kiến hoàn thành trong 32 tháng và một khoảng thời gian nhỏ hơn 18tháng được dự kiến cho xử lý nền đất yếu khi xem xét các vấn đề sau:

- Thời gian cho công tác chuẩn bị,

- Thời gian cho thi công cống và các kết cấu ngầm,

- Thời gian thi công các cọc và trụ cầu,

- Thời gian thi công áo đường và hoàn thiện và

- Tái sử dụng hợp lý các vật liệu gia tải và chất tải trước cho các đoạn để giảm thiểu chi phívật liệu

4.2 Sự cần thiết của biện pháp xử lý nền đất yếu

Trong gói thầu EX-4, địa tầng biến đổi cả về sự phân bố ( đặc biệt là về chiều sâu các lớp đất)

và chỉ tiêu của các lớp đất Do đó để lựa chọn giải pháp xử lý đất yếu, trường hợp không xử lý

sẽ được kiểm tra đầu tiên cho mỗi đoạn Trong trường hợp kết quả tính toán không phù hợpvới độ lún hoặc tiêu chí ổn định thì sau đó mới xem xét đến việc xử lý Trong trường hợp này,nguyên tắc xử lý sẽ được thử dần theo thứ tự từ đắp gia tải chờ lún rồi đến các giải pháp thoátnước thẳng đứng (PVD, SD, SCP)

4.3 Các biện pháp có thể áp dụng xử lý nền đất yếu.

a) Các biện pháp xử lý nền đất yếu

Có một số biện pháp để xử lý nền đất yếu, nhưng thường được phân loại thành 2 loại gồmchống trượt và tăng cố kết như liệt kê trong bảng 4-2 dưới đây:

Bảng 4-2 Phân loại các biện pháp xử lý nền đất yếu

b) Đánh giá thiết kế cơ sở

Đánh giá đề xuất xử lý nền đất yếu trong Thiết kế cơ sở và theo đó, đề xuất một số phương áncho Thiết kế Kỹ thuật Tất cả các kết quả đánh giá được tóm tắt trong Bảng 4-3 như sau

Bảng 4-3 Đánh giá Kết quả và Phương án cho Giai đoạn Thiết kế Kỹ thuật

Tăng độ cố kết

Nền đắp(H) < 5m Chiều dày lớp đất yếu (D) < 20

Giếng cát

Nền đắp (H) ≥ 5m Chiều dày lớp đất yếu (D) ≥ 20 Giếng cát

Bấc thấm Giếng cát

Cọc xi măng đất

Cọc cát đầm

Sàn giảm tải Cọc xi măng đất

c) So sánh các biện pháp gia tăng cố kết

Để có được giải pháp cho việc xử lý nền đất yếu trong số các biện pháp gia tăng cố kết nêutrên, các biện pháp sử dụng Bấc thấm, Giếng cát đã được so sánh với nhau và cho kết quả nhưsau:

Mặt cắt

ngang