Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy

TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU THEO TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH VÀ THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY.... TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG CÔNG TRÌNH CỤ THỂ.... Tính toán ổn

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ……… 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU………. 6

LỜI CẢM ƠN……… … 7

MỞ ĐẦU……… 8

1.1 Sự cần thiết của đề tài 8

1.2 Mục đích của đề tài……… 8

1.3 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài………. 8

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài………. 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU………. 10

1.1 Khái niệm về đất yếu………. 10

1.2 Những sự cố thường xảy ra của nền đắp trên đất yếu………… 11

1.2.1 Phá hoại do trượt trụ tròn……… 11

1.2.2 Phá hoại do lún trồi………… ……… 12

1.3 Các giải pháp khắc phục các sự cố của nền đắp trên đất yếu… 13

1.3.1 Sửa chữa hình học 13

1.3.2 Xây dựng theo giai đoạn………. 14

1.3.3 Cải thiện các tính chất của đất yếu……… 15

1.3.4 Các phương pháp khác……… ……… 16

1.4 Các phương pháp tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu……… 16

1.4.1 Tính toán nền đắp trên đất yếu theo quan điểm tiền định… 16

1.4.2 Sự cần thiết tính toán nền đắp trên đất yếu theo quan điểm của lý thuyết độ tin cậy……… 22

1.4.2.1 Những vấn đề còn tồn tại của phương pháp các trạng thái giới hạn……… ………. 22

1.4.2.2 Sự cần thiết tính kiểm tra ổn định của n n đ p trên ền đắp trên ắp trên đ t y u ất yếu ếu theo lý thuyết độ tin cậy……… 23

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU THEO TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH VÀ THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 25

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán tiền định nền đắp trên đất yếu 25

2.2 Tính toán nền đắp trên đất yếu theo Tiêu chuẩn hiện hành… 36

2.2.1 Các Tiêu chuẩn thiết kế nền đất yếu hiện hành… ………… 36

2.2.2 Tính toán ổn định của nền đắp trên đất yếu về trượt trụ tròn……… 37

2.2.3 Tính toán ổn định của nền đắp trên đất yếu về lún trồi……. 42

2.3 Tính toán nền đắp trên đất yếu theo lý thuyết độ tin cậy……… 43

2.3.1 Nguyên tắc tính toán nền đắp trên đất yếu theo lý thuyết độ tin cậy [4]……… 43

2.3.2 Phương pháp tính toán độ tin cậy về ổn định của nền đắp

trên đất yếu 45

2.3.3 Phương pháp mô hình hóa thống kê từng bước trong tính toán độ tin cậy của công trình 48

2.3.4 Độ tin cậy về ổn định của nền đắp trên đất yếu về trượt sâu. 52 2.3.4.1 Thuật toán tiền định 52

2.3.4.2 Quá trình mô hình hóa thống kê 55

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 59

3.1 Giới thiệu về công trình “Gói thầu số 7 (km 0+00 ÷ km 2+00) – Đường cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây” 59

3.2 Tài liệu về công trình nền đắp trên đất yếu……… …. 60

3.2.1 Đặc điểm địa hình, địa mạo……… ……… 60

3.2.2 Đặc điểm địa chất thủy văn………. 60

3.2.3 Đặc điểm địa chất khu vực……… 61

3.2.4 Đặc điểm địa chất công trình nền đường ……… 61

3.3 Tính toán ổn định của nền đắp trên đất yếu theo Tiểu chuẩn hiện hành… ………. 64

3.3.1 Tính toán ổn định của nền đắp trên đất yếu về lún trồi……….…… 64

3.3.2 Tính toán ổn định của nền đắp trên đất yếu về trượt trụ tròn……… 65

3.4 Tính toán độ tin cậy về ổn định của công trình nền đắp trên đất yếu……… 68

3.5 Phân tích các kết quả tính toán……… ……… 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 86

Kết luận……… 86

Kiến nghị………. 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

PHỤ LỤC TRÌNH TỰ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NHỎ NHẤT KMIN VÀ MẶT TRƯỢT TRÒN NGUY HIỂM NHẤT THEO PHẦN MỀM GEO-SLOPE………

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các phá hoại dạng mặt trượt trụ tròn.

Hình 1.2 Phá hoại của nền đắp do lún trồi.

Hình 1.3 Nguyên tắc xây dựng nền đắp theo giai đoạn

Hình 1.4 Xây dựng theo giai đoạn - Sơ đồ xét tới việc tăng lực dính do cố kết Hình 2.1 Các mặt trượt có bán kính và cung trượt khác nhau

Hình 2.2 Phân tích ứng suất tổng φ u = 0

Hình 2.3 Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng

Hình 2.4 Phương pháp phân mảnh

Hình 2.5 Sơ đồ tác dụng của các lực

Hình 2.6 Mảnh đơn giản hóa của Bishop

Hình 2.7 Sơ đồ các dạng mất ổn định của nền đắp trên đất yếu do trượt Hình 2.8 Sơ đồ xác định hệ số K minmin theo phương pháp mò tìm

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán ổn định trượt theo phương pháp Bishop

Hình 2.10 Sơ đồ mất ổn định của nền đắp trên đất yếu do lún trồi

Hình 2.11 Biểu đồ xác định hệ số sức chịu tải N c của nền đất yếu

Hình 2.12 Sơ đồ tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu

Hình 3.1 Bản đồ hướng tuyến Đường cao tốc TP Hồ Chí Minh – Long Thành –

Dầu Giây

Hình 3.2 Mặt cắt ngang điển hình tính toán

Hình 3.3 Kiểm toán ổn định nền đường với trường hợp chiều dày lớp đất yếu H 1 = 10m Hệ số ổn định K min = 1,218

Hình 3.4 Kiểm toán ổn định nền đường với trường hợp chiều dày lớp đất yếu H 1 = 6m Hệ số ổn định K min = 1,255

Hình 3.5 Kiểm toán ổn định nền đường với trường hợp chiều dày lớp đất yếu H 1 = 12m Hệ số ổn định K min = 1,219

Hình 3.6 Sơ đồ tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu tại Gói thầu số 7 – Đường

cao tốc Hồ Chí Minh – Long Thành – Dầu Giây

Hình 3.7 Chương trình tính toán tiền định

Hình 3.8 Số liệu tính toán tiền định

Hình 3.9 Kết quả tính toán tiền định

Hình 3.10 Số liệu tính toán xác suất

Hình 3.11 Kết quả tính toán xác suất

Hình 3.12 Biểu đồ thực nghiệm phân bố thống kê của: a) mômen chống trượt M g ; b) mômen gây trượt M tr , khi φ 1 = 15 0 (bảng 3.6)bảng 3.6)

Hình 3.13 Biểu đồ thực nghiệm phân bố thống kê của

mômen chống trượt M g khi: a) φ 1 = 25 0 ; b) φ 1 = 45 0 (bảng 3.6)bảng 3.6)

Hình 3.14 Biểu đồ thực nghiệm phân bố thống kê của mômen chống trượt M g khi: a) φ 2 = 5,15 0 ; b) φ 2 = 7,15 0 (bảng 3.6)bảng 3.8)

Hình 3.15 Biểu đồ thực nghiệm phân bố thống kê của mômen chống trượt M g khi: a) c 1 = 25 kPa ; b) c 1 = 35 kPa (bảng 3.6)bảng 3.7)

Hình 3.16 Biểu đồ thực nghiệm phân bố thống kê của mômen chống trượt M g khi: a) c 2 = 11 kPa ; b) c 2 = 14 kPa (bảng 3.6)bảng 3.9)

Hình 3.17 Biểu đồ quan hệ: 1- giữa hệ số ổn định K B và φ 1 (bảng 3.6)a), K B và c 1 (bảng 3.6)b);

2- giữa độ tin cậy P và φ 1 (bảng 3.6)a), P và c 1 (bảng 3.6)b)

Hình 3.18 Biểu đồ quan hệ: 1- giữa hệ số ổn định K B và φ 2 (bảng 3.6)a), K B và c 2 (bảng 3.6)b);

2- giữa độ tin cậy P và φ 2 (bảng 3.6)a), P và c 2 (bảng 3.6)b)

Hình 3.19 Minh họa phân bố thống kê của góc nội ma sát 2

Bảng 3.5: Các số liệu đưa vào tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu

Bảng 3.6: Kết quả tính toán khi cho giá trị φ1 thay đổi

Bảng 3.7: Kết quả tính toán khi cho giá trị c1 thay đổi

Bảng 3.8: Kết quả tính toán khi cho giá trị φ2 thay đổi

Bảng 3.9: Kết quả tính toán khi cho giá trị c1 thay đổi

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn,PGS.TS Nguyễn Văn Vi, cùng các Thầy, các Cô trong Khoa Công trình thủy, ViệnĐào tạo Sau đại học, Ban Giám hiệu Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạođiều kiện, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiêncứu

Tôi cũng xin được tỏ lòng cảm ơn tới đồng nghiệp, bạn bè và gia đình, sựkhích lệ động viên tạo điều kiện về vật chất cũng như tinh thần là một nguồn lực tolớn giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đểhoàn thành luận văn Thạc sĩ kỹ thuật này

Hải Phòng, ngày 06 tháng 09 năm 2015

Học viên

Vũ Văn Nghĩa

MỞ ĐẦU 1.1 Sự cần thiết của đề tài

Đất yếu là loại đất có sức chịu tải nhỏ và tính nén lún lớn, thường gặp ở nước

ta Khi xây dựng nền đắp trên đất yếu nếu không được khảo sát, thiết kế cẩn thậnvà có biện pháp xử lý thích đáng thì nền đắp xây dựng trên đó thường dễ mất ổnđịnh, bị lún nhiều và lún kéo dài, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác và sử dụng mặtnền

Đã có nhiều phương pháp được nêu ra để tính toán ổn định và lún của nền đắptrên đất yếu, trong đó có phương pháp đã được đưa vào Tiêu chuẩn hiện hành Cácphương pháp này phản ảnh ở mức độ nào đó thực trạng của công trình khi bị mất

ổn định Tuy nhiên, các phương pháp này mang tính tiền định, không xét một cách

đầy đủ đặc tính ngẫu nhiên của các tham số tính toán của đất nền, đất đắp và các tảitrọng được đưa vào tính toán, cũng như không xét đến yếu tố thời gian Do đó,trong nhiều trường hợp, công trình nền đắp đã bị mất ổn định hoặc lún quá nhiềugây hậu quả nghiêm trọng mặc dù việc thiết kế, thi công và khai thác công trìnhnền đã tuân thủ nghiêm ngặt các Tiêu chuẩn, Quy phạm hiện hành.

Rõ ràng, cần phải xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số của đất và tảitrọng trong tính toán công trình nền đắp Việc đánh giá an toàn của nền đắp trên đấtyếu xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số kể trên chỉ được giải quyết trên cơ

sở lý thuyết xác suất và độ tin cậy Vì thế, đề tài “Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy” có tính

cấp thiết và giải quyết vấn đề trên là mục đích của Luận văn này

1.2 Mục đích của đề tài

So sánh sự an toàn của nền đắp trên đất yếu khi tính toán theo tiêu chuẩn hiệnhành và theo lý thuyết độ tin cậy, ứng dụng phương pháp trên để tính toán nền đắptrên đất yếu trong điều kiện cụ thể của một công trình

1.3 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phương pháp nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu các tài liệu thí nghiệm từ

các nguồn khác nhau kết hợp với phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu ổn định về trượt sâu, về lún trồi

của công trình nền đắp trên đất yếu theo các Tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyếtđộ tin cậy

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết cho việc thiết

kế và thi công nền đắp trên đất yếu

Ý nghĩa thực tiễn: Lý giải được những nguyên nhân xảy ra nhiều sự cố của

nền đắp trên đất yếu khi thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu đã tuân thủnghiêm ngặt các tiêu chuẩn hiện hành để có giải pháp tránh được những sự cố này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU1.1 Khái niệm về đất yếu

Cho đến nay, khái niệm đất yếu chưa thật rõ ràng và thống nhất vì tùy theoquy mô công trình và tải trọng tác dụng mà nền đất sẽ có mức độ tương tác vớicông trình khác nhau Có khi đất nền là yếu với cấp loại công trình này nhưng lạikhông yếu với cấp loại công trình khác Theo quan niệm của nhiều nhà khoa học vềđịa kỹ thuật và về xây dựng, đất yếu thường được hiểu như sau [2], [13]:

Đất yếu là loại đất có độ ẩm lớn hơn 80%, mô đun biến dạng thấp, với khoảngáp lực (0,05÷0,3) MPa thì E0 ≤ 5 MPa

Đất yếu là đất có khả năng chịu tải thấp, khoảng(0,05÷0,1) MPa

Góc ma sát trong của đất φ = 20÷100, lực dính đơn vị khoảng (0,002÷0,03)MPa

Tính biến dạng lớn, trong thế nằm tự nhiên đất yếu có mật độ không lớn – khitải trọng (0,1÷0,15) MPa thì độ lún của đất có thể đạt đến (10÷15)% chiều dày củalớp đất Thông thường, hệ số rỗng của các đất yếu e > 1,0.

Quá trình cố kết của đất yếu diễn ra trong khoảng thời gian rất dài Do khảnăng thấm nhỏ, hệ số thấm dao động trong khoảng (10‒6÷10‒9) cm/s, nên độ lúncuối cùng của công trình kéo dài có khi đến hàng chục năm

Vì thế, nếu không có biện pháp xử lý đúng đắn thì việc xây dựng công trìnhtrên đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được

Theo 22TCN 262-2000 [1], tùy theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có thếcó nguồn gốc khoáng vật hoặcnguồn gốc hữu cơ

Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ởven biển, vùng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu; loại này có thể lẫn hữu cơtrong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10 - 12 %) nên có thể cómầu nâu đen, xám đen, có mùi Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ởtrạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số

rỗng lớn (sét e ≥ 1,5 , á sét e ≥ 1), lực dính с theo kết quả cắt nhanh không thoát

nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát φ từ 00 – 100 hoặc lực dính từ kếtquả thí nghiệm cắt cánh hiện trường сu ≤ 0,35 daN/cm2

Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùncát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1,0, độ bão hòa G > 0,8)

Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọngthường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa vàphân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật Loại nàythường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 - 80%, thườngcó màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật)

1.2 Những sự cố thường xảy ra của nền đắp trên đất yếu

Nền đắp trên đất yếu thường được thi công nhanh, do đó ứng suất trong đấtyếu cũng như áp lực nước lỗ rỗng tăng lên nhanh chóng khiến cho cường độ khángcắt của đất trở nên không kịp đủ cân bằng với ứng suất cắt do tải trọng gây ra trongkhối đất

Đó là lý do làm cho nền đắp trên đất yếu dễ bị phá hoại trong quá trình xâydựng, và là những phá hoại trước mắt.

Sau khi xây dựng, áp lực nước lỗ rỗng giảm xuống, cường độ kháng cắt tănglên và độ ổn định của nền được cải thiện

Tương quan τmax= C’ + (σ – u)tgφ’ giữa cường độ kháng cắt τmax của đất vớiứng suất có hiệu σ’= σ – u cho phép ta giải thích hiện tượng trên

Từ những điều trên và kinh nghiệm cho thấy các hư hỏng của nền đắp trên đấtyếu thường là các phá hoại do trượt quay với cung trượt tròn

Trong các trường hợp đặc biệt, nền đất thiên nhiên rất đồng nhất hoặc đáy nềnđất được tăng cường thì cơ cấu của sự phá hoại là cơ cấu phá hoại của đất nền chịutác dụng của một móng nông Trong trường hợp này đất nền sẽ bị phá hoại theokiểu lún trồi và việc tính toán độ ổn định được tiến hành như tính móng nông cổđiển

1.2.1 Phá hoại do trượt trụ tròn

Kiểu phá hoại này thường gặp trong xây dựng đường do dạng hình học thôngthường của nền đắp Một mặt trượt dạng trụ tròn được sinh ra do nền đắp bị lún cụcbộ (h 1.1) Hậu quả của sự lún này là một bộ phận của nền đắp và đất nền thiênnhiên dọc theo diện tích phá hoại bị chuyển vị và có hình dạng thay đổi theo tínhchất và các đặc tính cơ học của vật liệu dưới nền đắp Để tính toán, trong cáctrường hợp đơn giản nhất thường xem mặt phá hoại tương tự một mặt trụ tròn và sựtrượt được gọi là trượt trụ tròn

Sự phá hoại của đất yếu do lún trồi hoặc trượt sâu vì đắp nền quá cao là mộthiện tượng xảy ra nhanh chóng trong khi thi công hoặc sau khi thi công xong mộtthời gian ngắn

Hình 1.2 Phá hoại của nền đắp do lún trồi.

1.3 Các giải pháp khắc phục các sự cố của nền đắp trên đất yếu

Khi kết quả tính toán kiểm tra ổn định cho thấy không thể đạt được một hệ số

an toàn lớn hơn hoặc bằng hệ số an toàn cho phép trong Tiêu chuẩn (K = 1,5) ứngvới chiều cao nền đắp sẽ xây dựng thì phải áp dụng các biện pháp cải thiện điềukiện ổn định

Các biện pháp này gồm có việc sửa chữa hình học của công trình, xây dựngnền đắp theo giai đoạn, cải thiện (hoặc tăng cường) đất yếu Các giải pháp khácnhư tăng cường đáy nền đắp, dùng vật liệu nhẹ,… thường ít được dùng

1.3.1 Sửa chữa hình học

Sửa chữa hình học bao gồm việc thay thế đất yếu hoặc sửa chữa kích thức nềnđắp Cường độ kháng cắt của đất thấp nhất ở bề mặt, có thể cải thiện độ ổn địnhbằng cách thay một số mét đầu tiên của đất yếu bằng một chiều dày tương đươngcác vật liệu rời rạc

Giải pháp thay đất cũng làm giảm độ lún đáng kể

Phải đánh giá lợi ích của công tác sửa chữa hình học về giá thành, cũng nhưvề việc tăng hệ số an toàn

Có thể sửa đối kích thước hình học của nền đắp theo hướng tăng độ ổn địnhbằng việc giảm độ dốc mái taluy Tuy nhiên, nếu giảm độ dốc mái taluy quá 1/3 thìkhông cải thiện được độ ổn định so với làm bệ phản áp, hơn nữa không phải ở vị trínào cũng cho phép giảm độ dốc mái taluy

1.3.2 Xây dựng theo giai đoạn

Xây dựng theo giai đoạn là tiến hành đắp nền đến một chiều cao đầu tiên saocho hệ số an toàn F ≥ 1,5 và chờ cho đất yếu cố kết (cải thiện cường độ kháng cắt).Trong giai đoạn cố kết, hệ số an toàn tăng lên khi tải trọng không đổi Như vậy cóthể đắp nền thêm một chiều cao mới để giảm hệ số an toàn đến trị số tối thiểu là 1,5và lặp lại quá trình một số lần cần thiết

Do thời gian cố kết cần thiết giữa hai giai đoạn khá dài nên hiếm khi đắp nềnđường đến ba giai đoạn

Thời gian thi công giảm đáng kể nếu làm đường thấm thẳng đứng

Việc tính toán kiểm tra độ ổn định trước khi đắp một lớp nền mới được tiếnhành với ứng suất tổng, trên cơ sở của trị số lực dính không thoát nước được tănglên do cố kết và được xác định theo một trong hai phương pháp sau:

- Đo bằng thiết bị cắt cánh hiện trường – Đưa trực tiếp trị số đo được vào tínhtoán không cần điều chỉnh, tải trọng của nền đắp có tác dụng phá hoại kết cấu củađất sét và giảm bớt vai trò của các nhân tố điều chỉnh của Bjerrum (???)

- Đánh giá độ tăng của lực dính không thoát nước – độ tăng này có thể tínhbằng số theo công thức:

ΔCu = Δσ’tgφcu.Dưới tim nền đường đắp Δσ’= Δσ.U, với Δσ là tổng ứng suất do nền đắp gây

ra và U là độ cố kết được đánh giá hoặc xác định theo kết quả đo áp lực nước lỗrỗng tại chỗ

Hình 1.3 Nguyên tắc xây dựng nền đắp theo giai đoạn

Hình 1.4 Xây dựng theo giai đoạn - Sơ đồ xét tới việc tăng lực dính do cố

kết

1.3.3 Cải thiện các tính chất của đất yếu

Có thể cải thiện tính chất của đất yếu do sự cố kết của khối đất dưới nền đắphoặc do tăng cường khối đất bằng các cột balat hoặc cột đất gia cố vôi, các cột nàycòn có tác dụng thoát nước

Sự cố kết của khối đất yếu xảy ra dưới tác dụng của các ứng suất do nền đắpgây ra Khi các điều kiện về ổn định và thời hạn thi công cho phép, có thể xây dựngnền đắp đến một chiều cao lớn hơn chiều cao của thiết kế và như vậy đã tác dụngthêm một gia tải để tăng nhanh độ lún Trong trường hợp chung, thời gian cố kết sẽrất dài, có thể đến vài năm hoặc vài thập kỷ Như vậy cần tăng nhanh hiện tượng cốkết bằng cách làm đường thấm thẳng đứng để giảm chiều dài của đường thoátnước Cũng có thể tăng nhanh cố kết bằng phương pháp cố kết động tức là thả rơicác vật nặng trên mặt nền sau khi làm đường thấm thẳng đứng

Cũng có thể tăng cường khối đất yếu bằng các cột vật liệu có cường độ tốthơn đất thiên nhiên tại chỗ Hai kỹ thuật đã được sử dụng là:

- Cột balat: Thay cục bộ đất yếu bằng các cột vật liệu hạt đã đầm chặt

- Cột đất gia cố vôi: Trộn vôi sống với đất sét tại chỗ làm tăng đáng kể cáctính chất của đất sét mềm

1.3.4 Các phương pháp khác

Tăng cường đáy nền đắp bằng các vật liệu thiên nhiên (bó cành cây, tre,…)hoặc các thảm vật liệu thấm tổng hợp (geotextiles), hoặc có thể sử dụng vải địa kỹthuật rải trên mặt đất yếu trước khi đắp

Đắp bằng vật liệu nhẹ: Puzulan, trấu nung, vỏ sò, khối polystyren kết cấu tổong

Xây dựng nền đắp trên các cọc cát

1.4 Các phương pháp tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu

Trong hơn nửa thế kỷ qua, việc thiết kế các công trình và nền của chúng chủyếu dựa trên cơ sở phương pháp các trạng thái giới hạn hoặc các phương pháp tươngtự [4] Theo phương pháp các trạng thái giới hạn, một hệ số an toàn duy nhất củaphương pháp tải trọng phá hoại đã được thay bằng hàng loạt các hệ số, xét đến cácyếu tố khác nhau ảnh hưởng đến trạng thái của kết cấu:

– hệ số độ tin cậy về vật liệu;

– các hệ số độ tin cậy về tải trọng (hệ số vượt tải và hệ số tổ hợp tải trọng);– các hệ số điều kiện làm việc của kết cấu và các cấu kiện của nó;

– hệ số độ chính xác của các thao tác công nghệ;

– hệ số độ tin cậy về tính chất quan trọng của kết cấu

Đã có sự thay đổi các tiêu chí đánh giá độ bền và các tính chất khác của kếtcấu Việc thiết kế, xây dựng và khai thác công trình cần phải được thực hiện sao chokhông để xảy ra các trạng thái giới hạn của nó Trạng thái của kết cấu, mà với trạngthái ấy kết cấu không thể thoả mãn các yêu cầu khai thác, được gọi là trạng thái giớihạn Các trạng thái giới hạn có thể xảy ra của các kết cấu và nền của chúng được chiathành các nhóm Khi đó độ bền của kết cấu trở thành một tính chất riêng, và đã xuấthiện trường hợp, khi mà kết cấu đủ bền nhưng không thể tiếp tục khai thác được vìđạt đến các trạng thái giới hạn khác (ví dụ, do nguyên nhân độ võng lớn hoặc bề rộngvết nứt mở rộng quá mức cho phép) [4]

Các trạng thái giới hạn được chia thành hai nhóm

Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất bao gồm những trạng thái giới hạn dẫn tớibất lợi hoàn toàn cho khai thác công trình, nền hoặc dẫn tới phá hoại hoàn toàn(hoặc một phần) khả năng chịu tải Những trạng thái giới hạn này có thể xem nhưnhững trạng thái giới hạn tuyệt đối Chúng được đặc trưng bởi: sự phá hoại có đặctrưng bất kỳ (ví dụ dẻo, giòn, mỏi); mất ổn định hình dạng dẫn đến bất lợi hoàntoàn khi khai thác; mất ổn định vị trí; chuyển sang hệ biến hình; thay đổi chấtlượng kết cấu; những hiện tượng khác nhau khi đó buộc phải ngừng khai thác

Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai bao gồm các trạng thái giới hạn gây khókhăn cho khai thác bình thường công trình hoặc nền, làm suy giảm tuổi thọ củacông trình so với thời hạn phục vụ đã được thiết lập khi thiết kế Những trạng tháigiới hạn này có thể xem như trạng thái giới hạn chức năng Chúng được đặc trưngbởi: sự đạt đến chuyển vị giới hạn của kết cấu hoặc biến dạng giới hạn của nền;mức dao động của giới hạn kết cấu hoặc hoặc nền; mất ổn định hình dạng dẫn đếnkhó khăn cho khai thác bình thường, cũng như các hiện tượng khác, khi đó buộcphải giảm tạm thời thời hạn phục vụ

Cũng cần bổ sung khi giới thiệu nội dung mới là: cùng với những khái niệmvà khả năng chịu tải và tính thích hợp cho khai thác thì khái niệm sức sống cũngxác định thêm một nhóm các trạng thái giới hạn mới Sức sống được xem là tínhchất bảo tồn khả năng thực hiện các chức năng chủ yếu của hệ dưới tác dụng củanhững nhiễu loạn mang tính thảm họa, mà không được phép phát triển các nhiễuloạn và các sự cố theo kiểu dòng thác [8]

Vì thế, trong nhiều trường hợp, có thể bổ sung nhóm các trạng thái giới hạnthứ ba Nhóm các trạng thái giới hạn thứ ba ‒ theo sức sống ‒ bao gồm các trạngthái giới hạn được đặc trưng bởi sự phát triển các phá hoại có dạng dòng thác dẫnđến loại bỏ hoàn toàn các thành phần của hệ Nguyên nhân của sự phát triển tươngtự có thể là những tác động có tính thảm họa, cũng như những sai lầm đáng tiếc khithi công hoặc khi khai thác Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ

ba chính là đảm bảo khả năng chịu tải của công trình khi loại ra khỏi sơ đồ tínhtoán một hoặc một số bộ phận chịu tải, hoặc khi hình thành một số tải trọng, dạngnhiễu loạn có thể phải được ghi vào nhiệm vụ thiết kế

Việc tính toán theo các trạn thái giới hạn nhằm đảm bảo sự tin cậy của côngtrình trong cả vòng đời phục vụ của chúng, cũng như trong quá trình xây dựng.Những điều kiện bảo đảm độ tin cậy chính là đảm bảo các giá trị tính toán của tảitrọng hoặc nội lực, ứng suất, biến dạng, chuyển vị do chúng gây ra không vượt quacác giá trị giới hạn tương ứng được xác định trong các tiêu chuẩn hiện hành thiết kếnền

Điều kiện tổng quát không vượt qua các trạng thái giới hạn có thể biểu diễndưới dạng [4],[8]:

G( aiFp, biRp, γn, , γa,γd, C) ≥ 0, (1.1)trong đó : Fp – là giá trị tính toán của tải trọng , aiFp – là hiệu ứng tải trọng (đó lànội lực, ứng suất, biến dạng, chuyển vị, ), ai – là hàm của các tham số hình học vàvật lý của kết cấu, Fp= γfFH, γf – là hệ số tin cậy về tải trọng, FH – là giá trị tiêuchuẩn của tải trọng; Rp – là giá trị tính toán của sức bền vật liệu, biRp– là khả năngchịu tải của kết cấu, bi là hàm của các tham số thiết diện ngang,… Rp= RH/γm, ,γm –là hệ số độ tin cậy về vật liệu, RH – là giá trị tiêu chuẩn của sức bền vật liệu; γn – là

hệ số tin cậy về ý nghĩa và tính chất quan trọng của kết cấu (là hệ số “tầm quantrọng” trong các tiêu chuẩn của các nước); γd – là hệ số điều kiện làm việc γa– là hệsố độ chính xác; C – là hằng số bao gồm những ràng buộc được chọn trước, đượccho với một số các giới hạn trạng thái giới hạn, điều kiện xác định biên của vùngtrạng thái cho phép của công trình

Các yếu tố đa dạng, phong phú mà trạng thái của công trình phụ thuộc vàochúng, được đưa vào (1.1), có thể phân chia ra một cách giả định làm hai nhóm.Nhóm thứ nhất là các yếu tố phụ thuộc vào tính chất của bản thân công trình, nhómthứ hai là các yếu tố phụ thuộc chủ yếu vào các tác động bên ngoài

Các đại lượng tính toán cũng được phân chia thành hai nhóm như vậy, vì phầnlớn các trường hợp giữa chúng không có mối liên hệ tương quan Mặc dù có thểdẫn ra các ví dụ về sự ảnh hưởng lẫn nhau của các yếu tố của hai nhóm này, xongphổ biến hơn cả là trường hợp giữa chúng có tính độc lập

Khi đó đối với các trạng thái giới hạn thứ nhất, điều kiện (1.1) có thể đượcbiểu diễn bởi mối quan hệ [8]:

γngF( aiFp, γa, γd,) ≤ gR(biRp), (1.2)tức là nội lực trong nền không được vượt quá sức chịu tải

Đối với nhóm các trạng thái giới hạn thứ hai, điều kiện (1.1) có thể viết dướidạng [8]:

γngF( aiFp, γa, γd,) ≤ C (1.3)Khi thiết kế công trình cần phải xem xét các tình huống tính toán, là tập hợpcác điều kiện xác định các yêu cầu tính toán đối với công trình đang xét Có thể xétnhững tình huống tính toán sau đây :

 Tình huống xác lập có thời gian tồn tại trong khoảng thời hạn phục vụ hoặcchu trình vòng đời của đối tượng xây dựng;

 Tình huống chuyển tiếp có thời gian tồn tại không lớn hơn so với thời hạnphục vụ của đối tượng xây dựng;

 Tình huống hư hỏng có xác suất xuất hiện nhỏ và thời gian tồn tại khônglớn, nhưng là tình huống rất quan trọng xét về góc độ hậu quả khi đạt đến các trạngthái giới hạn có thể xảy ra trong tình huống đó

Những tình huống tính toán được đặc trưng bởi các sơ đồ tính toán, dạng vàgiá trị của tải trọng, giá trị các hệ số tin cậy, danh mục giới hạn cần phải xem xéttrong tình huống này

Các tham số của sức chịu đựng của vật liệu chịu tác động của tải trọng, đượcxác định trong các tiêu chuẩn thiết kế – là những giá trị tiêu chuẩn của sức bền cótính đến độ biến động ngẫu nhiên của các tính chất cơ học của vật liệu Người tathừa nhận rằng, suất bảo đảm của các giá trị tiêu chuẩn của sức bền không đượcnhỏ hơn 0.95 Giá trị tiêu chuẩn của sức bền vật liệu thường cho phép lấy bằng giátrị đặc trưng kiểm tra hoặc đặc trưng hư hỏng, được chỉ ra trong các tài liệu tiêuchuẩn tương ứng về vật liệu

Ngoài những giá trị tiêu chuẩn của sức bền vật liệu – như mô đun đàn hồi, hệsố ma sát, lực dính, từ biến, độ sụt lún,… được lấy theo giá trị trung bình của các sốliệu thống kê

Nếu các đại lượng đặc trưng cho tính chất của vật liệu và đất nền là nhữnghàm của các đại lượng khác hoặc được tìm ra từ những quan hệ tương quan củachúng, thì các giá trị tiêu chuẩn của các đặc trưng của vật liệu và đất nền có thể

nhận được bằng tính toán có thể sử dụng các quan hệ được cho trong các tiêu chuẩnthiết kế.

Độ lệch có thể của sức bền và các đặc trưng khác của vật liệu và đất nền vềphía bất lợi so với giá trị tiêu chuẩn được xem xét đến bằng các hệ số tin cậy về vậtliệu và đất nền γm,được xác định trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu và nền tùythuộc vào tính chất của vật liệu và đất nền, tính biến động thống kê của chúng (vớisuất bảo đảm tùy thuộc vào dạng trạng thái giới hạn), cũng còn xét đến các yếu tốkhông thể khẳng định bằng cách thống kê (đặc biệt là đặc trưng phá hoại vật liệu,dung sai chiều dầy thép cán, kinh nghiệm thực tế,…)

Giá trị tính toán của sức bền vật liệu hoặc giá trị tính toán của đặc trưng củađất được gọi là giá trị sức bền hoặc đặc trưng nhận được bằng cách chia giá trị tiêuchuẩn của sức bền RH hoặc giá trị đặc trưng cho hệ số tin cậy về vật liệu và đất nền

γm.Cho phép xác định các giá trị tính toán khác của đặc trưng vật liệu bằng cáchchia các giá trị tiêu chuẩn của chúng cho hệ số tin cậy của sức bền vật liệu

Giá trị tiêu chuẩn RH của tải trọng và tác động là những đặc trưng chủ yếu củatải trọng, giá trị của chúng và việc phân loại chúng cho các tiêu chuẩn về tải trọng

Hệ số tin cậy về tải trọng γf là hệ số xét đến những sai lệch bất lợi có thể củacác tác động (tải trọng là một dạng riêng của tác động) so với giá trị tiêu chuẩn củanó do tính biến động của tải trọng hoặc do sự sai lệch so với điều kiện khai thácbình thường gây ra Nhân hệ số này với giá trị tiêu chuẩn của tác động FH để nhậnđược giá trị tính toán của nó Fp Khi có những tài liệu thống kê, cho phép xác địnhtrực tiếp các giá trị tính toán của tải trọng theo xác suất đã vượt qua chúng Giá trịcủa hệ số này cũng như các giá trị tiêu chuẩn của các tác động được xác định từnhững nghiên cứu bản chất của các tác động và phân tích các tài liệu thống kê vềchúng Giá trị hệ số γfcó thể khác nhau đối với các trạng thái giới hạn khác nhau vàcác tình huống tính toán khác nhau Khi xác định các giá trị tiêu chuẩn và các giátrị tính toán của tải trọng thay đổi theo thời gian, cho phép xét đến thời hạn phục vụấn định trước của nhà hoặc công trình

Hệ số xác định γa là hệ số xét đến những sai lệch bất lợi có thể của các đặctrưng hình học (kích thước các bộ phận của kết cấu, sự bố trí tương hỗ lẫn nhau củachúng, độ võng ban đầu,…) so với các giá trị tính toán tiêu chuẩn của chúng Nhân

hệ số này với giá trị tiêu chuẩn của các đặc trưng hình học để nhận được giá trị tínhtoán của nó Phần lớn các trường hợp, thay cho hệ số độ chính xác, trong các tiêuchuẩn có sử dụng yếu tố bổ sung được thêm vào các giá trị tiêu chuẩn và đóng vaitrò như hệ số chính xác Trong một số trường hợp, độ sai lệch của kích thước hìnhhọc được xét đến bằng hệ số về vật liệu Giá trị hệ số chính xác và các yếu tố bổsung được xác định trên cơ sở nghiên cứu các điều kiện chế tạo và lắp dựng kết cấu(có xét đến những quy tắc tiêu chuẩn hóa dung sai và kiểm tra chất lượng) và phântích các tài liệu thống kê về các đặc trưng hình học tương ứng

Hệ số điều kiện làm việc (hệ số mô hình) γd là hệ số phản ánh các yếu tố làmđơn giản hóa mô hình tính toán, không được xét một cách trực tiếp

Hệ số tin cậy γn (hệ số trách nhiệm, hệ số quan trọng) là hệ số về ý nghĩa, nóxét đến tầm quan trọng của công trình và ảnh hưởng của chúng đến mức tin cậy yêucầu, nó được đưa vào bất phương trình cơ bản (1.1) và là những yêu cầu chủ yếucủa phương pháp các trạng thái giới hạn Các yêu cầu đó là nội lực trong các bộphận kết cấu hoặc giá trị tính toán của tải trọng tác động lên toàn bộ công trình, đãxét đến tất cả các hệ số, không được vượt quá khả năng chịu tải của các bộ phậncông trình hoặc toàn bộ công trình, trong đó khả năng cũng đã xét đến những hệ sốtương ứng Hệ số này được nhân với hiệu ứng tải trọng

Giá trị hệ số tin cậy về ý nghĩa γn được xác định tùy thuộc vào mức độ quantrọng của nhà và công trình được phân cấp Ví dụ như trong tài liệu kỹ thuậtchuyên ngành đã xác định được ba mức quan trọng (cấp 1 – là cấp có mức độ quantrọng cao, cấp 2 – là cấp bình thường, cấp 3 – là mức thấp)

Từ điều vừa trình bày cho thấy rằng phương pháp các trạng thái giới hạn cóhai đặc trưng :

 Thứ nhất là từ tập hợp các trạng thái có thể của kết cấu chỉ chọn nhữngtrạng thái giới hạn, nghĩa là những trạng thái, khi kết cấu không còn thỏa mãn các

yêu cầu khai thác đã cho Đối với các trạng thái này các điều kiện không đạt đến nóđược viết ra.

 Thứ hai, tất cả những đại lượng xuất phát đều có bản chất ngẫu nhiên(nghĩa là những đại lượng ấy có thể lấy ra những giá trị khác nhau với xác suấtkhác nhau) được thể hiện trong các tiêu chuẩn thiết kế bởi những giá trị tiêu chuẩntiền định, còn ảnh hưởng của độ biến động của chúng đến độ tin cậy của kết cấuđược xét đến bởi các hệ số tin cậy Mỗi hệ số xét đến độ biến động chỉ của một đạilượng xuất phát, nghĩa là độ tin cậy sẽ phụ thuộc vào đạo hàm riêng của hàm nàytheo các biến tương ứng, Vì vậy, các hệ số này cũng được gọi là những hệ số tincậy riêng

 Phương pháp các trạng thái giới hạn về hình thức là tiền định Tuy nhiên,nó có thể được dùng làm cơ sở xác suất với mức tin cậy bất kỳ Mức tin cậy tùythuộc vào mức tin cậy của thủ tục được sử dụng để lựa chọn các giá trị của các hệsố độ tin cậy Những thủ tục này dựa trên kinh nghiệm thiết kế có sử dụng nhữngkết quả nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy của công trình [8]

1.4.2 Sự cần thiết tính toán nền đắp trên đất yếu theo quan điểm của lý

thuyết độ tin cậy

1.4.2.1 Những vấn đề còn tồn tại của phương pháp các trạng thái giới hạn.

Trước hết, quan hệ giữa các hàm độ bền R và hàm nội lực S với các biến cơbản (các tham số đầu vào) là các quan hệ đơn định hay tiền định Các tham số tínhtoán được coi là các đại lượng không đổi, không phải là các đại lượng ngẫu nhiên,trong khi các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra bản chất chúng là các đại lượng ngẫunhiên, phân tán theo quy luật phân bố nhất định và chủ yếu phân bố theo quy luậtchuẩn hoặc gần chuẩn [4], [6], [14]

Các hệ số về vật liệu và tải trọng từ công thức (1.1) là γf, γm ,… được sử dụngtrong phương pháp các trạng thái giới hạn thực tế có tính thống kê lại có giá trịkhông đổi

Các hệ số điều kiện làm việc và hệ số tính chất quan trọng của kết cấu và nềnlà các giá trị đã được định trước và được lấy chủ yếu theo kinh nghiệm nhiều nămthiết kế và khai thác các công trình tương tự [4].

Phương pháp các trạng thái giới hạn không xét được yếu tố thời gian, các hệsố được đưa vào với hàm ý kể đến yếu tố thời gian chỉ mang tính ước lệ, không rõràng

1.4.2.2 Sự cần thiết tính kiểm tra ổn định của n n đ p trên đ t y u ền đắp trên ắp trên ất yếu ếu theo lý

thuyết độ tin cậy.

Những nhược điểm của phương pháp các trạng thái giới hạn là rõ ràng và vẫnchưa khắc phục được Vào giai đoạn gần đây nhất, sự phát triển phương pháp tínhkết cấu xây dựng và nền theo các trạng thái giới hạn được đặc trưng bởi sự thườngxuyên làm chính xác hơn các nội dung tính toán riêng biệt và các hệ số kinhnghiệm mà không có sự thay đổi các tiêu chí đánh giá chất lượng kết cấu và nền.Tuy nhiên, việc làm chính xác hơn các nội dung và các hệ số chỉ đạt đến một giớihạn nào đó, còn sau đó thì hoặc là không hiệu quả, hoặc là không an toàn [15].Để khắc phục vấn đề vừa nêu, hiện nay trên thế giới đã hình thành một hệthống các phương pháp tính toán theo quan điểm mới, đó là tính kết cấu công trìnhvà nền theo lý thuyết xác suất và lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết tính toán mới trên

cở sở vẫn dựa vào các tiêu chuẩn hiện hành ở phần các điểm xuất phát, các điềukiện làm việc và sơ đồ tính, cũng như lựa chọn mô hình xác suất nhưng vẫn xét đếnvà sử dụng các thuật toán tiền định Có nghĩa là, phương pháp giải theo xác suấtkhông thể thay thế hoàn toàn cho cách giải bài toán tiền định [4]

Rõ ràng, cũng như các dạng công trình khác, trạng thái phức tạp của nền đắptrên đất yếu, phụ thuộc vào các tham số có bản chất ngẫu nhiên, không thể đượcmiêu tả một cách thích hợp trong khuôn khổ các quan hệ hàm số với tính đơn trị vàtiền định

Vì thế, đề tài “Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy” đã được đặt ra để nghiên cứu.

Nội dung của Luận văn không có tham vọng giải quyết hết các vấn đề liênquan đến an toàn của công trình nền đắp trên đất yếu, mà chỉ tập trung nghiên cứu,tính toán tiền định theo Tiêu chuẩn hiện hành, cũng như tính toán xác suất về ổnđịnh trượt sâu và lún trồi Đó cũng là mục đích của Luận văn.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU THEO TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH VÀ THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán tiền định nền đắp trên đất yếu

Nền đất yếu là vùng đất yếu dưới nền đắp chịu tác động của nền đắp với tảitrọng ngoài tác dụng bên trên gây biến dạng và có thể gây mất ổn định cho nền

Nhiệm vụ hàng đầu của việc thiết kế và xây dựng nền đắp trên đất yếu là bảođảm ổn định tổng thể cho nền đất yếu, tức là không để xảy ra phá hoại theo dạngtrượt sâu và lún trồi trong thời gian xây dựng cũng như trong thời kỳ khai thác.Mức độ ổn định của nền đất dưới nền đắp cao hay thấp hay không ổn định là tùythuộc vào mức độ xuất hiện vùng phá hoại với kích thước nhỏ hay lớn hay khôngxuất hiện.

Khi tính toán nền đắp trên đất yếu về ổn định, có thể áp dụng các phươngpháp tính toán kiểm tra ổn định chung của mái dốc

Đã có nhiều phương pháp tính kiểm tra ổn định chung của của công trình dạngmái dốc hoặc nền đắp trên đất yếu được đề xuất, nhưng các phương pháp này đềuthuộc một trong hai nhóm [7]:

- Nhóm 1: Nhóm các phương pháp giả thiết trước hình dạng của mặt trượt vàcoi khối trượt như một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn Các phương phápnày dựa trên các tài liệu thực nghiệm về hình dạng mặt trượt và nhiều kết quả quantrắc các mặt trượt của mái dốc hay nền đắp trên đất yếu trong thực tế mà đưa ra cácgiả thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trượt và phương pháp tính toán tương ứng

- Nhóm 2: Nhóm các phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn củacác điểm trong khối đất Các phương pháp thuộc nhóm này dựa vào giả thiết cơ bảnlà, mọi điểm trong khối đất mái dốc hay nền đắp trên đất yếu phải thỏa mãn điềukiện cân bằng giới hạn

Nhóm phương pháp thứ hai có lời giải chặt chẽ, phản ánh gần đúng trạng tháiứng suất trong khối đất bị phá hoại nhưng do lời giải của bài toán rất phức tạp, tốnnhiều công sức nên nhóm phương pháp này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trongthực tế Đại diện cho nhóm này là các phương pháp của W Rankine, F Kotter, V

V Xôcôlốvsky,…

Nhóm phương pháp giả thiết trước hình dạng của mặt trượt, đặc biệt là dạngmặt trượt trụ tròn đối với đất dính, mặc dù có những hạn chế nhất định nhưng đượcáp dụng phổ biến trong thực tế do tính đơn giản và thiên về an toàn hơn so với cácphương pháp thuộc nhóm thứ hai Phương pháp tính toán ổn định mái dốc hay nền

đắp trên đất yếu dựa trên giả thiết mặt trượt trụ tròn đã được K E Pettecxon nêu ranăm 1916, sau đó được phát triển bởi nhiều nhà khoa học khác như W Fellenius,

K Terzaghi, H Krey-Bishop,… và được đánh giá là tương đối phù hợp với thựctế Vì thế, dưới đây trình bày tóm tắt nguyên tắc tính toán theo các phương pháp giảđịnh trước mặt trượt, tính toán kiểm tra ổn định mái dốc theo phương pháp của K.Terzaghi, và phương pháp đơn giản hóa của Bishop, được lấy với tính chất là thuậttoán tiền định làm cơ sở cho tính toán xác suất mái dốc, cũng như của nền đắp trênđất yếu [7]

2.1.1 Nguyên tắc tính toán theo các phương pháp giả định trước mặt trượt.

Sự ổn định của nền đắp trên đất yếu phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của độngthái áp lực nước lỗ rỗng Trong khi thi công khối đắp, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tănglên và sau khi thi công, nó sẽ dần giảm xuống Trong các rãnh hào, việc đào banđầu sẽ làm giảm áp lực nước lỗ rỗng, nhưng khi có dòng thấm chúng sẽ dần tănglên Ứng suất hiệu quả và do vậy độ bền chống cắt thường tỉ lệ nghịch với áp lựcnước lỗ rỗng Hệ số an toàn giới hạn (thấp nhất) vì thế đạt được trong khi thi cônghay sau khi thi công khối đắp sẽ dần lớn hơn, đất sẽ dần dần bền chắc hơn Nghĩalà, độ bền chống cắt trong khối đất sẽ tăng lên theo thời gian và hệ số an toàn cũngvậy

Bởi thế cần phải xem xét cả sự ổn định ngắn ngày (cuối thi công) và dài ngày.Trong điều kiện ổn định ngắn ngày, sẽ là phù hợp nếu cho rằng là hoàn toàn khôngthoát nước và độ bền chống cắt được cho bởi τ = cu (có nghĩa φu = 0)

Với bài toán dài ngày và bài toán có điều kiện biến đổi kéo dài sau khi kếtthúc thi công, phải yêu cầu phân tích ở dạng ứng suất hiệu quả Những phươngpháp này có thể thực hiện ở dạng phân tích cân bằng lực hay cân bằng momen, vớimặt trượt phẳng, tròn hay mặt trượt thay đổi bất kỳ Trong trường hợp với bài toánphức tạp có thể dùng dùng phương pháp đường ứng suất và đường trượt Chúng taxét một số trường hợp sau đây [3]

a) Ổn định không thoát nước – phân tích ứng suất tổng (bảng 3.6)φ u = 0).

Phân tích ứng suất tổng có thể dùng cho trường hợp mái dốc mới đắp, haymới đào trong đất sét hoàn toàn bão hòa Vì φu = 0, độ bền cắt không thoát nước τ =

R1

Rn

cu Giả thiết mặt cắt của mặt phá hoại có dạng trụ tròn và tâm của mặt trượt giớihạn ở một điểm nào đó trên đỉnh mái dốc Mặt trượt giới hạn (phá hoại) là mộttrong vô số các mặt khả dĩ vẽ được với bán kính và tâm khác nhau (hình 2.1) Mộtsố mặt trượt sẽ qua chân mái dốc và số khác sẽ cắt mặt đất ở phía trước chân máidốc

Hình 2.1 Các mặt trượt có bán kính và cung trượt khác nhau

Mặt trượt giới hạn là một mặt mà dọc theo nó sự phá hoại dễ xảy ra nhất và hệsố an toàn thấp nhất Chọn một số mặt trượt để thử và việc phân tích được lặp lạiđối với mỗi mặt trượt cho tới khi nhận được hệ số an toàn thấp nhất

Momengaytruot W d



(2.10)

trong đó W ‒ trọng lượng của khối trượt;

d ‒ cánh tay đòn của lực gây trượt W đối với tâm trượt O;

c u ‒ lực dính đơn vị của đất dọc theo mặt trượt tròn AB;

R ‒ bán kính mặt trượt;

θ ‒ góc giới hạn mặt trượt (h 2.2).

b) Khe nứt căng.

Trong đất dính, khi sự phá hoại bắt đầu thì có xu hướng hình thành khe nứtcăng ở gần đỉnh mái dốc (h 2.3)

Sự phát triển của mặt trượt bắt đầu ở độ sâu khe nứt căng và chiều dài mặt

trượt thực tế là AC (hình 2.3) Khối trượt – vật thể tự do có trọng lượng W là vùng

được giới hạn bởi mặt đất, mặt trượt trụ tròn và khe nứt căng Trong khe nứt căng,

độ bền kháng cắt không có nhưng nếu chứa đầy nước, trong mômen phá hoại lại

Hình 2.3 Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng

phải tính thêm đến lực thủy tĩnh Pw tác dụng theo phương ngang:

2 W

F Momengaytruot d P

chọn có tâm O, bán kính R (hình 2.4) và chia khoảng cách theo phương ngang giữa

2 đuôi cung A và B thành các mảnh có bề rộng b bằng nhau

Hình 2.4 Phương pháp phân mảnh

Các lực tác dụng lên một mảnh có chiều dài 1m theo phương chiều dài máiđắp gồm có:

W – trọng lượng của mảnh, W = γhb;

N’ – phản lực pháp tuyến hiệu quả lên đáy mảnh;

T – lực cắt dọc theo đáy mảnh, T = Wsinα;

R 1 , R 2 – các lực bên do hai mảnh kề với mảnh đang xét tác dụng, chúng có thể

được đưa vào hoặc không đưa vào các lời giải;

E 1 và E 2 – lực pháp tuyến giữa các mảnh;

X 1 và X 2 – lực tiếp tuyến giữa các mảnh.

Ngoài ra, trọng lượng của mảnh phải kể thêm giá trị của tải trọng trên mặt đất tác dụng trong phạm vi chiều rộng của mảnh

Tại điểm cân bằng giới hạn, tổng mômen phá hoại sẽ cân bằng với mômencủa các lực chống trượt dọc theo mặt trượt AB [3]:

từ đó

W.sin

f F

ở đây LAB ‒ chiều dài cung AB, gần đúng LAB = β.R (h.2.4).

Kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào giá trị N’ nhận được như thế nào.Một loạt các phương pháp đã được đề nghị, một số thì tương đối đơn giản và mộtsố khá chặt chẽ Việc đánh giá chính xác nhất đạt được theo phương pháp khá chặtchẽ, nhưng chỉ có khả năng thực hiện nếu dùng chương trình máy tính Có thể dùnglối dung hòa bằng cách sử dụng phương pháp phân tích đơn giản với hệ số an toàntăng lên [3]

‒ Phương pháp của Fellenius.

Phương pháp này giả thiết các lực tác dụng của các mảnh bên lên mảnh đangxét bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa là E1= E2, X1 = X2

Ngoài ra, mái dốc và nền là đồng nhất Bây giờ chỉ cần xét các lực tác dụng lên đáycủa mảnh, khi đó:

' W cos

N   u l

= γhbcosα – ubsecα.hbcosα – ubsecα.

Nếu đặt u = r u γhbcosα – ubsecα.h, ta có:

N’ = γhbcosα – ubsecα.hb(bảng 3.6)cosα – r u secα).

Hay

∑ N’ = γhbcosα – ubsecα.b∑h (bảng 3.6)cosα – r u secα).

Thay ∑ N’ vào công thức (2.13) ta có hệ số ổn định:

Để đảm bảo độ chính xác tối thiểu, số các mảnh tính toán không được nhỏ

hơn 5, và rõ ràng số các mảnh càng lớn thì việc đánh giá F sẽ càng chính xác hơn Tuy nhiên phương pháp này có cho giá trị F nhỏ hơn khoảng chừng 50% so với

thực tế Sai số có thể tăng lên khi ru lớn và cung trượt nằm sâu hay có bán kínhtương đối nhỏ, trong các trường hợp đó, dùng phương pháp Bishop là thích hợp

‒ Phương pháp của K Terzaghi.

Một trong các phương pháp được dùng khá phổ biến trong thực tế là phươngpháp của K Terzaghi Khi tính toán kiểm tra ổn định mái dốc hay nền đắp, K.Terzaghi đã đưa vào một vài giả thiết để đơn giản hơn nữa việc tính toán [7]

Giả sử có công trình dạng mái dốc hay nền đắp trên đất yếu ABC như trên hình 1 Mặt trượt CA’ dạng trụ tròn có bán kính R, tâm trượt tại O1

Chia khối đất cao hơn mặt trượt

thành các cột thẳng đứng riêng biệt

với chiều rộng b i, xem xét sự ổn định

của mỗi cột dưới tác dụng của trọng

Hình 2.5 Sơ đồ tác dụng của các lực

lượng bản thân cột đất và tải trọng

phân bố phía trên, đồng thời bỏ qua

tương tác của cột đất với các cột bên

cạnh [7]

Trọng lượng của cột thứ i với tải

trọng bên trên

ở đây γji,hji – trọng lượng riêng và chiều cao lớp đất j trong phạm vi cột đất i; m –

số lớp đất trong phạm vi cột đất i; b i – chiều rộng cột i, để đảm bảo độ chính xác,

lấy b i≤0,1R

Khi đó, thành phần gây trượt của lực G i tiếp tuyến với mặt trượt và mômen do

nó gây ra đối với tâm trượt O1 được xác định theo các công thức sau:

T i=G i sin α i ;

(2.16)

Mci= RGisin αi ,

(2.17)

ở đây α i – góc giữa bán kính R nối từ tâm trượt đến điểm giữa đáy cột i và

phương thẳng đứng, có thể tính theo công thức

trong đó – khoảng cách từ trục thẳng đứng đi qua tâm trượt O1 đến điểm đặt của

lực G i (hình 2.1) Góc α i được lấy là dương (+) nếu cột đất nằm ở bên phải trục

thẳng đứng đi qua tâm trượt, trong trường hợp ngược lại α i được lấy là âm (–).

i

r

Các lực ma sát và lực dính chống lại sự trượt của cột đất Các lực này và

mômen do chúng gây ra đối với tâm trượt O1 là:

F i=G i cosα i tg ϕ i+c i l i ; (2.19)

M yi=R (G i cos α i tg ϕ i+c i l i) , (2.20)

ở đây i

, c i – góc ma sát trong và lực dính đơn vị của lớp đất mà mặt trượt cắt

qua trong phạm vi cột đất i; l i – chiều dài cung trượt thuộc cột đất i.

Tổng các mômen gây trượt của toàn bộ khối đất bằng

trong đó n – số cột được chia ra của khối đất trượt.

Tương ứng, tổng mômen của các lực giữ bằng

Khi đó, sự ổn định chung của mái dốc được đảm bảo bởi hệ số ổn định k o

số ổn định tiêu chuẩn, theo Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 262-2000, có thể lấy bằng

k o tc = 1,1 ÷ 1,2 (Điều II.1.1)

Thông thường, để thiết lập điều kiện ổn định của mái dốc, trước hết người taxác định vị trí tâm trượt và bán kính mặt trượt trụ tròn Về nguyên tắc, vị trí tâmtrượt có thể lấy tuỳ ý và cho đến nay công thức chính xác để xác định vị trí tâmtrượt bất lợi là không có [7] Tuy nhiên cần phải chọn vị trí tâm trượt bất lợi sao chogiá trị hệ số ổn định là nhỏ nhất Trong một số tài liệu có nêu phương pháp gần

đúng xác định vị trí tâm trượt nguy hiểm [20] Ngày nay, đã có một số chương trìnhmẫu để tính toán tiền định ổn định chung theo mặt trượt trụ tròn của các công trình,trong đó có mái dốc hoặc nền đắp, trên máy tính điện tử (ví dụ GEO – SLOPE/W.),cho phép xác định vị trí tâm trượt bất lợi và hệ số ổn định nhỏ nhất

‒ Phương pháp đơn giản hóa của Bishop.

Trong điều kiện đất tương đối đồng nhất và khi ru gần như là hằng số, có thểgiả thiết các lực tiếp tuyến tác dụng của các mảnh bên lên mảnh đang xét bằngnhau và ngược chiều, có nghĩa là X1 = X2, nhưng E1 ≠ E2 (hình 2.6)

Khi cân bằng các lực dọc theo đáy của mảnh, ta có:

Wsin α ‒

f l F

Và khi cân bằng các lực theo phương đứng, ta có:

W – N’cos α – ulcos α –

f l F

c l

' tan '

N F

1 sin

c W u b F

hợp không bình thường với đáy của mặt phá hoại sâu và F nhỏ hơn đơn vị Phương

pháp này còn có thể tính đến các thay đổi của lực thấm lên mảnh và ở trong mảnh

sẽ cho hệ số an toàn thấp hơn nhưng chính xác hơn [3] Tuy nhiên phương pháptinh vi như thế phụ thuộc nhiều vào việc đánh giá đúng áp lực nước lỗ rỗng

2.2 Tính toán nền đắp trên đất yếu theo Tiêu chuẩn hiện hành

2.2.1 Các Tiêu chuẩn thiết kế nền đất yếu hiện hành

Cho đến nay, ở trong nước vẫn chưa xây dựng đầy đủ được những tiêuchuẩn riêng của Việt Nam về tính toán thiết kế cũng như quy trình công nghệ thicông mới cho nền đắp trên đất yếu mà đều dựa chủ yếu vào các tài liệu ở nướcngoài, được biên soạn chuyển thành Tiêu chuẩn Việt Nam Hiện nay, chúng tađang thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu theo một số tiêu chuẩn sau:

- Tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 – Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô

tô đắp trên đất yếu

- Tiểu chuẩn 22TCN 236-97 – Quy trình kỹ thuật thi công và nghiệm thubấc thấm trong xây dựng nền đường trên đất yếu

- Tiểu chuẩn 22TCN 244-98 – Quy trình thiết kế xử lý đất yếu bằng bấcthấm trong xây dựng nền đường

- Tiêu chuẩn 22TCN 248-98 – Vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đắptrên đất yếu – Tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu

2.2.2 Tính toán ổn định của nền đắp trên đất yếu về trượt trụ tròn

Trong phần này của luận văn trình bày các phương pháp tính kiểm tra ổn định

về trượt sâu của nền đắp trên đất yếu theo Tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 – Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu [1].

a)

Hình 2.7 Sơ đồ các dạng mất ổn định của nền đắp trên đất yếu do trượt

Khi mất ổn định về trượt sâu, trong nền đất yếu xảy ra một mặt trượt liên tụclàm xé rách nền đắp và đẩy đất yếu trượt trồi lên phía chân taluy Mặc dù trượt cụcbộ nhưng trong thực tế nền đắp và nền đất yếu đều vượt qua giới hạn tương ứng vớitrạng thái ổn định tổng thể và đều bị phá hoại Biểu hiện rõ rệt nhất của dạng pháhoại này là một phần nền đắp bị sụt tạo thành bậc trượt ở đỉnh nền đắp, còn ở dướichân taluy đất yếu bị trồi lên (h.2.7)

Theo Tiêu chuẩn [1], việc tính toán ổn định trượt sâu của nền đắp trên đất yếuchính là xác định được mặt trượt tròn nguy hiểm nhất và hệ số ổn định nhỏ nhất

Kmin Để xác định mặt trượt tròn nguy hiểm và hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin ta có thể

sử dụng một trong các phương pháp sau để tính toán [1]:

- Phương pháp phân mảnh cổ điển

- Phương pháp Bishop

Khi áp dụng phương pháp nghiệm toán ổn định theo cách phân mảnh cổ điểnvới mặt trượt tròn khoét xuống vùng đất yếu và các thông số tính toán được xácđịnh theo [1] thì hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin = 1,20 (riêng trường hợp dùng kết

b)

quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước ở trong phòng thí nghiệm để nghiệmtoán thì Kmin = 1,10).

Khi áp dụng phương pháp Bishop để kiểm toán ổn định thì hệ số ổn định lấytheo phương pháp này là Kmin = 1,4

a) Tính toán theo phương pháp phân mảnh cổ điển với mặt trượt trụ tròn

Trong trường hợp tổng quát, hệ số ổn định Kj ứng với một mặt trượt trụ tròncó tâm Oj khi có rải vải địa kỹ thuật và lực động đất, được xác định theo công thứcsau:

l i – chiều dài cung trượt tròn trong phạm vi mảnh thứ i;

n – tổng số mảnh trượt trong phạm vi khối trượt;

αi – góc giữa pháp tuyến của đoạn mặt trượt l i với phương của lực Qi Góc αi được lấy dấu dương (+) nếu cột đất nằm phía bên trái trục thẳngđứng đi qua tâm trượt, trong trường hợp ngược lại αi được lấy dấu (‒)

c i và φ i – tương ứng là lực dính và góc ma sát trong của lớp đất chứa đoạn

mặt trượt l i của mảnh trượt thứ i ;

Q i – trọng lượng của mỗi mảnh trượt gồm cả tải trọng trên mặt đất trong

phạm vi mảnh i, Q i=b i¿+q), với q – tải trọng của công trình quy đổi tác

dụng trên mặt nền đắp;

F – lực giữ (chống trượt) do vải địa kỹ thuật gây ra ;

Y – cánh tay đòn của lực F đối với tâm trượt;

R j – bán kính cong của mặt trượt j;

W i – là lực động đất tác dụng trên mảnh trượt i;

Y i – cánh tay đòn của lực W i đối với tâm trượt j;

Khi không có vải địa kỹ thuật và lực động đất thì các số hạng có chứa F và

W i bằng 0

Để xác định hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin và mặt trượt tròn nguy hiểm nhất tacó thể sử dụng phần mềm trên máy tính hoặc mò tìm mặt trượt nguy hiểm nhấtbằng cách cho vị trí tâm Oj của chúng thay đổi để tính toán

Theo kinh nghiệm việc mò tìm tâm trượt nguy hiểm được thực hiện theo cácbước sau:

Trên đường thẳng nằm ngang đi qua tâm trượt thứ nhất O1 tương ứng tínhđược hệ số ổn định K1, lấy hai tâm trượt nữa là O2, O3 về hai phía của O1 (hình 2.8).Tương ứng xác định được các hệ số ổn định K2, K3 đối với các tâm trượt và mặttrượt tương ứng Chúng ta dựng biểu đồ các giá trị hệ số ổn định K1, K2, K3 và trênphương này ta tìm được hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin và vị trí tâm trượt nguy hiểmnhất Omin