Bài giảng nền đường mặt đường UTC hà nội

- Các hiện tượng mất ổn định toàn khối đối với nền đường thường là: Trượt lở mái taluy nền đường đào hoặc đắp,trượt nền đường đắp trên sườn dốc,trượt trồi và lún nền đường đắp trên nền đ

Trường đại học giao thông vận tải Khoa công trình – BM đường ô tô & sân bay

Bμi giảng Thiết kế nền – mặt đường

ô tô vμ sân bay

Hμ nội, 2012

MỤC LỤC

Chương I: THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG THÔNG THƯỜNG

1.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI NỀN ĐƯỜNG – NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

NỀN ĐƯỜNG 5

1.1.1 Những yêu cầu chung đối với nền đường 5

1.1.2 Các loại biến dạng nền đường và nguyên nhân của nó 5

1.1.3 Nhiệm vụ thiết kế nền đường 7

1.1.4 Các nguyên tắc thiết kế nền đường 8

1.2 CÁC LOẠI ĐẤT DÙNG ĐỂ ĐẮP NỀN ĐƯỜNG – TIÊU CHUẨN ĐẦM NÉN ĐẤT NỀN ĐƯỜNG 9

1.2.1 Các loại đất đắp nền đường 9

1.2.2 Tiêu chuẩn đầm nén đất nền đường 11

1.3 CẤU TẠO NỀN ĐƯỜNG TRONG TRƯỜNG HỢP THÔNG THƯỜNG 12

1.3.1 Các loại trắc ngang định hình nền đường đắp 12

1.3.2 Các dạng trắc ngang định hình nền đường đào 15

1.3.3 Cấu tạo nền đường nửa đào,nửa đắp 17

1.3.4 Phòng hộ và gia cố mái taluy nền đường 17

1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN ĐẾN NỀN ĐƯỜNG 19

1.4.1 Sự ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên đến nền đường 19

1.4.2 Chế độ thủy nhiệt của nền đường 19

1.4.3 Cao độ mặt đường 20

1.5 TÍNH TOÁN KHỐI LƯỢNG CÔNG TÁC NỀN ĐƯỜNG 21

1.6 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TALUY NỀN ĐƯỜNG 21

1.6.1 Yêu cầu chung 21

1.6.2 Phương pháp phân mảnh cổ điển 22

1.6.3 Phương pháp BISHOP 26

1.6.4 Tính toán ổn định mái dốc có xét đến lực đẩy nổi và lực chảy thấm 27

1.6.5 Chương trình kiểm toán ổn định mái dốc 29

1.7 TÍNH TOÁN,ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN SƯỜN DỐC 30

1.7.1 Đánh giá sự ổn định của sườn dốc 30

1.7.2 Đánh giá sự ổn định của bản thân nền đắp 32

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

1.8 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 33

1.8.1 Nguồn gốc và phân loại đất yếu 33

1.8.2 Tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu 33

1.8.3 Các biện pháp làm tăng mức độ ổn định của nền đắp trên nền đất yếu 41

1.9 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 45

1.9.1 Tính toán độ lún tổng cộng(S): 45

1.9.2 Tính độ lún theo thời gian 49

1.9.3 Các lưu ý khi thiết kế nền đắp trên nền đất yếu 53

Chương II KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 56

2.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI ÁO ĐƯỜNG VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 56

2.1.1 Yêu cầu chung đối với áo đường 56

2.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường 56

2.2 PHÂN LOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 60

2.2.1 Phân loại theo đặc tính và phạm vi sử dụng 60

2.2.2 Phân loại theo đặc điểm tính toán cường độ áo đường 61

2.3 NỘI DUNG VÀ NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG 61

2.3.1 Nội dung công tác thiết kế kết cấu áo đường 61

2.3.2 Các nguyên tắc thiết kế cấu tạo áo đường 62

Chương III: THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM 3.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA TẢI TRỌNG XE TÁC DỤNG LÊN MẶT ĐƯỜNG VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU ÁO ĐƯỜNG 68

3.1.1 Đặc điểm của tải trọng xe chạy tác dụng lên mặt đường 68

3.1.2 Ảnh hưởng của tải trọng tác dụng đến cơ chế làm việc của nền đất và vật liệu áo đường 70

3.2 CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ ÁO ĐƯỜNG MỀM 71

3.2.1 Các hiện tượng phá hoại áo đường mềm 71

3.2.2 Nguyên lý tính toán cường độ áo đường mềm 72

3.3 TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ (BỀ DÀY) ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO TIÊU CHUẨN ĐỘ

VÕNG ĐÀN HỒI GIỚI HẠN 73

3.4 TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ (BỀ DÀY) ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG GIỚI HẠN VỀ TRƯỢT TRONG NỀN ĐẤT VÀ CÁC LỚP KÉM DÍNH KẾT 83

Lực dính tính toán Ctt của đất nền hoặc vật liệu kém dính là lực dính được xác định thông qua thí nghiệm (C) có xét đến điều kiện làm việc khác nhau của áo đường 86

3.5 TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ ÁO ĐƯỜNG MỀM THEO ĐIỀU KIỆN CHỊU KÉO KHI UỐN 89

3.6 CÁC ĐẶC TRƯNG TÍNH TOÁN CỦA NỀN ĐẤT VÀ VẬT LIỆU 95

Chương IV: THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG CỨNG 4.1 ĐẶC ĐIỂM VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG CỨNG 97

4.1.1 Đặc điểm kết cấu áo đường cứng 97

4.1.2 Cấu tạo kết cấu áo đường cứng 98

4.2 CÁC THAM SỐ THIẾT KẾ ÁO ĐƯỜNG CỨNG 102

4.2.1 Tải trọng tính toán tiêu chuẩn 102

4.2.2 Hệ số triết giảm cường độ n 102

4.2.3 Các chỉ tiêu của bê tông xi măng làm đường 103

4.2.4 Các chỉ tiêu của nền đường 104

4.3 TÍNH TOÁN CHIỀU DÀY TẤM BTXM ĐỔ TẠI CHỖ DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG TIÊU CHUẨN 105

4.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán mặt đường bê tông xi măng 105

4.3.2 Phương pháp Westergard 105

4.3.3 Tính chiều dày tấm bê tông mặt đường theo quy trình 22TCN 223-95 106

4.4 KIỂM TOÁN CHIỀU DÀY TẤM BTXM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA XE NẶNG CÁ BIỆT 108

4.4.1 Cơ sở tính toán, công thức tính toán 108

4.4.2 Cách xác định mô men uốn 109

4.4.3 Trình tự kiểm toán 113

4.5 KIỂM TOÁN CHIỀU DÀY TẤM BÊ TÔNG DƯỚI TÁC DỤNG ĐỒNG THỜI CỦA TẢI TRỌNG VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT 113

4.5.1 Kiểm toán ứng suất kéo uốn ở đáy tấm bê tông khi nhiệt độ giảm đều 114

4.5.2 Kiểm toán ứng suất trong tấm bê tông do thay đổi nhiệt độ 115

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

4.5.3 Trình tự kiểm toán 117

4.6 TÍNH TOÁN CHIỀU DÀY LỚP MÓNG CỦA MẶT ĐƯỜNG BTXM 118

Chương V: THIẾT KẾ,TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC NGẦM 5.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC MẶT VÀ THOÁT NƯỚC NGẦM 119

5.1.1 Hệ thống thoát nước mặt 119

5.1.2 Hệ thống thoát nước ngầm 119

5.1.3 Trình tự thiết kế bố trí hệ thống thoát nước nền đường 119

5.2 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN THỦY LỰC RÃNH 120

5.2.1 Thiết kế rãnh 120

5.2.2 Gia cố chống xói rãnh 120

- Việc quyết định gia cố rãnh hoặc hình thức gia cố phụ thuộc vào độ dốc dọc rãnh ,tốc độ nước chảy trong rãnh và điều kiện địa chất phía dưới đáy rãnh 120

5.3 CÁC CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC MẶT THƯỜNG GẶP 122

5.3.1 Rãnh dọc (Rãnh biên) 122

5.3.2 Rãnh đỉnh 123

5.3.3 Rãnh dẫn nước 124

5.4 THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THOÁT NƯỚC NGẦM 125

5.4.1 Rãnh ngầm,tác dụng và phân loại 125

5.4.2 Cấu tạo rãnh thoát nước ngầm 125

5.4.3 Nội dung thiết kế thoát nước ngầm 126  

Chương I:

THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG THÔNG THƯỜNG

1.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI NỀN ĐƯỜNG – NHIỆM VỤ THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG

1.1.1 Những yêu cầu chung đối với nền đường

Nền đường ô tô là một công trình bằng đất(đá) có các tác dụng:

- Khắc phục địa hình thiên nhiên nhằm tạo nên một dải đất đủ rộng dọc theo tuyến đường đảm bảo điều kiện cho xe chạy an toàn,hiệu quả và kinh tế

- Làm cơ sở cho lớp áo đường:Lớp phía trên của nền đường cùng với áo đường chịu tác dụng của tải trọng xe cộ và các yếu tố tự nhiên do đó ảnh hưởng rất lớn đến đến cường độ và tình trạng khai thác của tuyến đường

Do vậy,để đảm bảo những yêu cầu trên,khi thiết kế nền đường cần đáp ứng được các yêu cầu sau đây:

• Đảm bảo có đủ cường độ cần thiết:Nghĩa là có đủ độ bền khi chịu cắt trượt và không được biến dạng quá nhiều(Không tích lũy biến dạng) dưới tác dụng của tải trọng bánh xe

• Đảm bảo luôn ổn định toàn khối: Nghĩa là kích thước hình học và hình dạng của nền đường không bị phá hoại hoặc biến dạng gây khó khăn cho công tác thông xe trên đường

- Các hiện tượng mất ổn định toàn khối đối với nền đường thường là: Trượt lở mái taluy nền đường đào hoặc đắp,trượt nền đường đắp trên sườn dốc,trượt trồi và lún nền đường đắp trên nền đất yếu

• Đảm bảo ổn định về mặt cường độ: Nghĩa là cường độ nền đường không được thay đổi theo thời gian,theo điều kiện khí hậu,thời tiết một cách bất lợi trong suốt thời gian phục vụ của tuyến đường

¾ Cường độ và độ ổn định của nền đường quyết định nhiều đến cường độ và độ ổn định của mặt đường.Nếu làm không tốt nền đường(đảm bảo cao độ,bề rộng,đầm nén )thì sau này sẽ hư hỏng mặt đường và việc xử lý sẽ rất tốn kém

1.1.2 Các loại biến dạng nền đường và nguyên nhân của nó

1.1.2.1 Biến dạng nền đường đắp:

a) Nền đường bị lún sụt:

- Lún sụt chủ yếu do đất dưới nền đường(Phân biệt với lún chặt,do bản thân nền đất đắp không chặt)

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

b) Taluy bị trượt lở

• Sụt lở : Khối đất nhỏ bão hòa nước di chuyển theo mái taluy từ trên xuống dưới,gọi là lở

- Tính chất sụt lở: Khối đất di chuyển không dày lắm,cũng có thể do nước làm xói mòn

taluy

• Trượt lở: Cả khối đất lớn di động trên taluy gọi là trượt lở

- Tính chất trượt lở: Một phần đất tách khỏi nền đường dưới tác dụng của trọng lực di

Thường do chân nền đường đắp bị ướt quá và hình thành mặt trượt

H1.3 Nền đường trượt trên mặt đất tự nhiên

- Thường xuất hiện khi có nước đọng thường xuyên và dâng cao

1.1.2.2 Biến dạng nền đường đào

1.1.3 Nhiệm vụ thiết kế nền đường

• Xác định kích thước hình học của nền đường: Bề rộng,mái dốc taluy,rãnh biên,rãnh đỉnh

• Chọn loại đất đắp thích hợp,quy định chế độ đầm nén cho các đoạn và cho các độ sâu.Các biện pháp đảm bảo chế độ thủy nhiệt cho nền đường,nâng cao độ của đất nền,đặc biệt

là các biện pháp thoát nước

• Tính toán sự ổn định của mái dốc nền đường,tính toán sự ổn định của nền thiên nhiên → bảo đảm nền đường không trượt trên sườn dốc,không lún sụt trên nền đất yếu

H 1.4 –Nền đường bị sụp đổ

H 1.5.- Hiện tượng lở và trượt taluy nền đào

- Nguyên nhân: Do quá trình phong

hóa,động đất làm đất, đá bị vỡ vụn

H 1.6 Mái taluy bị rơi vỡ

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

• Tính toán độ lún của nền đường,nhất là khi đắp trên nền đất yếu → Cao độ phòng lún

• Các biện pháp đảm bảo sự ổn định của nền đường ,các công trình chống đỡ,công trình thoát nước,ngăn nước,và các biện pháp xử lý khác

1.1.4 Các nguyên tắc thiết kế nền đường

a) Phải đảm bảo khu vực tác dụng của nền đường (khi không có t ính toán đặc biệt, khu vực này có thể lấy tới 80 cm kể từ d ưới đáy áo đường trở xuống ) luôn đạt được các yêu cầu sau:

- Không bị quá ẩm (độ ẩm không lớn hơn 0,6 giới hạn nhão) và không chịu ảnh hưởng các nguồn ẩm bên ngoài (nước mưa, nước ngầm, nước bên cạnh nền đường)

- 30 cm trên cùng phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu bằng 8 đối với đường cấp I, cấp II và bằng 6 đối với đường các cấp khác

- 50 cm tiếp theo phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu bằng 5 đố i với đường cấp I, cấp II và bằng 4 với đường các cấp khác

Ghi chú: CBR xác định theo điều kiện mẫu đất ở độ chặt đầm nén thiết kế và được ngâm bão hòa 4 ngày đêm

b) Để hạn chế tác hại xấu đến môi trường và cảnh quan, cần chú trọng các nguyên tắc:

- Hạn chế p há hoại thảm thực vật Khi có thể nên gom đất hữu cơ trong nền đào để phủ xanh lại các hố đất mượn, các sườn taluy

- Hạn chế phá hoại cân bằng tự nhiên Đào đắp vừa phải Chú ý cân bằng đào đắp Gặp địa hình hiểm trở nên so sánh nền đường với các phương án cầu cạn, hầm, nền ban công Chiều cao mái dốc nền đường k hô ng nên cao quá 20 m

- Trên sườn dốc quá 50% nên xét phương án tách thành hai nền đường độc lập

- N ền đào và nền đắp thấp nên có phương án làm thoải (1:3 ~ 1:6) và gọt tròn để phù hợp địa hình và an toàn giao thông

- Hạn chế các tác dụng xấu đến đời sống kinh tế và xã hộ i của cư dân như gây ngập lụt ruộ ng đất, nhà cửa Các vị trí và khẩu độ công trình thoát nước phải đủ để không chặn dòng

lũ và gây phá nền ở chỗ khác, tránh cản trở lưu thông nội bộ của địa p hương, tôn trọng quy hoạch thoát nước của đ ịa phương

1.2 CÁC LOẠI ĐẤT DÙNG ĐỂ ĐẮP NỀN ĐƯỜNG – TIÊU CHUẨN ĐẦM NÉN ĐẤT NỀN ĐƯỜNG

1.2.1 Các loại đất đắp nền đường

Đất là vật liệu cơ bản nhất dùng trong xây dựng đường, tính chất lại thay đổi rất phức tạp theo nhiều nhân tố, cho nên cần phải nắm chắc các tính chất cơ lý của các loại đất, biết phương pháp xác định chúng và phải nắm vững những lý luận cơ bản về cơ học đất

Phân loại đất đắp nền đường:

a) Đá: Làm nền đường rất tốt,nền đường đắp bằng đá thì đảm bảo cường độ và độ ổn

định,chống xói mòn và va đập của dòng nước

b) Sỏi cuội: Dưới tác dụng của dòng nước làm dịch chuyển các viên đá,làm chúng bị bào

mòn,trong thành phần có lẫn cả cát và sét.Nền đường đắp bằng sỏi cuội có cường độ cao,khi đắp ở nơi khô ráo thì cường độ không thay đổi nhiều.Nhược điểm là chống xói mòn kém→thường gia cố bề mặt

c) Cát: Là loại đất vụn,rời rạc,độ dính kém,kích thước hạt <2-3mm,nước dễ thấm qua(Ví dụ

về đắp cát thay đất yếu),khi bão hòa nước thì cường độ ít thay đổi.Do vậy,dùng cát để đắp nền đường rất tốt,đặc biệt những vùng ẩm ướt,nước đọng hoặc nền đường gần bãi sông Tuy nhiên,do độ dính kém nên dễ bị bào mòn do nước nên cần gia cố bảo vệ bên ngoài

d) Đất á cát: Lượng cát >50% khối lượng,dùng để đắp nền đường rất tốt,có cường độ ổn

định,tính dính cao,khả năng thoát nước nhanh

e) Đất sét: Có lực dính lớn và tính thấm nước rất kém,lâu bão hòa nước.Chỉ nên dùng đắp ở

những nơi khô ráo

f) Đất á sét: Là loại đất tốt,chống xói lở rất tốt,đặc biệt dùng để đắp taluy nền đường

g) Đất hữu cơ(Bùn,than bùn ):Đất có cường độ thấp,thay đổi thể tích nhiều khi độ ẩm thay

đổi→Không nên sử dụng đắp nền đường

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

1.2.2 Tiêu chuẩn đầm nén đất nền đường

Theo tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054-2005 và tiêu chuẩn đầm nén đất TCVN 4201-1995,công tác đầm nén đất được quy định:

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

1.3 CẤU TẠO NỀN ĐƯỜNG TRONG TRƯỜNG HỢP THÔNG THƯỜNG

Các loại trắc ngang nền đường thường gặp gồm có:

- Nền đường đắp hoàn toàn

- Nền đường đào hoàn toàn

- Nền đường nửa đào,nửa đắp

- Nền đường đào hình chữ L

1.3.1 Các loại trắc ngang định hình nền đường đắp

Phụ thuộc vào chiều cao đắp và loại đất đắp mà có các dạng trắc ngang điển hình của nền đường đắp như sau:

- Nền đắp thấp (Phải làm rãnh biên) ( h≤ 0,6m) (Trừ TH như đường cao tốc)

- Nền đường đắp vừa ( h =1÷ 6m)

- Nền đường đắp cao ( h =6 ÷ 12 m)

- Nền đắp rất cao ( h ≥ 12m ) và nền đường đắp qua bãi sông

H1.7:

Tùy thuộc vào chiều cao đắp và vật liệu đắp,độ dốc của mái taluy đắp được quy định theo bảng 1.5

Đối với đất đắp thông thường,bằng kinh nghiệm thường đắp với mái dốc 1:1,5.Trường hợp chiều cao đắp lớn hơn 6m phải tiến hành kiểm toán ổn định mái dốc để quyết định hình dạng nền đường và độ dốc taluy.Chiều cao đất đắp không nên quá 16m và đắp đá không nên quá 20m

• Xử lý nền tự nhiên trước khi đắp:

Khi đắp trên sườn dốc, tuỳ theo độ dốc của sườn dốc mà có thể xử lý bằng các biện pháp sau:

- Khi độ dốc sườn dốc nhỏ hơn 20% thì có thể đắp trực tiếp sau khi rẫy cỏ hoặc bóc bỏ lớp đất hữu cơ

- Nếu độ dốc sườn dốc isd = 20 – 50% thì trước khi đắp nền tiến hành đánh thành bậc cấp, chiều rộng của bậc cấp phụ thuộc vào biện pháp thi công Nếu thi công bằng thủ công thì chiều rộng bậc cấp a = 1m, nếu thi công bằng máy thì chiều rộng bậc cấp a = 3~4m (bằng chiều rộng lưỡi máy)

Hình 1.8 Cấu tạo nền đường đắp trên sườn dốc 20-50%

- Nếu độ dốc sườn dốc lớn hơn 50% cần phải có các biện pháp cấu tạo như: Đắp nền bằng đá

để tăng độ dốc mái taluy (Bảng 8-4, trang 11 – TKĐ ôtô tập 2), Kè chân taluy, xây tường

chắn

Bảng 1.5: Độ dốc mái taluy nền đắp

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Hình 1.9 Cấu tạo nền đường đắp trên sườn dốc >50%

Xếp đống

- nt - Dùng đá lớn xếp mặt ngoài

- Nền đắp sau khi đắp phải đảm bảo ổn định, tuỳ theo độ cao của mái đắp và vật liệu đắp mà

độ dốc mái đắp được quy định như sau:

Các loại đá phong hoá nhẹ

Đá khó phong hoá cỡ lớn hơn 25cm xếp

1 : 1,75 ÷ 2

*) Xem thêm điều 7.8.2 (quy trình)

1.3.2 Các dạng trắc ngang định hình nền đường đào

Thường có 2 dạng: đào chữ U và đào chữ L

Hình 1.10 Cấu tạo nền đường đào

Nền đào làm phá vỡ thế cân bằng của các tầng đất thiên nhiên, làm sườn dốc bị hẫng chân

Để giữ cho taluy nền đào cũng như cho cả sườn núi thì độ dốc taluy đào phải có 1 trị số thích hợp dựa trên phân tích các điều kiện địa chất công trình:

- Thành phần, tính chất cơ lý của đất đá

- Thế nằm của đất đá

- Nguyên nhân thành tạo địa chất (sườn tích, trầm tích, bồi tích, …)

- Cấu trúc và mức độ phong hoá

- Chiều cao mái dốc

- Hướng phương vị mái dốc

Dựa trên các nguyên tắc phân tích ở trên, tính toán tổng hợp và rút ra bảng tổng kết áp dụng độ dốc taluy nền đào

Bảng1.7 - Độ dốc taluy nền đào (TCVN 4054 - 1998)

Loại đất, đá

Chiều cao mái dốc nền đào (m)

Độ dốc lớn nhất của mái dốc

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

2 Các loại đá bị phong hoá mạnh

Đá loại mềm phong hoá nhẹ 1 : 0,75 1 : 1,0

Đá loại mềm phong hoá nặng 1 : 1,0 1 : 1,25

CHÚ THÍCH: Với nền đào đất, chiều cao mái dốc không nên vượt quá 20m Với nền

đào đá mềm, nếu mặt tầng đá dốc ra phía ngoài với góc dốc lớn hơn 25o thì mái dốc thiết kế nên lấy bằng góc dốc mặt tầng đá và chiều cao mái dốc nên hạn chế dưới 30m

- Khi chiều cao mái dốc cao hơn 12m thì phải tiến hành phân tích,kiểm toán ổn định bằng các phương pháp thích hợp,tương ứng với trạng thái bất lợi nhất(đất đá ở trạng thái bão hòa

nước).Với mái dốc là vật liệu rời rạc thì nên áp dụng phương pháp mặt trượt phẳng,với vật liệu là đất dính thì áp dụng phương pháp mặt trượt trụ tròn.Hệ số ổn định nhỏ nhất K ≥ 1,25

- Khi mái dốc qua các tầng lớp đất đá khác nhau thì phải thiết kế có độ dốc khác nhau tương

ứng tạo thành mái dốc kiểu đào mặt gãy hoặc tại chỗ thay đổi độ dốc bố trí thêm bậc thềm

rộng 1-3m (tùy thuộc vào biện pháp thi công),có độ dốc 5% - 10% nghiêng về phía trong rãnh

1.3.3 Cấu tạo nền đường nửa đào,nửa đắp

1.3.4 Phòng hộ và gia cố mái taluy nền đường

Mục đích là để đề phòng taluy bị phá hoại do các nguyên nhân sau:

- Mưa: làm xói lở đất lấp các rãnh dọc, sụt lở taluy, xói hẫng chân taluy

- Nước ngập đọng gây sóng vỗ, nước chảy lâu ngày có thể gây sụt lở taluy trên 1 đoạn dài

- Ở vùng đồi, núi taluy cao, địa chất bị phong hoá mạnh, nước mặt ngấm vào lâu ngày

- Gia cố đất trộn chất vô cơ (gia cố vôi, ximăng)

- Làm lớp đất dính đắp bao taluy trong trường hợp nền đắp cát(tại đường NB-NT)

- Làm lớp bảo hộ cục bộ hoặc tường hộ để ngăn ngừa tác dụng phong hoá

- Lát đá hộc mái taluy

- Lát mái taluy bằng tấm bê tông

- Thường gặp khi tuyến đường qua các vùng sườn dốc nhẹ(Khoảng ≤50%).Lúc

đó có thể tận dụng các cấu tạo riêng của phần nền đường nửa đáo,nửa đắp.Khi thi công cần chú ý công tác điều phối đất theo phương ngang

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Hình 1.11 Gia cố taluy nền đường bằng lát cỏ

Hình 1.12 Gia cố taluy nền đường bằng đá hộc

1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN ĐẾN NỀN ĐƯỜNG

1.4.1 Sự ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên đến nền đường

1.4.1.1 Ảnh hưởng của nước

Nền đường ô tô có thể chịu ảnh hưởng của các nguồn ẩm sau đây:

• Nước mưa: Thấm qua lề đường và mặt đường vào khu vực đất nền đường

• Nước mặt: Nước ở thùng đấu,rãnh dọc,nước ngập Nước đọng lâu có thể ngấm vào trong

nền đường làm nền đường luôn ẩm ướt và giảm cường độ

• Nước ngầm: Nước mao dẫn nên thân nền đường từ phía dưới,nhất là vùng đồng

bằng,lầy

• Hơi nước: Di chuyển trong các lỗ rỗng của đất theo chiều của dòng nhiệt(từ nóng đến

lạnh),đặc biệt là trong điều kiện khí hậu thay đổi theo mùa như ở nước ta

1.4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ thay đổi làm ảnh hưởng đến độ ẩm của đất

1.4.1.3 Ảnh hưởng của gió

Khi lực gió càng lớn thì độ bốc hơi càng mạnh

1.4.2 Chế độ thủy nhiệt của nền đường

1.4.2.1 Ảnh hưởng của chế độ thủy nhiệt nền đường

- Chế độ thủy nhiệt của nền đường còn gọi là quy luật tác động của môi trường thiên nhiên đối với nền đường là quy luật thay đổi và phân bố độ ẩm của các điểm khác nhau trong cùng 1 khối đất nền đường theo thời gian.Nắm được quy luật phân bố này trong thời gian bất lợi nhất

H1.13.Các nguồn ẩm ảnh hưởng đến nền đường

1.Nước mưa;2.Nước mặt;3.Nước ngầm;4.Hơi nước

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

từ đó có thể đề xuất các biện pháp làm thay đổi tình trạng này như ngăn chặn các nguồn ẩm,hoặc tăng cường độ của nền đường

- Chế độ thủy nhiệt phụ thuộc vào quy luật chung của thời tiết:Khí hậu,nhiệt độ,lượng mưa

- Ngoài ra,nó còn phụ thuộc vào loại kết cấu nền đường,mặt đường.Cụ thể như các biện pháp thoát nước mặt đường,loại đất đắp nền,chiều cao đất đắp,độ chặt của đất nền đường

1.4.2.2 Các biện pháp cải thiện chế độ thủy nhiệt của mặt đường

• Đầm nén chặt đất nền đường: Làm tăng cường độ và cải thiện chế độ thủy nhiệt nền

đường rất tốt,đơn giản,hiệu quả và được áp dụng phổ biến

• Đắp cao nền đường:Đắp nền đường cao hơn mực nước ngầm hay mực nước đọng

thường xuyên là yêu cầu bắt buộc để phòng tránh trạng thái phân bố ẩm bất lợi trong bản thân nền đường

• Thoát nước và ngăn chặn các nguồn ẩm:

‐  Thoát nước mặt: Tạo mui luyện,bố trí hệ thống rãnh dọc,rãnh biên,rãnh đỉnh

- Ngăn chặn hoặc hạn chế ảnh hưởng của nước ngầm: Dùng các lớp cách nước,cách hơi để ngăn chặn nước ngầm mao dẫn

- Đắp lề đủ rộng để ngăn chặn nước ngập hai bên lề đường thấm vào thân nền đường

- Thiết kế và lựa chọn kết cấu áo đường,lề đường hợp lý,sử dụng các loại vật liệu lớp mặt ít(không) thấm nước hoặc sử dụng lớp móng cát thoát nước nhanh

1.4.3 Cao độ mặt đường

‐  Cao độ thiết kế mặt đường là cao độ tại tim đường

- Cao độ thiết kế mép nền đường tại những đoạn ven sông,đầu cầu nhỏ,những đoạn qua cánh đồng ngập nước phải cao hơn mực nước ngập theo tần suất tính toán(có kể mức nước dềnh và chiều cao sóng vỗ) tối thiểu 0,5m

Tần suất thiết kế của nền đường theo quy trình:

1.5 TÍNH TOÁN KHỐI LƯỢNG CÔNG TÁC NỀN ĐƯỜNG

- Công tác thiết kế đòi hỏi phải tính được khối lượng nền đường để phục vụ lập dự toán,tổ chức thi công hay lập luận chứng so sánh các phương án tuyến

- Hiện nay,việc tính toán khối lượng,bề rộng,chiều dài,diện tích được thực hiện bằng nhiều phần mềm chuyên dụng như:Nova,AND Design,ADS, Tuy nhiên,tất cả chúng đều dựa trên nguyên lý tính toán khối lượng giữa các mặt cắt ngang theo công thức đơn giản sau:

Trong đó: V1,2 là khối lượng cần tính giữa 2 mặt cắt 1,2;

F1,F2 là diện tích; L1,2 là khoảng cách giữa 2 mặt cắt ngang

- Các loại khối lượng cần tính toán: KL bóc hữu cơ,đánh cấp,KL đào,đắp

1.6 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TALUY NỀN ĐƯỜNG

1.6.1 Yêu cầu chung

1.6.1.1 Các trường hợp phải tính toán ổn định mái dốc

- Nền đường có hđắp,hđào > 12m

- Nền đắp cao ở bãi sông,những đoạn ngập nước không thường xuyên

- Nền đường đào trong đá(hđào>12m) có thế nằm của đá nghiêng ra phía nền đường

- Nền đường đào và đắp ở những nơi có điều kiện địa chất phức tạp(khe sói,casto,đá sụt ),nền đường thi công theo phương pháp nổ mìn hoặc thủy lực

1.6.1.2 Các chỉ tiêu cơ lý của đất dùng trong tính toán

- Phải được xác định bằng thí nghiệm khi đất vào ở trạng thái bất lợi nhất về khả năng chịu tải(Thường được xác định ở trạng thái bão hòa)

- Các chỉ tiêu sử dụng tính toán bao gồm: Trọng lương riêng của đất ᵞ,góc nội ma sát ,lực dính đơn vị C,chiều sâu mực nước ngầm Mỗi chỉ tiêu tính toán phải có ít nhất 3 số liệu và giá trị kiểm toán được lấy là giá trị trung bình của các số liệu đó

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

1.6.1.3 Xác định tải trọng tính toán

• Tĩnh tải: Tải trọng đắp nền và đắp gia tải trước được xác định theo đúng hình dạng đắp

trên thực tế

• Hoạt tải: Là tải trọng của số xe nặng tối đa cùng một lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng mặt

đường phân bố trên 1m dài chiều dài đường.Tải trọng này được quy đổi tương đương thành một lớp đất đắp có chiều cao là h x,xác định theo công thức:

Trong đó: G: Trọng lượng 1 xe (Chọn xe nặng nhất), tấn n: Số xe tối đa có thể xếp được trên phạm vi bề rộng mặt đường ᵞ: Dung trọng của đất đắp nền đường ,T/m3

l: Phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc(Khoảng cách từ

bánh trước đến bánh sau xe,tính phủ bì),m B: Bề rộng phân bố ngang của các xe(m)

1.6.1.4 Xác định hệ số ổn định

Hệ số ổn định được tính theo công thức: K=M g / M t

Trong đó: Mg: Mô men chống trượt

Mt: Mô men gây trượt

- Quy trình TCVN4054-2005 quy định,với Kmin ≥ 1,25 thì mái taluy đảm bảo ổn định

1.6.2 Phương pháp phân mảnh cổ điển

- Phương pháp này do Fellenius người Thuỵ Điển đưa ra vào năm 1926 để kiểm toán ổn

định mái dốc (còn gọi là phương pháp phân mảnh cổ điển; phương pháp Fellenius; phương pháp Thuỵ Điển hoặc Ordinary Method), đây là phương pháp phù hợp với thực tế, đơn giản và

cho độ chính xác cao

Hình 1.14 Phương pháp phân mảnh kiểm toán ổn định sườn dốc

a) Sơ đồ tính ổn định taluy theo Fellenius ; b) theo Bishop

Xét bài toán phẳng một mái dốc như hình 1.14a Giả thiết mái dốc trượt theo một mặt trượt trụ tròn nào đó

Phân khối đất hình trụ tròn thành các mảnh, trong tính toán thường chia bề rộng mỗi mảnh i là

từ 1 – 2m (chia càng nhỏ càng chính xác)

Giả thiết khi trượt cả khối đất sẽ trượt cùng một lúc, do đó giữa các mảnh không có lực ngang tác dụng lên nhau

Xét mảnh phân tố i có chiều rộng bi , chiều cao hi , chiều dài cung trượt li

Các lực tác dụng lên mảnh phân tố i bao gồm:

* Trọng lượng bản thân khối đất Pi

Pi = γi.bi.hi

Trong đó: γi – dung trọng tự nhiên của đất mảnh thứ i

Pi được phân ra thành 2 thành phần:

- Thành phần tiếp tuyến với mặt trượt (Ti) gây ra lực trượt: Ti = Pi.sinαi

- Thành phần vuông góc với mặt trượt (Ni) gây ra lực giữ: Ni = Pi.cosαi

* Lực dính trên bề mặt cung trượt: ci.li

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

i i i i

n 1

.sinα.h.bγ

).lc.tg.cosα.h.b(γK

i i i

n 1 i

i i i

.sinα.hb

c.L.cosα.hb.tgK

ϕ

(1.5-7)

- Trường hợp có xét đến tác dụng của động đất thì mỗi mảnh trượt còn chịu thêm một lực gây trượt Wi = (0,1 ~ 0,2).Pi đặt tại trọng tâm mỗi mảnh và có cánh tay đòn Zi so với tâm O Khi đó:

)R

Z.W.sinα.h(b

c.L.cosα.hb.tgK

i i n

1

n 1

- Quá trình tìm cung trượt nguy hiểm nhất đòi hỏi tốn nhiều thời gian và công sức tính toán Fellenius đã tìm ra cách xác định nhanh tâm cung trượt nguy hiểm nhất áp dụng cho mái đất đồng nhất và tâm cung trượt đi qua mép dưới chân taluy

Hình 1.15 Quỹ tích tâm trượt nguy hiểm nhất nền đắp Bảng các giá trị α và β

Hình 1.16 Quỹ tích tâm trượt nguy hiểm

nhất nền đào

Độ dốc mặt đất 1:n

Taluy nền đào 1:m

Lưu ý: Khi tính toán lực động đất phải xác định lực động đất này theo "Quy chuẩn xây dựng"

hoặc tiêu chuẩn ngành 22TCN 221-95 Lực động đất chỉ tính với các vùng có thể có động đất

từ cấp 7 trở lên, lực động đất tỷ lệ thuận với trọng lượng khối trượt và mức độ động đất

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Trong đó: Wi , Pi - lực động đất và trọng lực của khối đất i

Kc - hệ số tỷ lệ được lấy tuỳ thuộc vào cấp động đất

Bảng hệ số tỷ lệ Kc

1.6.3 Phương pháp BISHOP

Theo phương pháp này, tính toán hệ số ổn định taluy nền đường cũng giống như đối với phương pháp Fellenius nhưng có xét tới ảnh hưởng của các lực tương hỗ giữa các mảnh, mà cụ thể là các lực đẩy ngang của 2 mảnh kề bên mảnh đang xét Ei+1 và Ei-1 tác dụng từ 2 phía (không quan tâm đến vị trí và điểm đặt của các lực ngang đó) như hình 1.10b

Đối với toàn bộ khối trượt trụ tròn thì phải có: ∑ΔEi =∑(Ei+1− Ei−1) = 0 (do toàn bộ khối trượt ở trạng thái cân bằng) Từ đó, hệ số ổn định tổng thể K của khối trượt vẫn được xác định theo công thức:

)R

Z.W(T

).lc.tg(NK

i i n

1 i i

n 1 i

i i i i

i i i i i

sintgK

1cosα

sinαlcK

1PN

αϕ

i i i i

n 1 i

i i i i

i i

R

Z W sinα P

.m l c cosα

.tg P K

ϕ

(1.5-14)

với:

1 i i

K

11

Lưu ý rằng, từ công thức trên ta thấy việc tính toán hệ số ổn định K là quá trình lặp mò dần vì

mi = f(K) Việc giải bài toán lặp như trên đã được giải quyết một cách nhanh chóng khi dùng máy tính điện tử

1.6.4 Tính toán ổn định mái dốc có xét đến lực đẩy nổi và lực chảy thấm

- Sau khi nền đường thấm nước, khối đất ở dưới đường nước thấm (hoặc đường mực nước) chịu tác dụng của lực đẩy nổi (áp lực thuỷ tĩnh) và lực chảy thấm (áp lực thuỷ động) và sức chống cắt của đất cũng giảm xuống, những điều này ảnh hưởng tới sự ổn định của nền đường ngập nước, khi phân tích phải xét tới

- Trong điều kiện mực nước tĩnh, tất có sự cân bằng giữa hợp lực của áp lực nước lỗ rỗng (lực đẩy nổi) xung quanh mảnh với trọng lượng nước của phần thể tích thấm nước của phân mảnh Khi phân tích ổn định trong trường hợp này chỉ cần dùng dung trọng đẩy nổi để tính trọng lượng đất của phần thấm nước, lúc này không cần xét đến lực tác dụng của nước ở trên mặt giới hạn của mảnh

Hình 1.17 Phân tích ổn định của nền đường thấm nước

a) Nước tĩnh b) Có dòng thấm

Dung trọng đẩy nổi của đất có thể tính theo công thức sau:

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

γ' = γm - γw = γđ - (1-n).γw

Trong đó:

γ' , γm , γđ - dung trọng đẩy nổi, dung trọng bão hoà và dung trọng khô của đất, kN/m3

γw - dung trọng của nước bằng 10kN/m3

n - độ rỗng của đất, %

- Khi có chênh lệch mực nước trong và ngoài mái taluy nền đường thì sẽ phát sinh sự chảy thấm Bộ phận dưới đường mực nước ngoài chịu tác dụng của lực đẩy nổi còn chịu tác dụng của lực chảy thấm Nếu mực nước ở ngoài mái taluy giảm đột ngột thì lực chảy thấm hướng ra mặt ngoài mái đất và khi này ổn định nền đường ở trạng thái bất lợi nhất

- Khi tính toán tác dụng của dòng chảy thấm, thường dùng áp lực nước trên chu vi khối đất trượt và trọng lượng nước của bộ phận thể tích thấm nước để thay thế cho tác dụng của lực chảy thấm

- Xét phần thể tích ở dưới đường bão hoà trong phạm vi khối đất trượt để xét, ta có các lực tác dụng vào phần khối nước lỗ rỗng này bao gồm: Áp lực nước U trên mặt trượt ab'c, áp lực nước U' trên mặt taluy bc, hợp lực của trọng lượng nước lỗ rỗng và lực đẩy nổi bằng trọng lượng nước Qw của thể tích khối đất trượt nằm dưới đường bão hoà, hợp lực của ba lực trên là lực chảy thấm D

- Với nền đường ngập nước, dùng phương pháp phân mảnh giản đơn để kiểm toán độ ổn định Dựa vào cân bằng mômen với tâm trượt O ta có hệ số an toàn K

) l c tg cosα (Q R K

i i

i i i i

r - cánh tay đòn của lực chảy thấm D với tâm O

- Do lực U thẳng góc với cung trượt tròn đi qua tâm O, do đó mômen của nó đối với tâm O bằng không Mômen của áp lực nước U' và trọng lượng nước dưới mặt bb' lấy đối với tâm trượt sẽ triệt tiêu nhau, và do đó:

Cũng có thể sử dụng phương pháp phân mảnh tính toán Q'w.x' cho từng mảnh i, khi đó công thức tính hệ số ổn định K sửa lại thành:

+

=

i

' i

i i i i i

' wi i

i i i i

sinα Q

) l c tg cosα (Q )sinα

Q (Q

) l c tg cosα (Q

Trong đó:

Q'wi - trọng lượng nước của bộ phận thể tích nằm trên mực nước thấp nhất và dưới đường bão hoà

Q'i - trọng lượng của phân mảnh tính toán với bộ phận ở dưới đường bão hoà và trên mực nước thấp nhất thì dùng dung trọng bão hoà, bộ phận ở dưới mực nước thấp nhất thì dùng dung trọng đẩy nổi

Gradien thuỷ lực của dòng thấm của các loại đất có thể lấy theo bảng sau:

Gradien thuỷ lực dòng thấm

Hình 1.18 Xác định đường thấm nước

Đường thấm nước khi mức nước lũ rút đột ngột được xác định gần đúng như hình 1.18 phụ thuộc vào gradien thuỷ lực I của dòng thấm

1.6.5 Chương trình kiểm toán ổn định mái dốc

- Hiện nay có rất nhiều phần mềm phân tích,kiểm toán ổn định mái dốc nền đường.Nhưng thông dụng nhất vẫn là modul Slope/w tính ổn định mái dốc trong bộ chương trình GEO-SLOPE của Canada

- Những khả năng của Slope/w trong công trình giao thông:

+ Tính toán ổn định nền đắp thông thường,nền đắp có neo,có cốt

+ Tính toán ổn định chống trượt sâu của nền đắp trên đất yếu,có sử dụng vải địa kỹ thuật + Tính ổn định chống trượt của kè,cảng,tường chắn

Và còn rất nhiều tính năng khác,tham khảo thêm trong www.geo-slope.com

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

1.7 TÍNH TOÁN,ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN SƯỜN DỐC

Khi xây dựng nền đường trên sườn dốc, để đảm bảo điều kiện ổn định toàn khối, việc thiết kế, tính toán cần đáp ứng được 2 yêu cầu sau:

- Nền đường phải đặt trên một sườn dốc ổn định và bản thân sườn dốc đó vẫn ổn định sau khi xây dựng nền đường

- Bản thân nền đắp không được trượt trên mặt sườn dốc

1.7.1 Đánh giá sự ổn định của sườn dốc

i≤ + (1.4-4)

Trong đó: i - độ dốc của sườn dốc, i = tgα

f - hệ số ma sát giữa khối trượt trên mặt trượt

γ - dung trọng tự nhiên của khối đất, kN/m3

h - chiều dày trung bình của khối trượt, m

c - lực dính giữa khối trượt và mặt trượt, kPa

α - góc nghiêng của mặt trượt so với phương ngang

1.7.1.2 Mặt trượt gãy khúc

Hình 1.20 Mặt trượt gãy khúc

- Chia nền đắp thành nhiều mảnh nhỏ, đáy mỗi mảnh có độ dốc αi, i=1,n

- Chiều dài các mặt trượt tương ứng là Li

- Khối lượng mỗi mảnh tương ứng là Qi

Từ đó, ta đánh giá ổn định của mảnh thứ i dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và các mảnh

i i i

i

.sinαQ)α.cos(αF

.Lc.tg.sinαQF

RK

Chú ý: Nếu F i-1 < 0 thì không xét đến nữa

Trong đó: αi - độ dốc nghiêng của mặt trượt i ; c, φ - lực dính và góc nội ma sát của khối trượt Quá trình tính toán thực hiện cho các mảnh từ trên xuống dưới Cuối cùng tính được hệ số ổn định chống trượt cho mảnh ở chân dốc

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

1.7.2 Đánh giá sự ổn định của bản thân nền đắp

Xét nền đắp trên sườn dốc Nền đắp có thể bị trượt trên mặt tiếp xúc

- Dưới tác dụng của trọng lượng bản thân nền đắp Q gây ra lực trượt là F

trượt, xác định ở trạng thái bất lợi

nhất khi nước thấm vào

Ta có: Hệ số ổn định K Hình 1.21 Đánh giá ổn định nền đắp trên sườn dốc

fi1i

ftgα

fQ.sinα

Q.f.cosαF

R

Từ đó, để tăng mức độ ổn định của nền đường đắp trên sườn dốc ta có biện pháp như tăng hệ

số ma sát f (như rẫy cỏ, đánh cấp), hoặc kè chân taluy, tường chắn

Q N 

F O

α 

1.8 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU

1.8.1 Nguồn gốc và phân loại đất yếu

Đất yếu là đất có hệ số rỗng lớn, độ ẩm lớn (thường là bão hoà nước), sức chống cắt nhỏ Đất yếu thường phân ra 2 loại chính: Đất yếu và Than bùn

• Đất yếu: Tầng đất sét (á sét) trầm tích trong nước trong thời kỳ cận đại ở các vùng đồng

bằng châu thổ, đầm hồ, ven biển

- Nguồn gốc chủ yếu là khoáng vật nhưng trong quá trình trầm tích thường có lẫn hữu cơ nên

có thể có màu xám đen, dễ nhuốm bẩn

- Về chỉ tiêu cơ lý, đất yếu có hệ số rỗng εo lớn: εo > 1,5 (sét) và εo > 1,0 (á sét) ; độ ẩm thiên nhiên W xấp xỉ giới hạn nhão Wnh ; sức chống cắt τ (c, φ) nhỏ: c < 0,1 – 0,2 kg/cm2 và φ = 0 –

100

• Than bùn: Nguồn gốc chính là hữu cơ, hàm lượng hữu cơ lớn hơn 50% Do có cây trầm

tích lâu ngày trong nước phân huỷ trong môi trường hiếm khí (ví dụ như vùng lầy hình thành

do các bãi sút vẹt ven biển), có màu nâu, nâu sẫm hay đen, còn thấy tàn dư thực vật

- Về chỉ tiêu cơ lý, than bùn còn yếu hơn: εo = 3 – 15 ; c = 0,01 – 0,04 kg/cm2, tgφ = 0,03 – 0,07 ; độ ẩm thiên nhiên W = 100 – 400%

Tóm lại, đất yếu là đất có sức chống cắt nhỏ, sức chịu tải kém Nền đắp trên đất yếu dễ gây mất ổn định (lún sụt, trượt trồi,…) Khi thiết kế nền đắp qua vùng đất yếu cần phải kiểm toán

ổn định theo 2 nội dung sau:

• Ổn định về mặt cường độ: nhằm bảo đảm nền đắp ổn định toàn khối không bị trượt trồi

• Tính toàn về mặt biến dạng: khống chế độ lún nền đắp không quá lớn

1.8.2 Tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu

1.8.2.1 Phương pháp đường đẳng K min :

- Nguyên tắc: nền đắp ổn định nếu ứng suất nó gây ra không đủ gây ra biến dạng dẻo ở tất

cả các điểm trong nền đất yếu

Để tính ứng suất tại điểm M nào đó trong nền đất yếu ta quy đổi tải trọng nền đắp ra hình chữ nhật Sau đó tính được các thành phần ứng suất σx, σz, τzx theo bài toán phẳng Flatma

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Hình 1.22 Sơ đồ tính ổn định nền đắp trên đất yếu theo đường đẳng K min

Ta có: ứng suất tại điểm M do tải trọng nền đắp gây ra là:

2

1)β(sin2β2

1[βπ

1[βπ

β2 lấy dấu dương khi điểm M nằm ngoài 2 trục thẳng đứng đi qua 2 mép tải trọng

Dựa vào quan hệ vòng tròn Morh ứng suất, ta có:

zx

2 z x z

x

2

12

σσ

σ σ.cos α σ sin2α

3

2 1

τα =(σ1−σ3).sinα.sinα

σα, τα – ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên một hướng bất kỳ qua điểm M

Tại M không phát sinh biến dạng dẻo phải thoả mãn điều kiện:

Để tìm giá trị α nguy hiểm nhất cần lập và giải phương trình:

dα

dK =

Từ đó, rút ra trị số α tương ứng với Kmin và thay trở biểu thức trên, ta được:

Kmin = 2 A.(A − f) ; với:

3 1

1

σσ

cf.σA

+ Nếu trong nền đất yếu, mọi điểm đều có Kmin > 1 thì nền đất ổn định

+ Vùng có Kmin < 1 là vùng phát sinh biến dạng dẻo (phạm vi R) Theo kinh nhiệm nước ngoài, nếu R ≤ B/2 thì nền đất ổn định

Quy đổi tải trọng xe cộ:

Khi tính toán các thành phần ứng suất có thể xét thêm các tải trọng của xe tải nặng, xe xích bằng cách quy đổi tải trọng đó ra một dải phân bố đều trên cả bề rộng nền đường có chiều cao

là htđ

.B.Lγ

n.Gh

B – bề rộng hàng xe xếp ngang trên mặt đường

L – chiều dài mép trước lốp trước đến mép sau lốp sau

γd – dung trọng đất nền đắp

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Hình 1.23 Các "đường đẳng K min " và bề rộng phạm vi phát sinh biến dạng dẻo R

b)(azlnπ.a

z.pτ

+

++

Thực tế, với các nền đắp thông thường, thường có: τmax = (0,27 – 0,33)p

Như vậy: nền đắp cao Hgh ổn định khi

1,5 1,2R

1.8.2.2 Phương pháp mặt trượt trụ tròn:

Mặt trượt nguy hiểm nhất khoét sâu vào trong đất yếu Để kiểm toán đánh giá mức độ ổn định nền đắp có thể sử dụng phương pháp phân mảnh cổ điển hoặc phương pháp Bishop

Nguyên tắc, trình tự tính toán như trình bày ở phần trên

Hình 1.24 Sơ đồ tính toán ổn định chống trượt sâu

Phương pháp phân mảnh cố điển được tính toán theo sơ đồ hình 1.17a và hệ số ổn định K ứng với một mặt trượt trụ tròn tâm O bán kính R được xác định theo CT:

]R

Z.W.sinα[Q

]lctg.cosα[QK

i i n

1 i

i i

n 1 i

i i i i

i i i i

n 1

i i

R

Z W sinα Q

.m l c cosα

.tg Q K

ϕ

với:

1 i i

K

11

THIẾT KỀ NỀN-MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

Đối với nền đường đắp trên đất yếu, vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất theo kinh nghiệm thường nằm trong phạm vi tứ giác EFDC như hình vẽ 1.18 Khi chiều sâu lớp đất yếu bằng và nhỏ hơn chiều cao nền đắp thì giới hạn dưới của mặt trượt nguy hiểm nhất thường tiếp tuyến với đáy của lớp đất yếu (đỉnh của lớp đất cứng), còn khi tầng đất yếu tương đối sâu thì độ sâu của mặt trượt thường từ (1-1,5H)

Hình 1.25 Quỹ tích tâm trượt nguy hiểm nhất nền đắp trên đất yếu 1.8.2.3 Phương pháp tải trọng giới hạn:

Việc tính toán được tiến hành bằng cách xem nền đắp tương tự một móng nông hình băng chịu tác dụng của tải trọng phân bố là trọng lượng bản thân nền đắp và tải trọng xe cộ

a) Công thức tải trọng giới hạn của Prăngđơ - Taylo

Căn cứ vào kết quả thực nghiệm ép đất dưới tấm ép cứng, Prăngđơ thấy rằng khi tải trọng hình băng chữ nhật phân bố đều p đạt tới tải trọng giới hạn pgh thì nền đất sẽ bị phá hoại và trượt theo một mặt trượt trồi sang hai bên

Từ kết quả nén ép, Prăngđơ đã xác định được trị số tải trọng giới hạn pgh của nền đắp có xét đến tải trọng phân bố đều bán vô hạn q ở hai bên

sin1)c.cotg(q

−

++

Trong đó: c, φ - lực dính và góc ma sát trong của nền đất yếu

Để kể đến tác dụng của trọng lượng thân khối đất trượt, Taylo đã điều chỉnh lại công thức trên thành: (pgh lớn hơn của Prăngđơ)

ϕ

ϕϕ

ϕϕ

γ

sin1

sin1q1esin1

sin124

π.cotgL

c.cotg

p

Trong đó:

γ - dung trọng đất đắp nền đường

L - 1/2 bề rộng nền đắp quy đổi từ tải trọng hình thang thành hình chữ nhật

- Khi áp dụng công thức của Prăngđơ để tính toán ổn định cường độ nền đắp trên đất yếu bằng cách đổi tải trọng hình thang của nền đắp ra hình chữ nhật và xem như tải trọng móng cứng Đầu tiên coi như nền đất không bị lún vào đất yếu, tức q=0, từ đó tính được p1gh Nếu

p1gh ≥ p (p = Hđắp.γđắp) thì nền đắp ổn định, ngược lại nền đắp sẽ lún vào đất yếu Giả thiết nền đắp lún vào đất yếu một chiều sâu là S1 (do đó q = S1.γ1 , γ1 - là dung trọng đất yếu), từ đó lại tính được pgh mới, nếu pgh ≥ p' (p' = (Hđắp+S1).γđắp) thì nền đắp sẽ ổn định không lún nữa

Nếu trạng thái này không xảy ra hoặc xảy ra tương ứng với trường hợp S1 quá lớn thì coi là không ổn định

Lưu ý: Phương pháp Prăngđơ - Taylo chỉ sử dụng đúng khi nền đất yếu dưới nền đắp phải có

một chiều sâu nhất định (Hđất yếu ≥ 1,5B ; B - là bề rộng nền đắp) mới đảm bảo phát sinh mặt trượt như Prăngđơ đã giả thiết

b) Công thức tải trọng giới hạn của L.K.Iugenxon

Phương pháp này dùng cho trường hợp lớp đất yếu tương đối mỏng, Hđất yếu ≤ B/2, B - là bề rộng nèn đắp

Vì tầng đất yếu mỏng nên phá hoại không hình thành mặt trượt được mà biến dạng dẻo sẽ bao trùm toàn bộ bề dày đất yếu trong phạm vi dưới nền đắp và đất yếu sẽ bị ép đẩy trồi ra hai bên Năm 1934, I.K.Iugenxon đã tính được tải trọng giới hạn trong trường hợp này dưới tác dụng của tải trọng phân bố dạng tam giác, đáy móng phẳng và cứng

yêu đât gh

H

c.b

p =

Trong đó:

c - lực dính của đất yếu (coi đất yếu có φ = 0, thiên về an toàn)

b - 1/2 bề rộng đáy tải trọng phân bố tam giác

Hđất yếu - chiều dày lớp đất yếu

Cách áp dụng khi tính toán tương tự như khi dùng công thức của Prăngđơ, chỉ khác là đổi tải trọng hình thang của nền đắp ra tải trọng hình tam giác