Xác định kích thước hợp lý của bệ phản áp trong thiết kế ổn định nền đắp trên đất yếu và áp dụng xử lý cho tuyến cao tốc đà nẵng quảng ngãi, đoạn từ km3+500 đến km3+600

XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU VÀ ÁP DỤNG XỬ LÝ CHO TUYẾN CAO TỐCĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI, ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600 Học viên: Thân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

THÂN VĂN CHINH

XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU

VÀ ÁP DỤNG XỬ LÝ CHO TUYẾN CAO TỐC

ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI, ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

THÂN VĂN CHINH

XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU

VÀ ÁP DỤNG XỬ LÝ CHO TUYẾN CAO TỐC

ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI, ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Thân Văn Chinh

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Kết cấu luận văn 2

CHƯƠNG 1 ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU CÓ XỬ LÝBỆ PHẢN ÁP 3

1.1 KHÁI NIỆM ĐẤT YẾU 3

1.2 ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ 4

1.2.1 Ổn định nền đường trên đất yếu 4

1.2.2 Các biện pháp xử lý ổn định nền đường trên nền đất yếu 5

1.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 5

1.3.1 Nhóm các phương pháp giả định mặt trượt 6

1.3.2 Phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng 11

1.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng đối với đất 11

1.3.4 Giới thiệu phần mềm Slope/w trong phân tích ổn định nền đường 13

1.4 BỆ PHẢN ÁP VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 14

1.4.1 Ứng dụng của bệ phản áp trong thiết kế ổn định nền đắp trên đất yếu 14

1.4.2 Tác dụng của bệ phản áp đến ổn định của nền đắp trên đất yếu 16

1.4.3 Ảnh hưởng của kích thước bệ phản áp đến hiệu quả xử lý ổn định nền đắp trên đất yếu 18

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 19

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ NỀN ĐẮP, ĐẤT YẾU VÀ KÍCH THƯỚC BỆ PHẢN ÁP ĐẾN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG TRƯỜNG HỢP KHÔNG VÀ CÓ SỬ DỤNG BỆ PHẢN ÁP 20

2.1 MỞ ĐẦU 20

2.2 MÔ HÌNH BÀI TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN 20

2.2.1 Xây dựng mô hình bài toán 20

2.2.2 Đề xuất các thông số tính toán cho nền đắp và đất yếu 21

2.3 ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRONG TRƯỜNG HỢP KHÔNG SỬ DỤNG BỆ PHẢN ÁP 23

2.3.1 Kết quả phân tích hệ số ổn định của nền đường Kmin bằng phần mềm Slope/W 23

định nền đắp trên đất yếu 24

2.4 ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ SỬ DỤNG BỆ PHẢN ÁP 27

2.4.1 Ảnh hưởng của chiều cao bệ phản áp (h) đến hệ số ổn định Kmin. 28

2.4.2 Ảnh hưởng của bề rộng bệ phản áp (b) đến hệ số ổn định Kmin. 30

2.5 MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG TRƯỜNG HỢP KHÔNG VÀ CÓ XỬ LÝ BỆ PHẢN ÁP 35

2.5.1 Phân tích hồi qui tuyến tính đa biến (Regression Lineaire Multiple) 35

2.5.2 Mô hình xác định hệ số ổn định nền đắp trên đất yếu trong trường hợp không sử dụng bệ phản áp 36

2.5.3 Đề xuất các mô hình xác định kích thước bệ phản áp và độ dốc mái taluy nền đắp đảm bảo nền đắp trên đất yếu có hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin=1.4 37

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 40

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG CAO TỐC ĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI,ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600 42

3.1 MỞ ĐẦU 42

3.2 GIỚI THIỆU DỰ ÁN 42

3.3 ĐẶC ĐIỂM ĐOẠN TUYẾN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600 43

3.3.1 Địa hình, địa mạo 43

3.3.2 Địa chất 43

3.4 CÁC YÊU CẦU VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ XỬ LÝ ỔN ĐỊNH (THEO HỒ SƠ THIẾT KẾ PHÊ DUYỆT) 44

3.4.1 Yêu cầu 44

3.4.2 Giải pháp thiết kế xử lý được áp dụng đoạn từ Km3+500 đến Km3+600 44

3.5 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG VÀ ĐỀ XUẤT KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP 44

3.5.1 Xác định các thông số tính toán nền đất yếu 44

3.5.2 Kiểm toán ổn định của nền đường trường hợp chưa bố trí bệ phản áp 45

3.5.3 Xác định độ dốc mái taluy (m) để đạt hệ số ổn định nền đường Kmin=1,4 48

3.5.4 Xác định kích thước bệ phản áp b để nền đường đạt Kmin=1,4 49

3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

Số hiệu

1.1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo phương

pháp cân bằng giới hạn

10

2.1 Thông số nền đắp tại một số dự án có xử lý nền đất yếu 21 2.2 Thông số nền đất yếu tại một số dự án 22 2.3 Thông số nền đắp và đất yếu đề xuất trong mô hình tính toán 23 2.4 Ma trận tương quan của các thông số tính toán 26

2.6 Bảng tính toán hệ số tương quan bội R2 39 3.1 Tổng hợp các số liệu khảo sát địa chất tại lỗ khoan

Số hiệu

1 Cấu tạo bệ phản áp để tăng hệ số ổn định nền đường 1

1.2 Các giải pháp chính xử lý nền đắp trên đất yếu 5 1.3 Phân tích ổn định với nhiều cung trượt khác nhau 6 1.4 Sơ đồ tính ổn định theo phương pháp phân mảnh 7 1.5 So sánh hệ số an toàn trên mái dốc giả định (Fredlund & Krahn,

1977)

10

1.7 Thuyết phá hoại Mohr - Coulomb đối với đất 13 1.8 Ứng dụng bệ phản áp thiết kế ổn định nền đắp trên đất yếu

(Pilot & Moreau, 1973)

15

1.9 Sử dụng bệ phản áp trên đường cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi 16 1.10 Mô hình tính toán ổn định nền đắp có sử dụng bệ phản áp 16 1.11 Ảnh hưởng của bệ phản áp đến độ ổn định mái dốc (Abramson 2002) 18

2.2 Kết quả phân tích ổn định, trường hợp Hđ=5m, Hy=10m,

2.6 Ảnh hưởng của chiều cao và chiều rộng bệ phản áp đến hệ ổn

định Kmin (trường hợp mái dốc 1/1,5)

29

2.7 Ảnh hưởng của chiều cao và chiều rộng bệ phản áp đến hệ ổn

định Kmin (trường hợp mái dốc 1/2,0)

XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA BỆ PHẢN ÁP TRONG THIẾT KẾ

ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU VÀ ÁP DỤNG XỬ LÝ CHO TUYẾN CAO TỐCĐÀ NẴNG - QUẢNG NGÃI, ĐOẠN TỪ KM3+500 ĐẾN KM3+600

Học viên: Thân Văn Chinh Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCTGT

Mã số: 60580205 Khóa: 2015 - 2017 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt –Luận văn trình bày các kết quả phân tíchảnh hưởng của các thông số nền

đắp, nền đất yếu và kích thước bệ phản áp (chiều rộng, chiều cao)đến hệ số ổn định

Kmincủa nền đường đắp trên đất yếu.Dựa trên kết quảphân tích thành phần chính (PCA) và phân tích hồi qui đa biến, luận văn đã xây dựng các mô hình cho phép tính toán nhanh hệ

số ổn định Kmin trong trường hợp nền đắp trên đất yếu có mái dốc 1/1,5; đưa ra các khuyến nghị về kích thước sử dụng hợp lý của bệ phản ápvà mô hình tính toán xác định sơ bộ kích thước bệ phản áp,đảm bảo nền đường đạt hệ số ổn định Kmin=1,4 dựa trên 4 thông số chiều cao đắp (Hđ), dung trọng đất đắp (đ), lực dính không thoát nước (Cu) và chiều dày lớp đất yếu (Hy) Kết quả có ý nghĩa thực tế, giúp cho các kỹ sư thiết kế đánh giá nhanh điều kiện

ổn định của nền đắp, đồng thời đưa ra các giải pháp thiết kế bệ phản áp một cách nhanh chóng, hợp lý mà không cần các phần mềm tính toán phức tạp.Kết quả nghiên cứu được vận dụng xử lý cho nền đắp trên đất yếu đoạn từ Km3+500 đến Km3+600 tuyến cao tốc

Đà Nẵng - Quảng Ngãi

Từ khóa: bệ phản áp, hệ số ổn định, đất yếu, nền đắp, phần mềm Slope/W

INDESIGNINGSTABLE EMBANKMENT ON SOFT SOIL AND APPLYING INTO DA NANG – QUANG NGAI EXPRESSWAY, SECTION FROM KM3+500 TO KM3+600

Abstract:The thesis presents results of the analysis on theeffectofparameters embankment,

soft soiland berm’s dimensions (width, height) towards the stability coefficient Kmin of embankment on soft soil On that basis,creates the models for quick calculation of the stability coefficientKmin in case slope is designed as 1/1,5;gives recommendations on the proper size for the berm used in case slope is designed as 1/1,5 and creates models for quick determination of counterweight berm’s dimensions with stability coefficient

Kmin=1.4 based on 4 parameters: embankment height (Hđ), density of embankment soil (đ), undrained adhesion (Cu) and the thickness of the soft soil (Hy) The result has practical meaning, helping the design engineers to come up with solutions of designing berm quickly and properly without using complicated calculation softwears The study results are applied to treat embankment on soft soil, section from Km3+500 to Km3+600, Da

Nang – Quang Ngai Expressway

Keywords:berm, stability coefficient, soft soil, embankment, Slope/W.

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Xây dựng nền đường ô tô qua khu vực nền đất yếu luôn đòi hỏi người thiết kế có các giải pháp xử lý phù hợp để đảm bảo tốt nhất các yêu cầu về kinh tế - kỹ thuật Đối với công trình xây dựng nền đường qua khu vực đất yếu không sử dụng các giải pháp

để rút ngắn thời gian cố kết, một trong những giải pháp đơn giản để tăng hệ số an toàn đảm bảo ổn định trượt, giảm thời gian chờ đắp theo giai đoạn là sử dụng bệ phản áp (xem Hình 1)

Hình 1 Cấu tạo bệ phản áp để tăng hệ số ổn định nền đường

Bệ phản áp được sử dụng như một giải pháp gia tăng đối trọng giữ ổn định mái dốc nền đường Tuy nhiên việc lựa chọn kích thước bệ phản áp như thế nào để nền đắp vẫn đảm bảo ổn định trong suốt quá trình thi công đắp đất mà không sử dụng thêm các biện pháp xử lý khác, đồng thời mang lại hiệu quả kinh tế (giảm khối lượng đất đắp và diện tích chiếm đất) là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn, cần thiết và luôn được các chủ đầu tư, đơn vị tư vấn thiết kế quan tâm

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bệ phản áp đến ổn định của nền đắp trên đất yếu Áp dụng xử lý cho nền đắp trên đất yếu đoạn từ Km3+500 đến Km3+600 tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi

2.2 Mục tiêu cụ thể

- Nghiên cứu lý thuyết và phần mềm tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số nền đắp và nền đất yếu đến hệ số ổn định Kmin bằng phần mềm phân tích ổn định mái dốc Slope/W trên cơ sở thống kê dữ liệu về nền đắp và nền đất yếu từ một số công trình thực tế

- Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bệ phản áp đến hệ số ổn định Kmin trong trường hợp bài toán ổn định nền đắp trên đất yếu có xử lý bệ phản áp và áp dụng xử lý cho nền đắp trên đất yếu đoạn Km3+500 - Km3+600 tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nền đắp trên đất yếu có diện thi công cho phép xử lý bằng bệ phản áp

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nền đất yếu có chiều dày thay đổi từ 2m đến 10m, chịu tác dụng của nền đắp có chiều cao đắp lớn nhất 5m

- Ổn định nền đắp trên đất yếu được phân tích theo phương pháp cân bằng giới hạn Bishop bằng phần mềm tính toán Slope/W; không xét ảnh hưởng của thời gian chờ lún

cố kết

- Ổn định nền đắp trên đất yếu có các thông số chiều cao đắp thay đổi và các đặc trưng cơ lý thay đổi và áp dụng cụ thể cho tuyến cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi, đoạn

từ Km3+500 đến Km3+600

4 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát, thu thập thông tin từ các tài liệu, hồ sơ thiết kế nền đắp trên đất yếu của các dự án trong và ngoài nước, làm cơ sở lựa chọn các thông số thiết kế; - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp sử dụng phần mềm tự động hoá thiết kế phân tích ổn định nền đường đắp trên nền đất yếu trong các trường hợp có xử lý và không có sử dụng bệ phản áp;

- Tổng hợp, phân tích kết quả tính toán từ đó đề xuất mô hình tính toán ổn định và xác định kích thước hợp lý của bệ phản áp

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể hỗ trợ cho các kỹ sư, đơn vị thiết kế tham khảo trong tính toán, đánh giá ổn định và xác định nhanh kích thước bệ phản áp

6 Kết cấu luận văn

Phần Mở đầu

Chương 1: Ổn định nền đắp trên đất yếu có xử lý bệ phản áp

Chương 2: Ảnh hưởng của các thông số nền đắp, đất yếu và kích thước bệ phản

áp đến hệ số ổn định nền đắp trên đất yế trong trường hợp không và có sử dụng bệ phản áp

Chương 3: Áp dụng xử lý nền đất yếu công trình đường cao tốc Đà Nẵng- Quảng Ngãi, đoạn từ Km3+500 đến Km3+600

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU CÓ XỬ LÝ

1.1 KHÁI NIỆM ĐẤT YẾU

Đất yếu là các loại đất khả năng chịu tải nhỏ (thường 0,5-1,0 daN/cm2

), có tính nén lún lớn, hầu hết bảo hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e>1), môđun biện dạng thấp (Eo<50 daN/cm2), khả năng chống cắt nhỏ (lực dính Cu theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0.15 kg/cm2

trở xuống, góc nội ma sát =0 ÷ 10o) Do đó khi xây dựng nền đắp trên đât yếu nếu không có các biện pháp xử lý thích hợp thường dễ bị mất ổn định toàn khối hoặc lún quá mức cho phép kéo dài ảnh hưởng đến nền mặt đường đường và các công trình trên tuyến

Tùy theo nguyên nhân hình thành đất yếu có thể có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh… có màu nâu đen, xám đen, có mùi Loại có nguồn gốc hữu cơ thường được hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước cao, có màu nâu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn,thường được gọi là đất đầm lầy than bùn Ở Việt Nam thường gặp các loại đất yếu sau[1]:

a Đất sét mềm:là các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, bão hòa nước,có cường

độ cao so với bùn có độ sệt từ dẻo chảy đến chảy, có cường độ kết cấu nhỏ (c 0,3daN/cm2)

=0,2-b.Bùn: là các lớp đất mới hình thành trong môi trường nước ngọt và nước biển gồm các hạt đất mịn (200m), trong đó hàm lượng các hạt nhỏ hơn 2m chiếm tỷ lệ cao Được hình thành do sự lắng đọng tại đáy biển, vùng vịnh, hồ và các bãi bồi của sông, đặc biệt các cửa sông chịu ảnh hưởng của thủy triều Là loại đất luôn no nước,độ ẩm luôn cao hơn giới hạn chảy, có khả năng chịu lực rất yếu Mô đun biến dạng nhỏ (Eo<5daN/cm2đối với bùn sét và từ 10-15daN/cm2 đối với bùn á sét)

c Than bùn: là đất yếu nguồn gốc hữu cơ được tạo thành theo kết quả phân hủy các

di tích hữu cơ thực vật tại các đầm lầy Than bùn có dung trọng khô rất thấp (từ 3đến 5kN/m3), độ ẩm tự nhiên cao (từ 85% đến 95%), hệ số nén lún từ 3 đến 10 cm/daN; hàm lượng hữu cơ chiếm từ 20% đến 80%; thường có màu đen hoặc nâu sẫm, còn thấy tàn dư của thực vật như các sợi

d Cát chảy: là các loại cát mịn, kết cấu rời rạc, khi bảo hòa nước có thể bị pha loảng hoặc nén chặt đáng kể, có chứa nhiều chất hữu cơ hoặc sét Khi chịu tác dụng chấn động hoặc ứng suất thủy động thì chuyển sang trạng thái lỏng nhớt gọi là cát chảy Trong thành phần của cát chảy hàm lượng cát bụi (0,05-0,002mm) chiếm tới 60% -70% hoặc lớn hơn

e Đất badan: Là loại đất là độ rỗng rất lớn, dung trọng khô rất thấp Thành phần của đất badan giống với thành phần hạt đất sét, khả năng thấm nước khá cao

1.2 ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ

Hình 1.1 Mất ổn định của nền đắp trên đất yếu

Theo 22TCN262-2000“Quy trình khảo sát thiết kế nền đường trên đất yếu”, hệ số

ổn định dự báo theo kết quả tính toán đối với mỗi đợt đắp (đắp nền và đắp gia tải trước) và đối với nền đắp theo thiết kế phải bằng hoặc lớn hơn hệ số ổn định tối thiểu (Kmin) Khi áp dụng phương pháp tính toán theo cách phân mảnh cổ điển thì hệ số ổn định Kmin=1,20 (Trường hợp sử dụng kết quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước ở trong phòng thí nghiệm để tính toán thì cho phép Kmin=1,1) Khi áp dụng phương pháp Bishop để nghiệm toán ổn định thì hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin=1,4

Do đất yếu hệ số thấm nhỏ nên quá trình cố kết thường diễn ra chậm và kéo dài (nếu không có biện pháp xử lý đẩy nhanh tốc độ cố kết) Tiêu chuẩn 22TCN 262-2000 qui địnhphần độ lún cố kết cho phép còn lại tại trục tim của nền đường sau khi hoàn thành công trình đối với các đoạn nền đắp thông thường phải nhỏ hơn hoặc bằng 30cm đối với đường cao tốc và đường cấp 80, nhỏ hơn hoặc bằng 40cm đối với đường cấp

60 trở xuống có tầng mặt cấp cao A1

Có nhiều nguyên nhân gây nên hiện tượng mất ổn định của nền đắp trên đất yếu, như: công tác khảo sát, thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất yếu chưa chính xác; lựa chọn sai giải pháp xử lý; quản lý chất lượng kém, thiếu kinh nghiệm; thiếu quan trắc địa kỹ thuật trong quá trình thi công xử lý đất yếu; cán bộ kỹ thuật thiếu cập nhật thông tin và nâng cao kiến thức chuyên môn

Khoảng 70% công trình bị mất ổn định và hư hỏng có nguyên nhân từ nền đất yếu

Do đó việc lựa chọn lời giải kỹ thuật và giải pháp công nghệ xử lý nền đất yếu đóng vai trò hết sức quan trọng nhằm nâng cao chất lượng, giá trị kỹ thuật và hạ giá thành xây lắp

1.2.2 Cỏc biện phỏp xử lý ổn định nền đường trờn nền đất yếu

Cú nhiều biện phỏp để xử lý nhằm nõng cao ổn định của nền đường trờn nền đất yếu Cú thể chia thành 3 nhúm giải phỏp chớnh:

- Nhúm giải phỏp cải thiện ổn định của nền đắp: đào bỏ, thay thế một phần hoặc toàn bộ đất yếu; thi cụng nền đắp theo nhiều giai đoạn, giảm trọng lượng của nền đắp (sử dụng vật liệu nhẹ), tăng chiều rộng của nền đường, làm thoải mỏi taluy, xõy dựng

bệ phản ỏp

- Nhúm giải phỏp cải thiện cường độ (c,) và khả năng chịu lực của nền đất yếu: biện phỏp gia tải tạm thời, gia cố bằng vải địa kỹ thuật, sử dụng hệ thống thoỏt nước thẳng đứng (bấc thấm, cọc cỏt);

- Nhúm giải phỏp sử dụng hệ cọc chịu lực trực tiếp

Hỡnh 1.2 trỡnh bày túm tắt sơ đồ lựa chọn cỏc biện phỏp xử lý ổn định nền đường trờn đất yếu [2] Đường nột liền thể hiện cỏc giải phỏp xử lý mất ổn định trượt, trong

đú cú giải phỏp ỏp dụng bệ phản ỏp Đường nột đứt thể hiện cỏc giải phỏp xử lý hiện tượng mất ổn định lỳn kộo dài

Hỡnh 1.2 Cỏc giải phỏp chớnh xử lý nền đắp trờn đất yếu[2]

1.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRấN ĐẤT YẾU

Để tớnh ổn định nền đường đắp trờn đất yếu, cú nhiều phương phỏp khỏc nhau nhưng cú thể tập hợp thành hai nhúm phương phỏp tớnh: Nhúm phương phỏp thứ nhất

đi phõn tớch ổn định nền đường với cỏc mặt trượt giả định Theo hướng này, người ta cho rằng khi mỏi đất mất ổn định thỡ sẽ bị trượt theo một mặt trượt Hỡnh dạng của mặt trượt cú thể là thẳng, góy khỳc, đường xoắn logarit, hay là một cung trũn hỡnh trụ Và khi xảy ra trượt thỡ chỉ những điểm nằm trờn mặt trượt ở vào trạng thỏi cõn bằng giới hạn (trạng thỏi cõn bằng giới hạn Morh – Coulomb) Trong cỏc mặt trượt thỡ giả thiết mặt trượt là một cung trũn hỡnh trụ thường được sử dụng nhất.Điển hỡnh là cỏc phương phỏp của W.Fellenius, A.W.Bishop, N.Janbu,…Phần mềm tớnh toỏn phổ biến nhất đại diện cho phương phỏp phõn tớch này là Slope/W Nhúm phương phỏp thứ hai đi phõn tớch trạng thỏi ứng suất - biến dạng của cỏc điểm nằm trong mỏi đất với cỏc điều kiện

Bệ phản áp Giảm chiều cao

nền đắp

Cột ba lát Cột đất gia cố

Đào thay một phần đất yếu

biên của chúng để xác định sự phân bố ứng suất trong mái đất So sánh với độ bền cắt lớn nhất tại các điểm đó sẽ xác định được các vùng bị phá hủy, vùng biến dạng của toàn bộ mái đất Để phân tích ổn định bằng theo cách này phải sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Phần mềm tính toán phổ biến dựa theo phương pháp phân tích này là PLAXIS

1.3.1 Nhóm các phương pháp giả định mặt trượt

Phương pháp phân tích dựa trên các giả thiết cơ bản sau:

- Giả định mặt trượt là một cung tròn hình trụ

- Khối đất trượt (lăng thể trượt) được coi là một cố thể (tuyệt đối cứng)

- Trạng thái cân bằng giới hạn chỉ xảy ra đối với các điểm nằm trên mặt trượt Nội dung cơ bản của phương pháp này là phân tích ổn định của khối đất trượt với nhiều cung trượt (tâm trượt) khác nhau như hình 1.3 Mỗi tâm trượt khác nhau sẽ cho

hệ số ổn định khác nhau (Ki).Tâm trượt nào có hệ số ổn định trượt nhỏ nhất (Kmin) là tâm trượt nguy hiểm nhất So sánh Kmin với hệ số ổn định trượt yêu cầu để kết luận mái đất có ổn định hay không

Hình 1.3 Phân tích ổn định với nhiều cung trượt khác nhau

1.3.1.1 Phương pháp W.Fellenius.

W.Fellenius giải bài toán ổn định theo phương pháp phân mảnh Giả định trước mặt trượt là mặt trụ tròn quay quanh tâm O với bán kính R Phân khối trượt thành nhiều mãnh Xét sự cân bằng lực cho từng mảnh trượt, từ đó tính hệ số ổn định chung cho cả khối trượt

Khối trượt sẽ được chia thành nhi ều mảnh (bằng các mặt phẳng thẳng đứng có bề rộng ΔXi, Xi )R i

20

110

1



 Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên mảnh thứ inhư Hình 1.4

Hệ số ổn định K đánh giá ổn định của mái dốc được xác định bằng tỉ số giữa momen của các lực chống trượt với momen của các lực gây trượt:

Hình 1.4 Sơ đồ tính ổn định theo phương pháp phân mảnh

Khi xét đến l ực tương tác giữa các m ảnh trượt thứ (i-1), ký hiệu Ei-1 và (i+1), ký hiệu Ei+1 lên mảnh thứ i, để đơn giản trong tính toán W.Fellenius giả thiết các lực E i-1

và Ei+1 cân bằng nhau trên phương vuông góc với bán kính (đường thẳng OM – hình 1.8b), cho phép bỏ qua lực tương tác giữa các mảnh thứ (i-1) và (i+1) lên mảnh thứ i

Từ đó, Fellenius đưa ra công thức xác định hệ số ổn định K như sau:

n i

i i i

i n

i

i i n

g l

c M

M K

1

1 1

1

1

sin

.cos)

(







(1 – 2)

Trong đó: ci – Lực dính đơn vị của đất ở đáy mảnh trượt thứ i;

φi – Góc nội ma sát của đất ở đáy mảnh trượt thứ i;

gi – Trọng lượng bản thân của mảnh trượt thứ i;

Ui – Tổng áp lực thủy động tại đáy mảnh trượt thứ i;

i – Góc tạo bởi đường thẳng nối từ tâm trượt O đến trọng tâm đáy của cung trượt thuộc mảnh trượt thứ i với phương thẳng đứng

Với nhiều mặt trượt tròn giả định khác nhau theo các tâm quay Oj khác nhau, sẽ xác định được các hệ số ổn định Kj tương ứng theo công thức (1 - 2).Từ cáctrị sốKjsẽ xác định được trị số nhỏ nhất Kmin = min(Kj), tương ứng với nó sẽ là mặt trượt nguy

C B

hiểm nhất Nếu có thể tính toán với một số lượng tâm trượt Oj đủ lớn để khẳng định

Kmin tìm được là nhỏ nhất thì Kmin chính là hệ số ổn định của mái dốc

1.3.1.2 Phương pháp A.W.Bishop

Trên cơ sở phân mảnh, năm 1955, A.W.Bishopđãtính ổn định mái dốc bằng cách

sử dụng phương trình cân bằng các lực theo phương thẳng đứng và điều kiện cân bằng momen với tâm cung trượt Đối với lực tương tác giữa các mảnh, A.W.Bishopgiả thiết chỉ có thành phần theo phương ngang, còn thành phần theo phương thẳng đứng bằng không

Sử dụng phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng (chiếu các lực lên phương thẳng đứng) sẽ tìm được tổng lực pháp tuyến Ni tại đáy mảnh trượt:

tg l c K U

g

N

i i i

i i i i

i



.1

cos

1)(

i i

n

i

i i i i

i i

i i i i

i

g

l c tg K

tg tg

tg l c K U

.1

cos

1)(

1.3.1.3 Phương pháp N.Janbu

Năm 1954, N.Janbu đã tính ổn định mái dốc theo phương pháp phân mảnh bằng cách sử dụng các phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng và theo phương ngang N.Janbu cũng giả thiết rằng lực tương tác giữa các mãnh chỉ có thành phần theo phương ngang, còn thành phần theo phương thẳng đứng bằng không.Tương tự nhưA.W.Bishop,sử dụng phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng sẽ tìm được tổng lực pháp tuyến Ni tại đáy mãnh trượt:

tg l c K U

g

N

i i i

i i i i

i



.1

cos

1)(

i i

i i

i i i i

i

n

i

i i

i i i

i i

i i i i

i

K

tg tg

tg l c K U

g

l c tg K

tg tg

tg l c K U

1

cos

'

1 ) (

cos

'

1

cos

'

1 ) (

Để kể đến sự tương tác giữa các mảnh, N.Janbu đã dùng hệ số hiệu chỉnh f0.Hệ số

ổn định (K) theo N.Janbu có dạng như sau:

0 1 1,4

L

d L

d b

L – chiều dài đoạn thẳng chắn cung trượt

d – khoảng cách từ đỉnh cung trượt đến đoạn thẳng chắn cung trượt Năm 1973, N.Janbu đã sử dụng thêm điều kiện cân bằng momen của tất cả các lực với tâm là điểm giữa của đáy mảnh đã chia, kết hợp với điều kiện cân bằng của tổng các lực theo phương thẳng đứng và nằm ngang với giả thiết là lực tương tác giữa các mãnh có phương nằm ngang, tác dụng theo một “đường tác dụng” nằm ở cao độ bằng 1/3 chiều cao của mãnh tính từ đáy Với cách tính này, hệ số ổn định so với phương

pháp đơn giản sẽ chính xác hơn.Phương pháp tính này được gọi là phương pháp Janbu tổng quát

Bảng 1.1 tổng hợp một số phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn, trong đó có lưu ý các giả định và điều kiện cân bằng được sử dụng trong tính toán

Bảng 1.1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng

giới hạn

Phương pháp

Hệ số an toàn (F) Giả định lực tương tác giữa

các mảnh trượt theo phương ngang (H) và đứng (V)

Cân bằng lực

Cân bằng

mô men

Đơn giản hoá

a) Mô hình phân tích b) So sánh hệ số an toàn

Hình 1.5 So sánh hệ số an toàn trên mái dốc giả định (Fredlund & Krahn, 1977)

Như vậy, trong các phương pháp phân tích đã trình bày, phương pháp Bishop đơn giản cho kết quả không sai khác nhiều so với các phương pháp khác (Morgenstern-Price, Spencers) và hiện nay đã có sẵn các chương trình máy tính có

khả năng giải quyết nhanh bài toán

1.3.2 Phương pháp phân tích trạng thái ứng suất biến dạng

Trong phương pháp này, phương pháp phân tích giữa ứng suất và biến dạng của nền đất nằm trong mái dốc với các điều kiện biên của chúng để có thể xác định được trường ứng suất tại mọi điểm của nền đất Để phân tích ổn định theo phương pháp này, người ta phải sử dụng các phương pháp số: phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method), phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Elements Method), phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method), phương pháp phần tử rời rạc (Distinct Element Method)…Hiện nay, phương pháp phần tử hữu hạn thường được sử dụng khá phổ biến để xây dựng các chương trình phân tích ổn định nền đường

1.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng đối với đất

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp thuộc nhóm phương pháp số để giải gần đúng các bài toán kết cấu bằng cách rời rạc hóa kết cấu phức tạp thành một số hữu hạn các phần tử có hình dạng đơn giản được liên kết với nhau tại các điểm nút và tính gần đúng các đại lượng cần nghiên cứu (ứng suất, chuyển vị…) trên từng phần tử Từ đó, suy ra kết quả cho toàn bộ kết cấu

Khi chịu tác dụng của tải trọng, trong các phần tử sẽ xuất hiện nội lực.Trong phương pháp PTHH giả thiết nội lực của các phần tử được truyền qua các nút.Như vậy, các thành phần nội lực đều được biểu diễn dưới dạng lực nút

Mối quan hệ chuyển vị - ứng suất trong mỗi phần tử với các giá trị chuyển vị - ứng suất tại các điểm nút được lấy xấp xỉ theo một hàm đơn giản nhưng phải thỏa mãn điều kiện liên tục trên biên các phần tử tiếp xúc với nhau (trên các điểm nút hoặc biên các phần tử kế cận) gọi là hàm xấp xỉ

Các đặc trưng tổng quát của mỗi phần tử hữu hạn được xác định dưới dạng các ma trận độ cứng.Các ma trận này được dùng để tập hợp các phần tử lại thành mô hình rời rạc hóa của cả kết cấu

Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH tính theo mô hình chuyển vị như sau:

     e e

P

  - Vectơ chuyển vị nút tổng thể (của kết cấu)

 P - Vectơ tải trọng nút tổng thể (của kết cấu)

Giải hệ phương trình cơ bản trên kết hợp với các điều kiện biên sẽ được vectơ chuyển vị nút tổng thể.Từ đó, xác định vectơ chuyển vị nút của từng phần tử hữu hạn, biến dạng, ứng suất trong từng phần tử

Có rất nhiều mô hình xác định vectơ chuyển vị nút của từng phần tử hữu hạn, biến dạng như: mô hình đàn hồi - dẻo(mô hình Mohr – Coulomb), mô hình "Cam – clay", mô hình "Hard Soil" Trong đó, mô hình Mohr – Coulomb thường được sử dụng

Theo mô hình này, quan hệ ứng suất – biến dạng của vật thể đàn hồi – dẻo được

mô tả như Hình 1.6.Sự cân bằng của đất trong giai đoạn đàn hồi gọi là sự cân bằng đàn hồi(cân bằng bền).Sự cân bằng ứng với điểm bắt đầu chảy dẻo là sự cân bằng dẻo (cân bằng giới hạn)

Hình 1.6 Quan hệ ứng suất – biến dạng

Theo thuyết phá hoại Mohr - Coulomb đối với đất, khi phân tố đất ở trạng thái cân bằng giới hạn thì vòng tròn Morh ứng suất tiếp xúc với đường biểu diễn sức chống cắt của Coulomb Vòng tròn Morh ứng suất lúc này gọi là vòng tròn Morh giới hạn (xem hình 1.7)

Ứng suất

Biến dạng

O

Giai đoạn đàn hồi

Giai đoạn chảy dẻo

a) Đối với đất rời b) Đối với đất dính

Hình 1.7 Thuyết phá hoại Mohr - Coulomb đối với đất

Theo lý thuyết đàn hồi, khi đất ứng xử trong giai đoạn đàn hồi, trạng thái ứng suất tại một điểm nào đó trong khối đất được đặc trưng bằng 3 thành phần ứng suất: x,z,

z(bài toán phẳng) Các thành phần ứng suất phải thỏa mãn hai điều kiện: điều kiện cân bằng tĩnh của phân tố và điều kiện biến dạng tuyến tính và liên tục

Từ điều kiện cân bằng tĩnh:

z x

zx z

zx x

0

Từ điều kiện biến dạng: 2(x y)  0; 2

2 2

2 2

2 2

sin/

240

tg c

x z

z x

x z

xz x

z

zx z

zx x

(1 – 12)

Phương trình (1 - 12) dùng để xác định ứng suất trong khối đất ở trạng thái cân bằng bền, đồng thời để xác định ứng suất và hệ thống mặt trượt trong khối đất bị phá hoại

1.3.4 Giới thiệu phần mềm Slope/w trong phân tích ổn định nền đường

Slope/W là một trong 07 modul của bộ phần mềm phân tích địa kỹ thuật GEO SLOPE do Công ty GEO-SLOPE International Ltd – Canada sản xuất Phần mềm này

sử dụng lý thuyết cân bằng giới hạn để tính toán hệ số an toàn của mái dốc đất và đá

Sử dụng Slope/W, có thể dễ dàng phân tích các vấn đề độ dốc ổn định mái dốc từ đơn giản và phức tạp bằng cách sử dụng một loạt các phương pháp để tính toán hệ số ổn định Slope/W có thể ứng dụng trong phân tích và thiết kế địa kỹ thuật, dân dụng, và các dự án kỹ thuật khai thác mỏ





O

cc

Slope/W có các tính năng cần thiết để giải quyết bài toán phân tích ổn định mái dốc bằng nhiều phương pháp khác nhau: Fellenius (Ordinary), Bishop, Janbu đơn giản, Spencer, phương pháp Morgenstern - Price, GLE Với các mặt trượt giả định có nhiều dạng khác nhau: tròn, tổng hợp, hình dạng bất kỳ hoặc hình dạng khối với ba phân đoạn tuyến tính Điều kiện áp lực nước lỗ rỗng được mô tả bằng một đường đo áp Có thể phân tích khi có phụ tải ở trên bề mặt mái đất

Các khả năng của Modun Slope/W bao gồm

- Khả năng mô hình hóa:

+ Mô hình hóa phương pháp phân tích (Bishop, Janbu, Ordinary, Spencer…); + Mô hình hóa mặt trượt;

+ Mô hình hóa các điều kiện áp lực nước lỗ rỗng;

+ Mô hình hóa neo, tải trọng ngoài;

+ Mô hình hóa đất không bão hòa;

- Khả năng phân tích ổn định mái dốc theo quan điểm xác suất:

+ Áp dụng phương pháp Monter Carlo;

+ Giải quyết được bài toán về tính biến đổi ngẫu nhiên của các thông số đầu vào; + Dùng hàm phân bố chuẩn với độ lệch và phương sai đã biết;

+ Xem kết quả phân tích theo xác suất

Dùng Slope/W phân tích ổn định mái dốc ta phải giả thiết trước mặt trượt bằng cách vẽ lưới tâm trượt và đường bán kính cung trượt (những đường thẳng mà cung trượt sẽ tiếp xúc) Chương trình sẽ tự động xác định được khối đất trượt ứng với từng tâm trượt và bán kính cung trượt và tiến hành phân mãnh khối trượt, rồi xét điều kiện cân bằng cho từng mãnh trượt để tìm ra hệ số ổn định chung cho khối trượt (Ki) Tiến hành phân tích với nhiều tâm trượt, mặt trượt khác nhau sẽ tìm được nhiều hệ số ổn định khác nhau.Tâm trượt, mặt trượt nào cho hệ số ổn định nhỏ nhất (Kmin) là tâm trượt, mặt trượt nguy hiểm nhất.Và hệ số ổn định tìm được (Kmin) là hệ số ổn định trượt của mái đất

1.4 BỆ PHẢN ÁP VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU

1.4.1 Ứng dụng của bệ phản áp trong thiết kế ổn định nền đắp trên đất yếu

Bệ phản áp là giải pháp được sử dụng để tăng cường độ ổn định của nền đường ra đời từ rất lâu và được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới Đây là một trong những giải pháp đơn giản và hiệu quả trong việc hạn chế hiện tượng mất ổn định trượt trồi của nền đắp trên đất yếu trong quá trình thi công

Trong một số trường hợp, dùng bệ phản áp có thể đảm bảo ổn định nền đường trong quá trình đắp mà không cần khống chế tốc độ đắp, do đó có thể rút ngắn được thời gian xử lý nền đường đắp, đẩy nhanh tiến độ thi công công trình Giải pháp này được dùng phổ biến trong nhiều dự án giao thông Nhược điểm chính của giải pháp này là không giảm được thời gian lún cố kết và không những không giảm được độ lún

mà còn tăng thêm độ lún (do thêm tải trọng của bệ phản áp ở hai bên), khối lượng đắp

và diện tích chiếm dụng lớn

Tùy theo đặc điểm công trình và điều kiện địa chất mà có nhiều biện pháp để tăng cường độ ổn định của nền đường như sử dụng vải địa, xử lý móng, xử lý cố kết nền đất yếu, sử dụng bệ phản áp…Bệ phản áp là giải pháp đơn giản và hiệu quả trong việc hạn chế lún sụt - trượt trồi, dùng bệ phản áp có thể đảm bảo ổn định nền đường trong quá trình đắp mà không cần khống chế tốc độ đắp do đó rút ngắn được thời gian xử lý nền đường đắp, đẩy nhanh tiến độ thi công công trình Giải pháp này có các ưu điểm như: thi công đơn giản, không cần máy móc đặc biệt, thời gian thi công nhanh chóng, chi phí xây dựng thấp, tận dụng được vật liệu địa phương So với việc làm thoải mái taluy, đắp bệ phản áp với một khối lượng đất đắp như nhau sẽ cho hệ số an toàn lớn hơn do giảm được mô men của các lực trượt nhờ tập trung tải trọng ở chân taluy Hình 1.8 giới thiệu kết quả nghiên cứu của Pilot và Moreau (1973) ứng dụng bệ phản áp xử lý

ổn định nền đắp trên đất yếu có các thông số nền đắp và đất yếu như nhau Kết quả cho thấy, để đạt hệ số ổn định như nhau K=1,52, giải pháp sử dụng bệ phản áp có thể tiết kiệm và giảm khối lượng đắp hơn so với trường hợp làm thoải mái taluy đến độ dốc 3/1

Hình 1.8 Ứng dụng bệ phản áp thiết kế ổn định nền đắp trên đất yếu (Pilot & Moreau,

1973)

Điều này cho thấy, trong điều kiện thi công cho phép (chiều cao đắp, chiều dày lớp đất yếu, bỏ qua ảnh hưởng diện tích chiếm đất, tốc độ và độ lún của nền đắp), giải pháp thiết kế xử lý bệ phản áp có thể xem là một giải pháp đơn giản, hiệu quả để cải thiện điều kiện ổn định nền đắp trên đất yếu

Nhược điểm chính của giải pháp này là không giảm được thời gian lún cố kết và trong nhiều trường hợp, không những không giảm được độ lún mà còn tăng thêm độ lún (do thêm tải trọng của bệ phản áp ở hai bên);khối lượng đất đắp và diện tích chiếm dụng lớn

Ở nước ta, bệ phản áp được sử dụng khá phổ biến, một số dự án đã sử dụng giải pháp thiết kế bệ phản áp để đảm bảo độ ổn định nền đường như: Đường cao tốc cầu Giẽ -Ninh Bình, Đường cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (Hình 1.9)

Hỡnh 1.9 Sử dụng bệ phản ỏp trờn đường cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngói

1.4.2 Tỏc dụng của bệ phản ỏp đến ổn định của nền đắp trờn đất yếu

Khi cường độ chống cắt của đất yếu khụng đủ để xõy dựng nền đắp theo giai đoạn hoặc khi thời gian cố kết quỏ dài so với thời hạn thi cụng dự kiến, người ta thường dựng bệ phản ỏp nhằm tăng cường độ ổn định, giảm khả năng trồi đất ra hai bờn Bệ phản ỏp sử dụng như là biện phỏp gia tải tạm thời hai bờn mỏi dốc taluy nền đường,

đờ, đập để tăng lực chống trượt, được đặt ngay bờn cạnh mỏi dốc của nền đắp, cú chiều cao h thấp hơn chiều cao nền đường đắp và chiều rộng b thường trải hết vựng cú nguy cơ trượt

Hỡnh 1.10 giới thiệu mụ hỡnh nền đắp trờn đất yếu cú sử dụng bệ phản ỏp cú chiều rộng b= k2.Hđ và chiều cao h= k1.Hđ Cung trượt nguy hiểm cú tõm và toạ độ là điểm P(Xo, Yo)

Lớp đất cứng N

Trong đó:N1 và N2 được gọi là các thông số ổn định, phụ thuộc vào n; D/H;  và được cho bởi công thức:

5.0

55.5

1 10.47





H D H

3

112

2 2

n H

D H

H D

D - Độ sâu của tiếp tuyến cung trượt kể từ mặt đất (xem Hình 1.10);

H - Chiều cao nền đắp;

n - Độ dốc của mái taluy;

 - Hệ số bệ phản áp ( tăng thì kích thước của bệ phản áp tăng và bằng không với trường hợp không sử dụng bệ phản áp), được xác định theo công thức:

)1)(

k2 - Tỉ số giữa chiều cao nền đường và chiều rộng của bệ phản áp

Sf và Se được gọi là các tham số của nền đất yếu và của nền đường đắp, được xác định theo công thức:

n

02 , 0 19 ,

 : Dung trọng nền đắp

Tõm của cung trượt P cú tọa độ Xo và Yo xỏc định theo cụng thức sau:

2 1

2 k k

n H

1.4.3 Ảnh hưởng của kớch thước bệ phản ỏp đến hiệu quả xử lý ổn định nền đắp trờn đất yếu

Khối đất đắp của bệ phản ỏp tạo thành một đối trọng chống lại hiện tượng trượt của nền đường, làm tăng cỏc lực giữ cho cỏc cung trượt.Khi sử dụng bệ phản ỏp, vị trớ

và chiều dài cung trượt thay đổi dài hơn và sõu hơn so với trường hợp khụng sử dụng

bệ phản ỏp (xem Hỡnh 1.11) Do đú, trong thiết kế cần chỳ ý chiều cao của bệ phản ỏp khụng được vượt quỏ giới hạn để đảm bảo ổn định của chớnh bệ phản ỏp Trường hợp chiều cao bệ quỏ cao, cú thể sẽ làm cho bệ phản ỏp trở nờn mất ổn định

Hỡnh1.11 Ảnh hưởng của bệ phản ỏp đến độ ổn định mỏi dốc (Abramson 2002)

Để phỏt huy hiệu quả của bệ phản ỏp, Leroueil et al (1990) khuyến nghị chiều cao của bệ phản ỏp nờn chọn trong phạm vi từ 0,40 đến 0,50 chiều cao của nền đường Chiều rộng bệ phản ỏp cú thể chọn từ 2 đến 3lần chiều dày lớp đất yếu, trong trường hợp cường độ chống cắt khụng thoỏt nước của đất yếu khụng thay đổi nhiều theo chiều sõu, hoặc cú thể chọn gấp 2 lần chiều cao nền đắp

Theo S.R Kaniraj và H Abdullah (1993), sử dụng bệ phản ỏp tăng cường ổn định của nền đắp trong trường hợp tỷ số D/Hđ nhỏ sẽ phỏt huy hiệu quả hơn trường hợp tỷ

số D/Hđ lớn Hay núi cỏch khỏc, bệ phản ỏp sẽ sử dụng hiệu quả khi đất yếu cú chiều dày nhất định và địa tầng phớa dưới khỏ tốt.Trường hợp lớp đất yếu quỏ dày và cung trượt khỏ sõu, bệ phản ỏp sẽ khụng cú hiệu quả

L2

L1

K2>K1

R1 R2

Ri: Bán kính cung tr-ợt

Li: Chiều dài cung tr-ợt

Oi: Tâm của cung tr-ợt

K: Hệ số ổn định

O2

O1

Bệ phản áp

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Có nhiều phương pháp để xử lý đảm bảo ổn định nền đường đắp qua khu vực đất yếu.Mỗi giải pháp đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi sử dụng khác nhau,giải pháp sử dụng bệ phản áp có thể xem là một trong những giải pháp đơn giản và hiệu quả trong việc hạn chế lún sụt-trượt trồi, vật liệu sử dụng đơn giản phù hợp với các khu vực có nhiều đất đắp.Dùng bệ phản áp có thể đảm bảo ổn định nền đường trong quá trình đắp mà không cần khống chế tốc độ đắp, do đó, rút ngắn được thời gian xử

lý nền đường đắp, đẩy nhanh tiến độ thi công công trình.Bệ phản áp sử dụng hiệu quả trong trường hợp chiều sâu đất yếu không quá lớn

Lý thuyết tính toán độ ổn định nền đường đắp trên đất yếu trong trường hợp có hoặc không có xử lý bệ phản áp có thể phân thành hai nhóm phương pháp tính: Nhóm phương pháp thứ nhất đi phân tích ổn định nền đường với các mặt trượt giả định Nhóm phương pháp thứ hai đi phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng của các điểm nằm trong mái đất với các điều kiện biên của chúng để xác định sự phân bố ứng suất trong mái đất Trong thực tế tính toán hiện nay, kết quả tính toán theo cả hai nhóm này đều được chấp thuận

Trường hợp phân tích ổn định bằng phương pháp cân bằng giới hạn dựa theo mặt trượt giả định, có thể phân tích theo phương pháp phân mảnh cổ điển của Bishop hoặc

sử dụng phần mềm tính toán Slope/W

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ NỀN ĐẮP, ĐẤT YẾU

VÀ KÍCH THƯỚC BỆ PHẢN ÁP ĐẾN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG TRƯỜNG HỢP KHÔNG VÀ CÓ SỬ DỤNG BỆ PHẢN ÁP 2.1 MỞ ĐẦU

Trong bài toán phân tích ổn định nền đường đắp trên đất yếu có xử lý bệ phản áp, tùy thuộc vào các thông số của nền đắp (chiều cao Hđ, độ dốc mai taluy m, dung trọng đất đắp đ, góc nội ma sát trong), của nền đất yếu (bề dày lớp đất yếu Hy, dung trọng

y, lực dích Cu) và kích thước bệ phản áp (chiều rộng b, chiều cao h) mà hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin sẽ đạt được các giá trị khác nhau

Trên cơ sở tham khảo số liệu nền đắp và đất yếu tại một số dự án thực tế, luận văn

đề xuất các thông số làm cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số nền đắp và đất yếu đến hệ số ổn định Kmin trong trường hợp nền đắp không có xử lý bệ phản áp Thông qua việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số nền đắp và đất yếu đến hệ số

ổn định Kmin, luận văn tiến hành phân tích ảnh hưởng của kích thước bệ phản áp đến hệ

số ổn định Kmin của nền đắp trong các trường hợp cần xử lý đảm bảo ổn định nền đắp Bằng phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích hồi quy đa biến, tiến hành xây dựng các mô hình tuyến tính đa biến cho phép xác định được hệ số

ổn định Kmin thông qua 4 thông số tính toán của nền đắp và đất yếu, đồng thời cho phép tính toán lựa chọn kích thước bệ phản áp hợp lý đảm bảo hệ số ổn định Kmin>[K], giúp các kỹ sư khảo sát, thiết kế giới hạn được vùng số liệu đầu vào cần thiết và dự báo nhanh hệ số ổn định của nền đắp

2.2 MÔ HÌNH BÀI TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN 2.2.1 Xây dựng mô hình bài toán

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này, mô hình bài toán xem xét là trường hợp nền đắp có chiều cao Hđ, mái taluy có độ dốc 1/1.5, vật liệu đắp có dung trọng đ, góc nội ma sát trong Nền đất yếu đồng nhất có dung trọng y, lực dính Cu và chiều dày đất yếu là Hy

Bệ phản áp đắp bằng đất có các chỉ tiêu cơ lý (dung trọng, góc nội ma sát) giống với đất đắp nền đường, chiều rộng b, chiều cao h, mái taluy có độ dốc tương tự độ dốc của nền đắp 1/1.5

Mô hình tính toán và ký hiệu minh hoạ các thông số tính toán được thể hiện như Hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình bài toán tính toán

2.2.2 Đề xuất các thông số tính toán cho nền đắp và đất yếu

Để có cơ sở đề xuất các chỉ tiêu cơ lý của nền đất yếu và đất đắp đưa vào trong

mô hình tính toán, luận văn đã tiến hành thu thập các số liệu của 8 dự án đã được triển khai đặc trưng cho 3 miền Bắc, Trung, Nam của Việt Nam Kết quả được thể hiện ở Bảng 2.1 và Bảng 2.2

Bảng 2.1 Thông số nền đắp tại một số dự án có xử lý nền đất yếu

Số

TT Tên dự án Chiều cao đắp, (m) Dung trọng

(g/cm3)

Lực dính (kg/cm2)

Góc ma sát (độ)

1 Dự án cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi

Gói 1 (Km0+00-KM0+800) 5÷ 12 1.79 0,242 22,7

2

Tuyến đường nối Cao tốc Hà Nội -

Hải Phòng với đường Cao tốc Cầu

Giẽ - Ninh Bình phân đoạn

Đường ven biển Dung Quất - Sa

Huỳnh đoạn Dung Quất- Mỹ Khê

đoạn Km18+00 ÷ Km35+00

6

Các tuyến đường trục vào khu công

nghiệp nặng Dung Quất phía Đông,

Tuyến số 6: Đường vào kho xăng

dầu

b B

Lực dính,

Cu(kg/cm2)

Lực dính,

Ccu(kg/cm2

1 Dự án cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi

2

Tuyến đường nối Cao tốc Hà Nội -

Hải Phòng với đường Cao tốc Cầu

Giẽ - Ninh Bình phân đoạn

Đường ven biển Dung Quất - Sa

Huỳnh đoạn Dung Quất- Mỹ Khê

đoạn Km18+00 ÷ Km35+00 1,8÷8

1,54 0,094 0,119

6

Các tuyến đường trục vào khu công

nghiệp nặng Dung Quất phía Đông,

Tuyến số 6: Đường vào kho xăng

Bảng 2.3 Thông số nền đắp và đất yếu đề xuất trong mô hình tính toán

Số TT Thông số tính toán Đơn vị Phạm vi thay đổi

phương pháp Bishop K min =[0,683÷2,290] Chi tiết kết quả tính toán cho mỗi trường

hợp cụ thể được thể hiện trong phụ lục 1

Hình 2.2 thể hiện kết quả phân tích bằng phần mềm Slope/W cho trường hợp hệ

số ổn định Kmin nhỏ nhất theo phương pháp Bishop khi chiều cao nền đắp Hđ=5m, dung trọng đất đắp đ = 20kN/m3, đất yếu dày Hy= 10m, dung trọng đất yếu y = 14kN/m3, lực dính không thoát nước Cu = 10kPa

Hình 2.2 Kết quả phân tích ổn định, trường hợp H đ =5m, H y =10m, C u =10kPa

(K min =0.683)

Hình 2.3 thể hiện kết quả phân tích bằng phần mềm Slope/W cho trường hợp hệ số

ổn định Kmin đạt được lớn nhất theo phương pháp Bishop khi chiều cao nền đắp

Hđ=3m, dung trọng đất đắp đ = 17kN/m3, đất yếu dày Hy= 4m, dung trọng đất yếu y

= 14kN/m3, lực dính không thoát nước Cu = 18kPa

Hình 2.3 Kết quả phân tích ổn định, trường hợp H đ =3m, Hy=4m, Cu=18kPa

(K min =2,29)

Nhận xét: Từ kết quả phân tích tính toán cho thấy, đối với nền đắp có chiều cao đắp

đến 5m, hiện tượng mất ổn định dễ xảy ra (Kmin<1,4) khi đất yếu có lực dính Cu< 20kPa

2.3.2 Ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của nền đắp và đất yếu đến ổn định nền đắp trên đất yếu

1.3.2.1 Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA - Principal Component Analysis)

Để xác định ảnh hưởng của các thông số tính toán của nền đắp (chiều cao đắp Hđ, dung trọng đ , góc ma sát ) và nền đất yếu (chiều sâu lớp đất yếu Hy, lực dính không thoát nước Cu, dung trọng y) đến điều kiện ổn định của nền đắp trên đất yếu (thông qua việc xác định hệ số ổn định Kmin), luận văn sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính (PCA)

Mục đích của PCA là phân tích cấu trúc dữ liệu với việc tìm một không gian mới

có số chiều nhỏ hơn không gian cũ.Đây là phương pháp sử dụng biến đổi trực giao để chuyển đổi một tập hợp các tiêu chí có tương quan bằng tập hợp các tiêu chí nhỏ hơn không tương quan được gọi là thành phần chính.Phương pháp PCA làm giảm số chiều của dữ liệu thay vì giữ lại các trục tọa độ của không gian cũ, xây dựng một không gian mới ít chiều hơn nhưng khả năng biểu diễn dữ liệu tương đương như không gian cũ và

đảm bảo độ biến thiên của các dữ liệu trên mỗi chiều mới.Các trục trong không gian mới được xây dựng sao cho trên mỗi trục độ biến thiên dữ liệu là lớn nhất

Việc lựa chọn thành phần chính của các chỉ tiêu phân tích về mặt thống kê dựa trên yếu tố: số lượng thành phần chính đầu tiên được giữ lại để phân tích phải đảm bảo giải thích được phần lớn tổng phương sai của các chỉ tiêu, nằm trong khoảng 70%-80% Khi phân tích ma trận tương quan chỉ giữ lại những thành phần với giá trị riêng (Eigenvalue) lớn hơn 1

1.3.2.2 Kết quả phân tích PCA

a) Trước khi loại bỏ C, b) Sau khi loại bỏ C,

Hình 2.4Kết quả phân tích trên vòng tròn đơn vị tương quan

Hy

Cu Hđ

m

C Phi

Kmin

-1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1

Quan sát trên mặt phẳng chính F1-F2 (Hình 2.4a) có thể nhận thấy dễ dàng 2 cặp biến phản ánh ảnh hưởng như nhau là lực dính C và góc ma sát trong  của đất đắp, đồng thời có sự liên hệ tương quan với hệ số Kmin (được phản ánh qua trực giao với

Kmin) Kết quả này cho phép loại bỏ bớt 2 thông số lực dính C và góc ma sát trong 

của đất đắp khi phân tích tương quan

Tiến hành phân tích tương quan trên các thông số còn lại (Hình 2.4b), cùng với việc sử dụng hệ số

H

C N

đ

u c

đ

u c

Kmin

- Các thông số ảnh hưởng nhiều đến hệ số ổn định nền đường Kmin là chiều cao nền đắp (Hđ), lực dính không thoát nước của đất yếu (Cu), dung trọng nền đắp (đ) Điều này có thể nhận thấy thông qua chỉ số

H

C N

đ

u c

2.4 ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ

SỬ DỤNG BỆ PHẢN ÁP

Trong trường hợp nền đắp trên đất yếu mất ổn định trượt sâu, bệ phản áp sử dụng như là biện pháp gia tải tạm thời, được đặt ngay bên cạnh mái dốc của nền đắp để tăng lực chống trượt.Với giả định cung trượt tròn như Hình 1.10, hệ số ổn định K của nền đắp được xác định theo công thức:

Trong đó: Mr - tổng mômen giữ (chống trượt);

Mo - tổng monen gây trượt

Tổng mômen giữ bao gồm hai thành phần, do nền đắp dọc theo mặt trượt IJ (xem Hình 1.10), ký hiệu Mre và do nền đất yếu dọc theo mặt trượt MNJ (Hình 1.10), ký hiệu Mrf:

rf re

.)

()

tan (53

06 ,

n

02 , 0 19 ,

Trong đó:Moe - mômen gây trượt do khối trượt EGIJ của nền đường

Mob - mômen gây trượt do khối trượt ABCE của bệ phản áp

Theo Low (1989) [5], Moe và Mob được xác định theo công thức (2-7) và (2-8):

).()(

2

2

H H

D

H D Y H

n X

nH X

Như vậy tất cả các thành phần để tính toán mômen giữ và mômen gây trượt trong

được xác định dựa vào các công thức 1-18; 1-19 Hệ số ổn định nhỏ nhất của nền đắp

trên đất yếu trong trường hợp có sử dụng bệ phản áp có thể xác định được theo công thức (2-1)

Ngoài ra có thể áp dụng phần mềm Slope/W để tính toán hệ số ổn định tối thiểu

Kmin

2.4.1 Ảnh hưởng của chiều cao bệ phản áp (h) đến hệ số ổn định K min.

Để xem xét ảnh hưởng của chiều cao bệ phản áp (h) đến hệ số ổn định của nền đắp trên đất yếu, luận văn đã tiến hành phân tích ổn định của nền đắp có sử dụng bệ phản áp như Hình 2.1 Các thông số nền đắp và đất yếu được lựa chọn phân tích dựa trên kết quả phân tích bằng phần mềm Slope/W cho kết quả Kmin<1,4 cụ thể:

Hình 2.5 Ảnh hưởng của chiều cao và chiều rộng bệ phản áp đến hệ ổn định K min

Cu=8Kpa m=1 C=30Kpa