Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu dưới nền đường bằng giếng cát ở khu vực thành phố cần thơ

Trong luận văn này tác giả nghiên cứu, tổng hợp và tính toán các số liệu quan trắc thực tế, các tính toán lún nền đường theo lý thuyết giải tích, sử dụng phương pháp mô phỏng Plaxis với

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỖ HOÀI PHONG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG GIẾNG CÁT Ở KHU VỰC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

-

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÊ BÁ VINH Cán bộ chấm nhận xét 1:………

Cán bộ chấm nhận xét 2:………

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày……….tháng….….năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ bao gồm: 1………

2………

3………

4………

5………

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM (CT)

Chương 1: Tổng quan về vấn đề ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới

nền đường ở khu vực thành phố Cần Thơ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phân tích, đánh giá độ ổn định và biến dạng của công trình

đường Quang Trung – Cái Cui (Khu đô thị mới Nam Cần Thơ) và công trình đường

nối Cần Thơ – Vị Thanh

Kết luận và Kiến nghị

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/06/2014

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014

5 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ BÁ VINH

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này bên cạnh những nổ lực học tập, nghiên cứu của bản thân còn có sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của Quý Thầy Cô; Sự quan tâm, động viên, chia sẻ của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thầy - TS Lê Bá Vinh

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Sau Đại Học, bộ môn Địa Cơ Nền Móng đã giúp đỡ, giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Cảm ơn các bạn học, đồng nghiệp đã nhiệt tình trao đổi, chia sẽ những kiến thức, kinh nghiệm, tài liệu để giúp tôi hoàn thành luận văn này

viên, khích lệ, tạo chỗ dựa tinh thần vững chắc để tôi yên tâm học tập trong suốt thời gian vừa qua

Xin chân thành ghi nhớ và cảm ơn!

Đỗ Hoài Phong

TÓM TẮT

“Nền đất yếu” là một khái niệm được nhắc đến khá nhiều và có rất nhiều vấn

đề cần phải nghiên cứu, tính toán và đánh giá khi thi công xây dựng công trình nền đường trên đất yếu Đặc biệt là ở thành phố Cần Thơ – vùng đất yếu nằm trong khu vực đồng bằng sông Cửu Long

Thực tế đã có nhiều công trình thi công xây dựng xong bị lún, sập, mất ổn định do công trình trên đất yếu Việc đánh giá, phân tích đúng tính chất của đất, áp dụng các biện pháp gia cố, các biện pháp xử lý phù hợp và hiệu quả là một công việc khá khó khăn Chính vì vậy việc nghiên cứu, đánh giá các vấn đề về ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới công trình là cấp thiết, quan trọng và lâu dài

Trong luận văn này tác giả nghiên cứu, tổng hợp và tính toán các số liệu quan trắc thực tế, các tính toán lún nền đường theo lý thuyết giải tích, sử dụng phương pháp mô phỏng Plaxis với mục đích:

- Kiểm chứng, so sánh độ ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường theo các phương pháp Matsuo - Kawamura; Tominaga - Hashimoto; Akira Asaoka; Hyperbolic của Nhật Bản với điều kiện địa chất thành phố Cần Thơ

- Tính toán biến dạng lún của nền đất yếu dưới nền đường bằng phương pháp giải tích Từ đó so sánh, đối chiếu với kết quả tính toán biến dạng lún theo số liệu quan trắc hiện trường và mô phỏng Plaxis

- Tính toán hệ số cố kết theo phương đứng Cv và hệ số cố kết theo phương

(Asaoka) Từ đó so sánh với các giá trị của Cv và Ch đã dùng trong thiết kế ban đầu

- Xác định tốc độ đắp và chiều cao đắp gia tải theo nhiều cấp trong xử lý nền đất yếu dưới nền đường của 2 công trình thực tế

ABSTRACT

“Soft ground” is a commonly-mentioned concept in construction, and there are a lot of matters to study, work out and analyze on the execution of building a road-bed on soft ground, particularly in Can Tho City – the soft ground in the Mekong Delta

In fact, there have been a number of building works sunk, collapsed, or instable because of its foundation on soft ground Evaluating and analyzing the right nature of the ground to apply suitable and effective consolidating methods and processing measures is a difficult job Therefore, the study and evaluation of the stability and deformation the soft ground under a building work is really urgent, essential and long-lasting

To the extent of this project, the writer has researched, synthesized and calculated the factual monitoring figures and the calculations of sunk road-bed based on analytical theory, and applied the Plaxis emulation with the aim of:

- Checking and comparing the stability and deformation of the soft ground under the road-bed according to the methods Matsuo - Kawamura; Tominaga - Hashimoto; Akira Asaoka; Hyperbolic from Japan on the geographical conditions

of Can Tho City

- Calculating the sinking deformation of the soft ground under the road-bed according to the analytical methods, and then, comparing and contrasting the results

of calculating the sinking deformation based on the monitoring figures on the spot and the Plaxis emulation

- Calculating the factual closely united coefficient on vertical direction Cvand the closely united coefficient on horizontal direction Ch based on the analytical methods of monitoring figures on the spot (Asaoka), and then comparing it with the values of Cv and Ch which were used in the initial design

- Determining the speed of building a road and the height of rebuilding with many levels in processing the soft ground under the road-bed of the two factual building works

LỜI CAM ĐOAN

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

và hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Lê Bá Vinh

Đỗ Hoài Phong

MỤC LỤC

Mở Đầu

I Đặt vấn đề nghiên cứu 1

II Mục tiêu nghiên cứu 1

III Phạm vi nghiên cứu 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG

CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG Ở KHU VỰC

THÀNH PHỐ CẦN THƠ 1.1 Đất yếu khu vực thành phố Cần Thơ 3

1.1.1 Khái niệm về đất yếu 3

1.1.2 Cấu trúc địa chất và phân bố đất yếu ở khu vực thành phố Cần Thơ 3

1.2 Tổng quan về những giải pháp cải tạo đất yếu 5

1.3 Một số giải pháp cải tạo đất yếu hiện nay ở ĐBSCL 5

1.3.1 Giải pháp cọc tre, cọc tràm 5

1.3.2 Giải pháp đệm cát 5

1.3.3 Giải pháp giếng cát 7

1.3.4 Giải pháp bấc thấm 10

1.4 Một số hình ảnh về các sự cố mất ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường 12

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tính toán ổn định và biến dạng theo phương pháp giải tích 15

2.1.1 Tính toán ổn định theo phương pháp giải tích 15

2.1.2 Tính toán biến dạng theo phương pháp giải tích 20

2.2 Tính toán ổn định và biến dạng theo phương pháp số - mô phỏng 23

2.2.1 Phương pháp số 23

2.2.2 Phương pháp mô phỏng 25

2.3 Tính toán ổn định và biến dạng theo phương pháp phân tích số liệu quan trắc hiện trường 27

2.3.1 Phân tích, đánh giá độ ổn định theo phương pháp Matsuo và phương pháp Tominaga – Hashimoto 27

2.3.2 Phân tích, đánh giá độ biến dạng theo phương pháp Akira Asaoka và phương pháp Hyperbolic 29

2.4 Cơ sở tính toán cho bài toán cố kết thấm 32

2.4.1 Các giả thiết của bài toán cố kết 32

2.4.2 Lời giải tích cho bài toán cố kết thấm 34

2.4.3 Lý thuyết tính toán giếng cát 34

Chương 3 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA CÔNG TRÌNH ĐƯỜNG QUANG TRUNG – CÁI CUI (KHU ĐÔ THỊ MỚI NAM CẦN THƠ) VÀ ĐƯỜNG NỐI

CẦN THƠ – VỊ THANH 3.1 Mô tả công trình 36

3.1.1 Điều kiện tự nhiên của thành phố Cần Thơ 36

3.1.2 Công trình thực tế 1: đường Quang Trung – Cái Cui (Khu đô thị mới Nam Cần Thơ) 37

3.13 Công trình thực tế 2: đường nối Cần Thơ – Vị Thanh (phần địa phận thành

phố Cần Thơ 39

3.2 Tính toán biến dạng lún của nền bằng phương pháp giải tích 42

3.2.1 Lý thuyết tính toán 42

3.2.2 Lời giải bài toán thực tế 43

3.2.3 So sánh, đánh giá, kết luận 46

3.3 Mô phỏng, tính toán và phân tích giếng cát bằng phương pháp PTHH 47

3.3.1 Mô phỏng giếng cát theo khối tương đương 47

3.3.2 Mô phỏng giếng cát bằng phần tử drain 60

3.3.3 So sánh kết quả tính toán với quan trắc thực tế 69

3.3.4 Phân tích, so sánh ứng xử của nền đất khi thay đổi các phương án thiết kế bằng phương pháp PTHH 73

3.4 Phân tích ngược độ lún dựa vào số liệu quan trắc 78

3.4.1 Phương pháp Asaoka 78

3.4.2 Phương pháp Hyperbolic 86

3.4.3 Phương pháp Phần Tử Hữu Hạn 90

3.4.4 Nhận xét, đánh giá, kết luận 94

3.5 Đánh giá độ ổn định của nền đắp 96

3.5.1 Tính toán hệ số ổn định theo phương pháp PTHH 97

3.5.2 Phương pháp Matsuo – Kawamura 108

3.5.3 Phương pháp Tominaga – Hashimoto 112

3.6 Xác định tốc độ đắp thích hợp 115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117

án, công trình xã hội, hệ thống hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là hạ tầng giao thông Nhiều công trình giao thông trọng điểm, huyết mạch đã được khởi công xây dựng

và hoàn thành như đường Quang Trung - Cái Cui (khu Đô thị mới Nam Cần Thơ); đường dẫn cầu Cần Thơ, Đường nối Cần Thơ – Vị Thanh; đường Mậu Thân sân bay Trà Nóc; đường Nam sông Hậu…

Tuy nhiên, thành phố Cần Thơ là vùng đất yếu nằm trong khu vực đất yếu của Đồng bằng sông Cửu Long Thực tế đã có nhiều tuyến đường giao thông khi đưa vào khai thác sử dụng đã xảy ra hiện tượng mất ổn định như lún sụt, trượt lở Chính vì thế vấn đề nghiên cứu, đánh giá, tính toán và xử lý nền đất yếu đặc biệt quan trọng

Đề tài: “Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu dưới nền đường bằng giếng cát ở khu vực thành phố Cần Thơ” nhằm đánh giá độ ổn định và biến dạng

của công trình trên đất yếu khu vực thành phố Cần Thơ và nghiên cứu giải pháp giếng cát trong xử lý nền đất yếu dưới nền đường phù hợp với yêu cầu về địa chất,

tự nhiên và điều kiện phát triển kinh tế - xã hội thành phố Cần Thơ

II Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu giải pháp giếng cát trong xử lý nền đất yếu dưới nền đường với điều kiện địa chất thành phố Cần Thơ

- Tính toán và kiểm chứng độ ổn định của nền đất yếu dưới nền đường theo phương pháp Matsuo-Kawamura; Tominaga-Hashimoto với điều kiện địa chất thành phố Cần Thơ

III Phương pháp nghiên cứu

- Tính toán lý thuyết theo tiêu chuẩn thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu

22 TCN 262-2000; Quy trình thiết kế xử lý đất yếu bằng giếng cát (bấc thấm) trong xây dựng nền đường 22 TCN 244-98; Tiêu chuẩn thiết kế thi công và nghiệm thu vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đắp trên đất yếu 22 TCN 248-98; Tham khảo sổ tay và quy trình của nước ngoài

- Tổng hợp, sử dụng các số liệu địa chất, số liệu quan trắc hiện trường để tính toán độ ổn định và biến dạng của nền đất yếu dưới nền đường khu vực thành phố Cần Thơ so sánh với các phương pháp tính toán ổn định và biến dạng của Nhật Bản như Matsuo-Kawamura; Tominaga-Hashimoto; Akira Asaoka; Hyperbolic

- Tính toán, mô phỏng, phân tích bằng phần mềm Plaxis

- 3 -

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG Ở KHU VỰC

THÀNH PHỐ CẦN THƠ 1.1 Đất yếu ở khu vực thành phố Cần Thơ

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

Đất yếu là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (khoảng 0,5 – 1 daN/cm2), có

tính nén lún lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn (e>1), modul biến dạng

nhỏ (thường E0 = 50 daN/cm2), khả năng kháng cắt yếu… Nếu không có những

biện pháp xử lý thích hợp thì việc xây dựng công trình trên đất yếu này sẽ rất khó

khăn hoặc không thể thực hiện được cũng như không đáp ứng yêu cầu về mặt kỹ

thuật, chất lượng, tuổi thọ công trình

Đất yếu có thể là đất sét yếu, đất cát yếu, bùn, than bùn và đất hữu cơ, đất

thải… Đất yếu được thành tạo ở lục địa (tàn tích, sườn tích, lũ tích, lở tích, do gió,

do lầy, do con người), ở vùng vịnh (cửa sông, tam giác châu, vịnh biển) hoặc ở biển

(khu vực nước nông, sâu không quá 200m, thềm lục địa, sâu 200-3000m, biển sâu,

trên 3000m) Chiều dày lớp đất yếu thay đổi, có thể từ vài mét đến 35-40m

1.1.2 Cấu trúc địa chất và phân bố đất yếu ở khu vực thành phố Cần Thơ

Thành phố Cần Thơ nói riêng và vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL)

nói chung có dạng bồn trũng theo hướng Tây Bắc – Đông Nam Trung tâm bồn

trũng là vùng kẹp giữa sông Tiền và sông Hậu Khu vực có móng đá sâu đến 900m

Vây quanh vùng trung tâm là các vùng cánh của bồn trũng và xa hơn là các đới

nâng cao của móng đá lộ ra ở tỉnh Bình Dương, tỉnh Đồng Nai, tỉnh Tây Ninh Bên

kia là núi đá ở Hà Tiên tỉnh An Giang và Vịnh Thái Lan Phủ trên lớp đá gốc là tập

hợp các thành tạo bở rời có tuổi từ Neogen đệ tứ, trên cùng là lớp trầm tích trẻ có

tuổi khoảng 15000 năm có chiều sâu tới 110m Đây cũng chính là tầng đất yếu trên

mặt, móng của các công trình chủ yếu đặt trên tầng này

- 4 -

Hình 1.1: Cột địa tầng tổng hợp vùng đồng bằng sông Cửu Long

Dựa trên đặc điểm địa chất của vùng ĐBSCL có thể chia thành 03 khu vực theo chiều dày lớp đất yếu:

* Khu vực có lớp đất yếu dày từ 1m đến 30m: bao gồm các vùng ven

thành phố Hồ Chí Minh, thượng nguồn sông Vàm Cỏ Tây, Vàm Cỏ Đông, phía tây

- 5 - Đồng Tháp Mười, rìa quanh vùng Bảy Núi cho tới vùng ven biển Hà Tiên, Rạch Giá, rìa đông bắc đồng bằng từ Vũng Tàu đến Biên Hòa

* Khu vực có lớp đất yếu dày từ 5m đến 30m: phân bố kế cận khu vực

trên và chiếm đại bộ phận vùng đồng bằng và khu trung Đồng Tháp Mười

* Khu vực có lớp đất yếu dày từ 15m đến 100m chủ yếu thuộc các tỉnh

Vĩnh Long, Trà Vinh, Bến Tre, tới vùng duyên hải tỉnh Cà Mau, Tiền Giang, Cần Thơ, Sóc Trăng

1.2 Tổng quan về những giải pháp cải tạo đất yếu

- Các giải pháp cơ học: bao gồm các phương pháp làm chặt bằng đầm, đầm

chấn động, phương pháp làm chặt bằng giếng cát, các loại cọc (cọc cát, cọc đất, cọc vôi…), phương pháp thay đất, phương pháp nén trước, phương pháp vải địa kỹ thuật, phương pháp đệm cát…

- Các giải pháp vật lý: gồm các phương pháp hạ mực nước ngầm, phương

pháp dùng giếng cát, phương pháp bấc thấm, điện thấm…

- Các giải pháp hóa học: gồm các phương pháp keo kết đất bằng xi măng,

vữa xi măng, phương pháp silicat hóa, phương pháp điện hóa…

1.3 Một số giải pháp cải tạo nền đất yếu hiện nay ở ĐBSCL

1.3.1 Giải pháp cọc tre, cọc tràm

Đây là phương pháp thông dụng, truyền thống để xử lý nền đất yếu ở ĐBSCL Là giải pháp kinh tế cho công trình có điều kiện đất nền và tải trọng tương đối thuận lợi Do sự giới hạn của chiều dài cọc (3m đến 6m) nên việc sử dụng cho nhiều loại công trình bị hạn chế Giải pháp này chỉ có tác dụng cho công trình nhà ở độc lập, các công trình trên nền đất yếu có chiều dày lớp đất yếu và chiều rộng đất đắp nhỏ

1.3.2 Giải pháp đệm cát

Đây là giải pháp khi lớp đất yếu có chiều dày không lớn, nằm trực tiếp dưới nền đắp thì có thể áp dụng biện pháp đào bỏ một phần đất yếu bề mặt và thay bằng lớp cát hạt trung hoặc hạt thô

- 6 - Lớp đệm cát có tác dụng tăng tốc độ cố kết của nền đất yếu sau khi đắp đất

để tăng cường độ chống cắt của đất yếu dẫn đến tăng sức chịu tải của đất nền, làm tăng khả năng ổn định của công trình kể cả khi có cả tải trọng ngang tác dụng vì cát được nén chặt sẽ tăng lực ma sát và tăng khả năng chống trượt Lớp đệm cát còn có tác dụng cải tạo sự phân bố ứng suất lên đất yếu

Đệm cát thường được sử dụng kết hợp với vải địa kỹ thuật để hạn chế sự chìm lắng hạt cát vừa không lẫn đất bụi

Biện pháp này sử dụng thích hợp trong điều kiện:

- Tải trọng đắp không quá lớn

- Lớp đất yếu không quá dày (<3m)

- Có sẵn vật liệu cát tại địa phương

- 7 -

Hình 1.3: Vùng hoạt động của vùng đồng ứng suất

b Ưu, nhược điểm của phương pháp:

* Ưu điểm:

Do thi công đơn giản, không cần nhiều thiết bị đặc biệt nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi

* Nhược điểm:

Đệm cát không nên sử dụng trong các trường hợp:

- Lớp đất yếu quá dày (Hđy>3m) trong trường hợp này việc thiết kế đệm cát

sẽ không kinh tế và khó thi công, khi đó cần kết hợp đệm cát với biện pháp xử lí nền khác: cừ tràm, giếng cát, bấc thấm,…

- Khi mực nước ngầm cao và nước có áp, sự xói ngầm sẽ làm tầng đệm cát không ổn định

1.3.3 Giải pháp giếng cát

Đối với nền đất yếu có hệ số thấm nhỏ, thời gian để hoàn thành giai đoạn cố kết thứ nhất sẽ rất lớn Có thể kéo dài hàng chục năm Để rút ngắn thời gian cố kết, người ta thường dùng các thiết bị tiêu nước thẳng đứng như bấc thấm, giếng cát,…kết hợp với gia tải trước bằng tải trọng phụ tạm thời hay bơm hút chân không

Giếng cát là thiết bị tiêu nước thẳng đứng được dùng sớm nhất để tăng tốc độ

cố kết của nền đất yếu Trong cấu tạo đất nền có bố trí giếng cát và gia tải trước,

- 8 - nhờ gradient thủy lực tạo ra do nén trước, nước lỗ rỗng chủ yếu thoát theo phương ngang về phía tâm giếng cát, sau đó chảy tự do theo phương thẳng đứng dọc theo giếng cát về phía các lớp đất dễ thấm nước Nhờ có hệ thống giếng cát trong nền đất yếu sẽ giúp rút ngắn chiều dài đường thấm, giảm thời gian cố kết dẫn đến tăng nhanh khả năng chịu tải của đất nền theo thời gian

a Cấu tạo hệ thống giếng cát:

Hình1.4 Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát

*Đệm cát:

- Thường dùng cát hạt trung, cát thô

- Chiều dày lớp đệm cát có thể xác định theo giá trị độ lún của nền đắp

- Chiều sâu giếng cát bằng chiều dày vùng hoạt động chịu nén của đất nền

L = Ha trong đó: Ha là vùng hoạt động chịu nén của đất nền ứng với σz=0,1γZ

- Khoảng cách giữa các giếng cát: thường bố trí theo lưới tam giác đều có

a = 1.5m ÷ 2m

- 9 -

tròn với đường kính là De; S: khoảng cách giữa hai tim giếng cát

- Nếu bố trí giếng cát theo lưới tam giác đều: De = 1,05 S

- Nếu bố trí giếng cát theo lưới ô vuông: De = 1,13 S

b Ưu, nhược điểm của phương pháp:

*Ưu điểm:

- Thích hợp với những khu vực có sẵn vật liệu (cát), dễ khai thác

d w= + với a ≈ 100 mm b ≈ (3 ÷ 7)m

- 11 -

Hình 1.6: Mặt cắt ngang bấc thấm tương đương

tròn với đường kính là De; S: khoảng cách giữa hai tim bấc thấm

- Nếu bố trí bấc thấm theo lưới tam giác đều: De = 1,05 S

- Nếu bố trí bấc thấm theo lưới ô vuông: De = 1,13 S

b Ưu, nhược điểm của phương pháp:

*Ưu điểm:

- Thi công nhanh do được lắp đặt hoàn toàn bằng máy

- Giá thành rẻ hơn phương pháp giếng cát

- Bấc thấm được chế tạo sẵn trong nhà máy nên có thể sản xuất được khối lượng lớn

*Nhược điểm:

- Cần máy chuyên dùng đặt biệt

- Khả năng thoát nước của bấc thấm có thể bị giảm khi chiều sâu cắm bấc thấm lớn (>20m) do:

+ Áp lực hông tăng làm ép sát bộ lọc vào ống lõi dẫn đến giảm tiết diện ngang của lòng dẫn trong bấc thấm

+ Theo phương đứng, bấc thấm bị uốn cong trong quá trình lún cố kết của đất nền do chịu áp lực thẳng đứng lớn

+ Các hạt nhỏ hơn bộ lọc tích đọng vào trong lòng dẫn làm giảm hệ số thấm của bấc thấm

- Chỉ nên dùng ở công trường có mặt bằng thi công lớn

- 13 -

Sạt lở đường giao thông khu vực triền núi

Hư hại do nền đường đắp trên đất yếu

- 14 -

Đứt gãy nền đường Lún lệch giữa cầu và đường

Lún, lệch do mất ổn định ở đường giao thông nông thôn

- 15 -

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG THEO PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH 2.1.1 Tính toán ổn định theo phương pháp giải tích

Phương pháp phân mảnh cổ điển đối với mặt trượt trụ tròn:

Để giải bài toán ổn định khối đất đắp trên nền đất yếu, có hai nhóm quan điểm:

- Nhóm 1: Chủ trương dựa vào các mặt trượt giả định để dánh giá mức độ ổn định của khối đất có hình dạng đã được xác định Đại diện nhóm này có phương pháp của Fellenius W và A.W.Bishop

- Nhóm 2: Chủ trương tìm các công thức để xác định trực tiếp hình dạng của khối đất (mái dốc) sao cho toàn bộ khối đất đạt điều kiện cân bằng ổn định Đại diện cho nhóm này có phương pháp của N.N.Maslov

dốc được thiết lập dựa vào sự cân bằng giữa tổng moment gây trượt và moment chống trượt đối với tâm trượt giả định Điều kiện này được biểu thị bằng hệ số ổn định Kođ:

M

M

Mct: Thành phần moment chống trượt của khối đất

Mgt: Thành phần moment gây trượt khối đất Khi Kođ < 1: Khối đất mất ổn định

Kođ = 1: Khối đất ở trạng thái cân bằng giới hạn

Kođ > 1: Khối đất ổn định Đối với nền đường đắp trên nền đất yếu, bài toán phân tích ổn định cần phải tiến hành trong điều kiện ổn định ngắn hạn, khi mới đắp xong nền đường, đất yếu

- 16 - vừa mới bắt đầu cố kết Vì đây là giai đoạn nền đắp trên đất yếu kém ổn định nhất Tại khu vực nền đắp, áp lực nước lỗ rỗng thay đổi theo thời gian, bài toán ổn định được lặp trong điều kiện ứng suất hiệu quả

b bằng nhau Thành phần lực tác dụng lên một mãnh có chiều dài 1m gồm:

Wi: Trọng lượng bản thân mảnh phân tố đất

Wi=γi.bi.hi (2.2)

chống trượt cho mảnh phân tố đất tùy theo vị trí mảnh đó so với trục thẳng đứng đi qua tâm cung trượt đang xét

Ti=Wi.sinαi=γi.bi.hi.sinαI (2.3)

Ni: phản lực tiếp tuyến vuông góc với mặt trượt gây ra lực ma sát dọc theo đáy mảnh

Fms2i=Ni.tgφI (2.4) C: lực dính của đất gây ra lực ma sát dọc theo đáy mảnh

Fms2i=Ci.li=Ci.bi/cosαi=Ci.bi.sinαI (2.5)

li: độ dài độ dài cung trượt trong mảnh thứ I, giả thiết mảnh phân tố có b đủ nhỏ để chiều dài cung l là thẳng:

li=bi/cosαI=Ci.bi.sinαI ( 2.6)

R1=(E1,X1) và R2=(E2,X2): thành phần lực tác dụng do ảnh hưởng của 2 mảnh phân tố 2 bên

n i

n

i i i i

i

i gt i ct ođ

W

m l l C tg

N M

M K

α

ϕsin

) (

Để tính hệ số Kođ, thành phần chủ yếu cần phải xác định rõ trong công thức trên là thành phần áp lực pháp tuyến N gây lực ma sát dọc theo đáy mảnh Hai thành phần còn lại ΣCi.li và ΣWi.sinαi có thể xác định bằng chỉ tiêu cơ lí của đất Việc xác định N có thể sử dụng một số phương pháp cơ bản hiện đang được áp dụng rộng rãi trong thực tế

*Phương pháp Fellenius (1927):

Phương pháp này căn bản dựa vào điều kiện cân bằng giới hạn

Các lực gây trượt và chống trượt tác dụng lên mặt trụ tròn được xác định theo các phân mảnh lăng trụ trượt Trong phương pháp này Fellenius đưa ra giả thiết rằng khi các mảnh phân tố đất có chiều rộng b đủ bé thì có thể đem hai lực tác dụng lên hai bên của mảnh là bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu nhau

X1=X2

E1=E2

- 18 - Điều kiện cân bằng các lực tác dụng lên mảnh phân tố theo phương pháp tuyến với mặt trượt là:

N=W.cosα-u.l=W.cosα – u.b.sinα (2.8) Thay ( 2.8) vào ( 2.7), ta có:

n

i

i i

n

i

i i

i ođ

W

b C tg

b u W

K

α

αϕ

αα

sin

sin sin

cos

n

i

n

i i i i

i i ođ

W

l C tg

W K

α

ϕαsin

cos

(2.11)

Trong điều kiện ổn định ngắn hạn, do tồn tại thành phần áp lực nước lỗ rỗng nên hệ số ổn định có xu hướng giảm thấp Với u=ru.γ.h (ru: tỉ số áp lực nước lỗ rỗng), sai số sẽ tăng nếu cung trượt nằm sâu hơn và giá trị ru lớn Khi đó phương pháp đơn giản hóa Bishop sẽ thích hợp để giải bài toán

*Phương pháp đánh giá ổn định mái dốc theo A.W.Bishop (1955):

Dựa vào một số giả thiết:

- Xem áp lực nước lỗ rỗng ru ≈const

dụng R1, R2, trong đó thành phần lực theo phương tiếp tuyến với mặt trượt là bằng nhau và ngược chiều nên:

X1=X2; E1≠E2

- 19 - A.W.Bishop phân tích thành phần lực tác dụng lên mảnh phân tố theo phương thẳng đứng, mảnh phân tố đạt trạng thái cân bằng giới hạn khi tổng các lực theo phương thẳng đứng = 0

0 sin cos cos

u N

0 sin

sin

cos cos

l C l

u N

αα

u W K

α

ϕα

αα

sin cos

sin

cos

od

od

K tg K

l C l

u w N

ϕα

αα

sin

.

sin cos

sin cos

W

l C tg K

tg K

l C l

u w

ϕα

ϕ

α

sin

.

K

tg tg K

tg b C l u W W

+

−

=

αϕ

αϕα

ϕα

α

α

tg tg K

tg tg b C tg tg b C K

tg tg

tg b u W

od

.

.

.

1

sin

sin

− +

=

od

K

tg tg

tg b u W b C

1

).

( sin

- 20 - Điều kiện ổn định cho toàn khối đất:

− +

= n

i

od

i i

i i i i i i

i ođ

K

tg tg

tg b u W b C W

1

).

( sin

2.1.2 Tính toán biến dạng theo phương pháp giải tích

Trong xây dựng đường trên nền đất yếu ở vùng ĐBSCL người thiết kế cần đặc biệt chú ý đến vấn đề tính toán biến dạng vì đây là nguyên nhân làm cho nhiều công trình cầu đường bị hư hỏng phải xử lí rất tốn kém

Biến dạng của nền đường đắp trên đất yếu là độ lún của toàn bộ nền đường sau khi kết thúc lún dưới tác dụng của tải trọng, gồm độ lún của bản thân nền đắp và lún của đất yếu dưới nền đường Trong tính toán thường không xét đến biến dạng lún của bản thân nền đắp vì nếu đất đắp đã được đầm nén tốt, đạt độ chặt yêu cầu (Kyc) thì độ lún này rất nhỏ so với độ lún của nền đất yếu dưới nền đường Do đó, nội dung tính toán biến dạng công trình đường đắp trên nền đất yếu chủ yếu là tính

độ lún tổng cộng trên nền đất yếu dưới nền đắp Độ lún của nền đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài và tải trọng bản thân đất nền bao gồm:

- Độ lún do lớp đất trên cùng bị phá hoại kết cấu khi đào hố móng và khi xây móng: Trong xây dựng nền đường, việc thi công lớp đệm cát lót bằng cách đào

bỏ lớp hữu cơ bề mặt với chiều sâu không lớn lắm thường không gây ảnh hưởng đến sự biến dạng của đất nền

- Độ lún do biến dạng nén chặt: Trong giai đoạn cố kết thứ nhất, dưới tác dụng của các ứng suất pháp tuyến, các hạt rắn trong thành phần của đất xê dịch lại gần nhau gây ra biến dạng nén chặt Đây là biến dạng làm thu hẹp các lỗ rỗng trong đất, làm giảm thể tích của đất Thông thường, biến dạng nén chặt đóng vai trò chủ yếu nhất so với các dạng biến dạng khác trong nền đất, nó làm tăng góc nội ma sát

và lực dính của đất, do đó làm tăng độ bền, sức chịu tải và ổn định của đất Tốc độ biến dạng nén phụ thuộc vào tốc độ ép đẩy nước ra khỏi đất nền Đối với đất sét bảo hòa nước, biến dạng nén chặt có thể kéo dài hàng trăm năm Khả năng phục hồi

- 21 - biến dạng nén chặt (khi dở tải) rất nhỏ vì gradient thoát nước của đất đã tăng cao so với lúc trước khi chịu tải

- Độ lún do biến dạng đàn hồi: Do độ đàn hồi của thành phần hạt rắn, của các loại nước và khi trong đất nền, biến dạng đàn hồi thường xảy ra trong giây lát khi có tác dụng của tải trọng Biến dạng này có thể hồi phục nếu như độ chặt của đất nền không đổi Trong thực tế, khi đất chưa đạt đến độ chặt, độ ẩm tốt nhất, dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, biến dạng đàn hồi thường xảy ra có kèm theo biến dạng nén chặt Biến dạng đàn hồi của đất thường có giá trị rất nhỏ so với biến dạng nén chặt

- Độ lún do biến dạng từ biến: Trong giai đoạn cố kết thứ hai của đất quá trình ép đẩy nước đã ngưng lại do tương quan giữa gradient nén và gradient ban đầu của đất Khi đó biến dạng từ biến xảy ra dưới tác dụng của tải trọng bản thân của đất nền và tải trọng ngoài, chủ yếu là do sự tăng cao độ chặt của các màng nước liên kết xung quanh các hạt rắn, do đó làm tăng cao theo thời gian, độ nhớt (η) của đất Đồng thời biến dạng từ biến còn do sự hóa già của các màng keo trong đất

- Biến dạng tức thời của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng đắp, chủ yếu là biến dạng do san đều tức thời các chổ lồi lõm trên mặt của diện chịu tải và do sức ép đẩy tức thời một phần thể tích khí tồn tại trong đất

- Độ lún do biến dạng dẻo: Xảy ra trong nền đất yếu xuất hiện vùng biến dạng dẻo tương đối lớn Vùng biến dạng dẻo bao giờ cũng nhỏ hơn vùng từ biến Trong thiết kế công trình, nếu cho phép vùng biến dạng dẻo có chiều rộng ≈ ½ chiều rộng đáy nền đường (dmax=b/2) thì độ lún do biến dạng dẻo thường ≈ 0 Do

đó, vấn đề biến dạng dẻo của nền đất yếu thường ít xét trong thực tế

Khi thiết kế nền đường trên nền đất yếu cần phải đảm bảo cho bản thân nền đường có độ chặt K ≥ 0,9 Khi đó việc tính toán biến dạng của công trình đường đắp trên nền đất yếu chủ yếu là tính độ lún tổng cộng của nền đất yếu Độ lún tổng cộng gồm có ba thành phần chủ yếu: độ lún tức thời, độ lún cố kết và độ lún thứ cấp (do

từ biến), trong đó độ lún cố kết thường có giá trị lớn nhất

Khi thiết kế nền đường đắp trên nền đất yếu phải biết độ lún tổng cộng

để tính chính xác khối lượng và kích thước nền đường (trong đó có chiều cao phòng lún) Đặc biệt dưới nền đất yếu bảo hòa nước, độ lún khi chịu nén không hoàn thành ngay tức khắc mà kéo dài trong một thời gian dài nhất định nên ngoài giá trị độ lún tổng cộng, người thiết kế cần xác định tốc độ lún để dự tính thời gian thi công

2.1.2.2 Dự tính độ tăng sức chống cắt của nền đất:

Đối với nền đất tự nhiên yếu hoặc không yếu nằm dưới nền đất đắp: sử dụng kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường và trị số lực dính tính toán cu được xác định theo công thức sau:

Su = 0,22Uσz + Ss(σpz/σvz)0,2 ( 2.19) Trong đó U là mức độ cố kết của nền đắp tại thời điểm đang xét

Trị số sức chống cắt tính toán này khi U = 1 phải nhỏ hơn: Su ≤ (σz+σvz)tgφi+ ci

Phương pháp số thường được dùng trong các bài toán cơ học (cơ học kết cấu, cơ học trong môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể

Trong những năm 60-70 cơ học truyền thống chia những bài toán ra làm hai nhóm Nhóm thứ nhất bao gồm những bài toán xác định khả năng chịu tải của móng; ổn định mái dốc của khối đắp; đập; bể ngầm; hầm; áp lực đất lên tường chắn Nhóm thứ hai gồm các bài toán tính lún của nền đất dưới dạng tải trọng ngoài và các công trình khác, trong đó có kể đến cố kết thấm, bài toán tiếp xúc về tác dụng tương hỗ giữa công trình và đất…

Phép giải bài toán nhóm thứ hai dựa trên giả thuyết về mối liên hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trong đất dưới tác dụng của tải trọng Do đó khó thu được lời giải đàn hồi, các bài toán biến dạng của cơ học đất thường với nhiều giả thiết đơn giản hóa Điều đó cho phép vận dụng lời giải đã biết của các bài toán đơn giản nhất, bỏ qua một số thành phần của tensơ ứng suất khi tính toán biến dạng

Khi giải các bài toán của nhóm thứ nhất, biến dạng của đất không được xét đến và được giả thiết là vừa đủ để huy động toàn bộ sức kháng Ở nhóm bài toán thứ hai, ứng suất và biến dạng giả thiết là khá nhỏ, vùng trạng thái giới hạn còn chưa hình thành hoặc nhỏ đến mức có thể bỏ qua Khi độ lớn vùng dẻo nhỏ thì người ta bỏ qua chúng và coi bài toán là đàn hồi Khi biến dạng dẻo phát triển đáng

kể thì cần phải kể đến chúng và xét bài hỗn hợp, và việc giải bài toán này sử dụng phần tử hữu hạn

Ngày nay, phương pháp phần tử hữu hạn viết cho cơ học đất với nhiều

mô hình khác nhau: Mô hình đàn hồi; Morh – Coulomb, Cam – Clay… nên rất

- 24 - thích hợp để phân tích bài toán cơ học đất với việc sử dụng thích hợp các mô hình tùy theo các loại đất khác nhau

B Trình tự giải một bài toán bằng phần mềm Plaxis

chính sau:

- Quá trình tính toán

- Xem và xuất kết quả

Để thuận tiện người ta thường chia thành 11 bước nhỏ như sau:

+ Bước 1: Thiết lập tổng thể bài toán

+ Bước 2: Thiết lập mặt bằng làm việc

+ Bước 3: Thiết lập đường bao hình dạng, kết cấu

+ Bước 4: Khai báo tải trọng

+ Bước 5: Khai báo địa chất và các tính chất vật liệu

+ Bước 6: Chia lưới phần tử

+ Bước 7: Thiết lập giai đoạn tính toán

- Phương hướng 1: Do tác dụng của SD chủ yếu là để thoát nước và có tính chất là một vật liệu đàn hồi nên khi mô phỏng trong PTHH với bài toán phẳng 2D ta có thể mô phỏng SD bằng những phần tử với vật liệu đàn hồi thoát nước và

có hệ số thấm theo phương đứng tương tự như tốc độ thấm của giếng cát

- 25 -

- Phương hướng 2: các SD được cắm vào trong đất làm tăng nhanh quá trình cố kết thoát nước trong nền đất nên có thể xem vùng có SD là vùng tương đương Có thể coi vùng tương đương như vùng đất bình thường nhưng hệ số thấm đứng tương đương kve rất lớn so với hệ số thấm kv của đất bình thường

v v h e

k

k d F

l

k =⎜⎜⎝⎛1+2.26. 2 . ⎟⎟⎠⎞

2

de: đường kính vùng ảnh hưởng của giếng cát

Để giải quyết bài toán thực tế, ta sẽ chuyển bài toán không gian đối xứng trục về bài toán phẳng tương đương, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Độ cố kết trung bình theo phương ngang tại chiều sâu z trong trường hợp biến dạng phẳng được tính như sau:

T u

u U

μ

8exp11

0

(2.21) Trong đó:

u: áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trung bình tại thời điểm tính

0

u : áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trung bình tại thời điểm ban đầu

T hp nhân tố thời gian đối với sự thoát nước ngang trong trường hợp biến dạng phẳng

2

e

h hp

B

t C

T = ;

w v

h

h m

k C

h p

q

k z H z s

k

k s

n

)2(4

3)ln(

D e: đường kính ảnh hưởng của giếng cát

D w: đường kính của giếng cát

D s: đường kính vùng xáo trộn

s: độ xáo trộn

qw: lưu lượng riêng của giếng

- 26 - z: độ sâu xem xét

H: chiều sâu của giếng cát

kh: hệ số thấm theo phương ngang của đất nền

ks: hệ số thấm theo phương ngang của vùng xáo trộn

mv: hệ số nén thể tích

a Sơ đồ đối xứng trục b Sơ đồ biến dạng phẳng

Hình 2.7 Sơ đồ bài toán phẳng tương đương (Indraratna và Redana, 1997) Theo sơ đồ bài phẳng tương đương (Hình 2.7) có thể giả thiết tại cùng một thời điểm với cùng một tải trọng tác dụng thì độ cố kết trung bình cho cả hai trường hợp: đối xứng trục (U h) và biến dạng phẳng tương đương (U hp) là bằng nhau:

U h=U hp (2.24)

Trường hợp không xét đến sức cản giếng thì hệ số thấm trong vùng xáo trộn của đất chung quanh giếng cát (bấc thấm) có thể được tính theo công thức sau (Indraratna và Redana):

)/ln(

)/()/ln(

)/ln(

w s s h w e

w e h e

r r k k r r

r r k k

+

- 27 -

Và hệ số tương đương có xét đến vùng xáo trộn có thể được chuyển đổi

từ hệ đối xứng trục (axi-symectric) sang hệ phẳng (Plane-strain) theo công thức sau (Hird et al, 1992)

75.0)ln(

)/()/ln(

=

s k k s n

k k

s h

h h

1 Đánh giá ổn định theo phương pháp Matsuo:

Đã có một nghiên cứu của tác giả Matsuo 1977 và các đồng sự về vấn đề ổn định nền đắp trên nền đất yếu Đây là một công trình nghiên cứu được công bố rộng rãi và đưa vào ứng dụng rộng rãi tại Nhật Bản và nhiều nước khác

Theo tác giả thì: Sự phá hoại nền đắp có thể được dự báo trước dựa vào tiến trình chuyển vị của các chuyển vị trong đất Việc xác định mối quan hệ giữa chuyển

vị đứng và chuyển vị ngang trong nền đất trong quá trình đắp tải sẽ cho các đánh giá về ổn định của nền Khi xuất hiện hiện tượng chuyển vị ngang nhanh hơn so với chuyển vị đứng thì nền bắt đầu có hiện tượng phá hoại Và mối quan hệ này được thể hiện như biểu đồ sau:

Hình 2.2 Biểu đồ Matsuo-Kawamura

- 28 - Với S và H lần lượt là chuyển vị theo phương đứng và phương ngang

FOS là hệ số an toàn về ổn định trượt trong đắp gia tải

Matsuo và các đồng sự đã tiến hành thí nghiệm hiện trường với nhiều nền đắp khác nhau trên các nền địa chất khác nhau và nhận thấy: phá hoại trượt của tất

cả các trường hợp đều qui chung về một đường quan hệ duy nhất là FOS = 1 (Failure Crilure Line) FOS = 1 thể hiện các trường hợp làm việc của nền với hệ số

an toàn cao hơn

2 Đánh giá ổn định theo phương pháp Tominaga – Hashimoto:

Dựa trên số liệu quan trắc các công trình ở Nhật, người ta xây dựng được đồ thị với 2 đường giới hạn trên đồ thị:

Hình 2.3 Biểu đồ Tominaga-Hashimoto

Đây là phương pháp thể hiện mối quan hệ giữa chuyển vị đứng và chuyển vị ngang Trong trường hợp nếu chuyển vị ngang vượt quá giới hạn chuyển vị đứng điều đó cho thấy nền không ổn định và phá hoại trượt Trường hợp nếu tốc độ chuyển vị đứng xảy ra nhanh hơn chuyển vị ngang thì điều này cho thấy nền lún do

- 29 -

2.3.2 Phân tích, đánh giá độ biến dạng theo phương pháp Akira Asaoka và phương pháp Hyperbolic

1 Đánh giá biến dạng theo phương pháp Akira Asaoka:

Với giả thiết:

+ Nền đất là đồng nhất

+ Quá trình xảy ra biến dạng lún tuân theo qui luật bài toán cố kết thấm một chiều của K.Terzaghi

khác nhau trong quá trình cô kết như sau:

Si = βo + Si-1.tgβ1 (2.27)

Si : Độ lún của nền đất ở thời điểm t = i

Si-1 : Độ lún của nền đất ở thời điểm t = i – 1

βo, β1 : Các tham số

Bước 1: Quan trắc, đo đạt độ lún của nền đất tại hiện trường

Bước 2: Thiết lập đường quan hệ độ lún theo thời gian (S~t )

Bước 3: Xác định khoảng thời gian phân tích lún (∆t)

Bước 4: Lập bảng giá trị độ lún sau các khoảng thời gian (∆t)

Bước 5: Biểu diễn trên đồ thị quan hệ Si ~ Si-1

Hình 2.4 Biểu đồ quan hệ lún theo thời gian

- 30 -

Si = β o + S i-1 tgβ 1

β 0 β1

Hình 2.5 Biểu đồ dự báo lún Sf theo phương pháp Asaoka

Bước 6: Viết phương trình đường thẳng đi qua các điểm có tọa độ (Si, Si-1)

Si = βo + Si-1.tgβ1 Kéo dài đường thẳng Si = βo + Si-1.tgβ1 cho giao cắt với đường phân giác thứ nhất của trục tọa độ (Si, Si-1) Hoành độ giao điểm chính là giá trị độ lún cuối cùng của đất nền

F D tg

1

1

2 1

ββ

và hệ số cố kết theo phương đứng bằng công thức:

ln

5 2 β1

Trong đó:

De: Đường kính khu vực ảnh hưởng thoát nước xung quanh giếng cát

De= 1,05S khi giếng cát bố trí theo sơ đồ tam giác đều có cạnh là S