Nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ lý và ứng xử của đất ở ĐBSCL trong điều kiện ngập nước theo thời gian

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- ĐOÀN VĂN ĐẸT NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ – LÝ VÀ ỨNG XỬ CỦA ĐẤT Ở ĐBSCL TRONG ĐIỀU KIỆN NGẬP NƯỚC THEO THỜI GIAN Chuyên ngành : CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT Y

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

ĐOÀN VĂN ĐẸT

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ – LÝ

VÀ ỨNG XỬ CỦA ĐẤT Ở ĐBSCL TRONG ĐIỀU KIỆN NGẬP NƯỚC

THEO THỜI GIAN

Chuyên ngành : CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU

Mã số ngành : 31.10.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2006

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

ĐOÀN VĂN ĐẸT

NGHIÊN CỨU SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CƠ – LÝ

VÀ ỨNG XỬ CỦA ĐẤT Ở ĐBSCL TRONG ĐIỀU KIỆN NGẬP NƯỚC

THEO THỜI GIAN

Chuyên ngành : CÔNG TRÌNH TRÊN ĐẤT YẾU – KHOÁ 15 Mã số ngành : 31.10.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRẦN XUÂN THỌ

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN

THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 200

TP HCM, ngày 06 tháng 02 năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đoàn Văn Đẹt Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20-12-1975 Nơi sinh: tỉnh Long An Chuyên ngành: Công trình trên đất yếu MSHV: 00904236

I- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ – lý và ứng xử của đất ở ĐBSCL trong điều kiện ngập nước theo thời gian

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ: Nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ – lý và ứng xử của đất ở ĐBSCL khi bị ngập nước theo thời gian

Nội dung:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan về ổn định của công trình khi bị ngập nước theo thời gian

Chương 3: Cơ sở lý thuyết và phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ – lý của đất nền

Chương 4: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ – lý của đất nền trong điều kiện ngập nước theo thời gian – xây dựng mối tương quan giữa chúng

Chương 5: Phân tích ứng xử của đất nền dưới nền đường đắp cao trong điều kiện ngập nước theo thời gian

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06-02-2006

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06-10-2006

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Trần Xuân Thọ

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 200 TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS.Trần Xuân Thọ, người đã vạch ra hướng

đi của đề tài này, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tác giả, tận tâm truyền đạt nhiều kinh nghiệm quý báu và thường xuyên nhắc nhở động viên trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu này

Tác giả cũng xin gửi lời chân thành cảm ơn đến quý Thầy, Cô ở Bộ môn và Phòng thí nghiệm Địa Cơ Nền Móng đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện thí nghiệm

Xin gửi lời cảm ơn đến Công ty cổ phần 565, Ban chỉ huy công trường gói thầu số 06, 08 tuyến N2, Phòng thí nghiệm địa chất thuộc Liên hiệp địa kỹ thuật xây dựng, Phòng QLDA1 – Ban quản lý dự án Mỹ Thuận, Phòng Thiết kế đường – Công ty tư vấn xây dựng công trình 625 đã hỗ trợ, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, lấy mẫu ở hiện trường, thí nghiệm cũng như đã cung cấp những hồ sơ quan trọng liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài

Xin chân thành cảm ơn bạn bè, các bạn học viên cao học khoá 15 đã hỗ trợ tác giả trong công tác lấy mẫu ở hiện trường, trong lúc thực hiện thí nghiệm cũng như đã cung cấp những tài liệu, thông tin quan trọng liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài này

TP.HCM, ngày 06 tháng 10 năm 2006

Tác giảTác giả

Đoàn Văn Đẹt

Luận văn này tập trung nghiên cứu về sự thay đổi tính chất cơ – lý của đất khi công trình đất đắp bị ngập nước theo thời gian Qua đó phân tích ứng xử của nền và công trình đất đắp khi công trình ngập nước theo thời gian

Sự thay đổi tính chất cơ – lý của đất theo thời gian ngập nước được thí nghiệm trong phòng bằng cách ngâm mẫu đất ứng với các khoảng thời gian là 1,

2, 4, 7, 14, 21, 30, 45, 60, 90 Tương ứng với các mốc thời gian nêu trên lấy mẫu

ra để thí nghiệm xác định sự thay đổi sức chống cắt (s), lực dính (c), góc ma sát (ϕ), độ ẩm (W), dung trọng (γ), mô đun biến dạng (Eoed ) Từ đó sẽ xây dựng mối tương quan giữa các thông số : sức chống cắt (s) – thời gian ngập nước (t); lực dính (c) – thời gian ngập nước (t); góc ma sát (ϕ) – thời gian ngập nước (t); độ ẩm (W) – thời gian ngập nước (t); dung trọng (γ) – thời gian ngập nước (t), mô đun biến dạng (Eoed ) – thời gian ngập nước (t) Từ mối qua hệ này sẽ kết luận về sự thay đổi tính chất cơ – lý của các loại đất khác nhau theo thời gian ngập nước

Ứng xử của đất nền và công trình đất đắp khi bị ngập nước theo thời gian được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis) và phương pháp cân bằng giới hạn (phần mềm Slope/W) Từng giai đoạn ngập nước được mô phỏng bằng các giai đoạn thi công, các thông số địa chất lấy theo kết quả thí nghiệm ứng với từng thời gian ngập nước Từ kết quả mô phỏng này, tác giả sẽ kết luận về ổn định, biến dạng của công trình khi ngập nước theo thời gian

Ứng dụng thực tiễn của đề tài nghiên cứu này là tìm ra sự thay đổi tính chất cơ – lý của các loại đất khác nhau khi bị ngập nước theo thời gian Từ đó, làm cơ sở cho việc lựa chọn những thông số độ bền chống cắt của đất (c, ϕ) trong tính toán ổn định và biến dạng đối với những công trình tương tự khi không có số liệu thí nghiệm sự thay đổi các tính chất cơ – lý của đất khi bị ngập nước

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

1.3 Mục đích nghiên cứu 4

1.4 Nội dung nghiên cứu 5

1.5 Hạn chế của đề tài 6

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN CÔNG TRÌNH KHI BỊ NGẬP NƯỚC THEO THỜI GIAN 7

2.1 Giới thiệu 7

2.2 Đặc điểm địa chất và tình hình ngập lũ ở ĐBSCL 8

2.2.1 Đặc điểm địa chất 8

2.2.2 Tình hình ngập lũ ở ĐBSCL 13

2.3 Ổn định của nền dưới công trình 21

2.3.1 Khái niệm 21

2.3.2 Các phương pháp tính toán 23

2.4 Biến dạng của nền dưới công trình 51

2.4.1 Xác định vùng hoạt động Ha dưới nền đường đắp 51

2.4.2 Xác định độ lún ổn định 55

2.4.3 Độ lún theo thời gian theo lý thuyết cổ điển Terzaghi 59

2.5 Aûnh hưởng của sự đẩy nổi của nước đối với thân công trình đắp 62

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ – LÝ CỦA ĐẤT 64

3.1 Giới thiệu 64

3.2 Phương pháp thí nghiệm các chỉ tiêu cơ – lý của đất 66

3.2.1 Thí nghiệm xác định độ ẩm tự nhiên (W), dung trọng tự nhiên (γ) 66

3.2.3 Thí nghiệm xác định giới hạn ATTERBERG 67

3.2.4 Thí nghiệm cắt trực tiếp xác định các thông số c, ϕ của đất 70

3.2.4 Thí nghiệm nén cố kết 72

Chương 4 THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ – LÝ CỦA ĐẤT NỀN TRONG ĐIỀU KIỆN NGẬP NƯỚC THEO THỜI GIAN, XÂY DỰNG MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA CHÚNG 77

4.1 Đặt vấn đề 77

4.2 Lấy mẫu và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ – lý của đất 78

4.2.1 Lấy mẫu 79

4.2.2 Thí nghiệm 81

4.3 Xây dựng mối tương quan 85

4.3.1 Đất sét, màu vàng, ít dẻo (CL, đất đắp) 85

4.3.2 Đất sét, màu xám xanh, rất dẻo (CH, đất đắp) 89

4.3.3 Đất sét, màu xám xanh, rất dẻo (CH, đất nền tự nhiên) 92

Chương 5 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO TRONG ĐIỀU KIỆN NGẬP NƯỚC THEO THỜI GIAN 96

5.1 Giới thiệu 96

5.1.1 Mục đích 97

5.1.2 Nội dung chính 97

5.2 Mô tả công trình thực tế 99

5.3 Địa chất công trình 101

5.4 Mô phỏng và phân tích bài toán 102

5.4.1 Phân tích ổn định của mái dốc khi công trình bị ngập nước theo thời gian bằng chương trình Slope/W 103

5.4.2 Phân tích ứng xử của đất nền khi công trình bị ngập nước theo thời gian bằng phần mềm Plaxis 108

6.1 Kết luận 116 6.1.1 Kết luận về sự thay đổi tính chất cơ – lý của đất trong điều kiện ngập nước theo thời gian 116 6.1.2 Kết luận về ổn định và biến dạng của công trình khi bị ngập nước theo thời gian 117 6.2 Kiến nghị 117 6.2.1 Kiến nghị về việc lựa chọn các thông số chống cắt của đất dùng trong tính toán ổn định và biến dạng của công trình bị ngập nước theo thời gian 117 6.2.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu

Để góp phần phát triển kinh tế vùng ĐBSCL, trong thời gian gần đây Chính phủ đã đầu tư với nguồn vốn rất lớn để phát triển mạng lưới giao thông trong vùng Trong đó có cải tạo, nâng cấp hệ thống những tuyến đường cũ và đầu tư xây dựng tuyến hoàn toàn mới

Lũ lụt là vấn đề thường xuyên xảy ra hàng năm ở vùng ĐBSCL Vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt, sản xuất của người dân trong vùng mà còn làm ảnh hưởng đến sự ổn định của những công trình xây dựng trong vùng ngập lũ, đặc biệt là các công trình đất đắp như hệ thống giao thông, đê bao chắn lũ

Khi nước lũ dâng lên thì độ ẩm trong thân công trình đất đắp và đất nền sẽ tăng Khi đó các chỉ tiêu cơ – lý của đất sẽ thay đổi tuỳ theo sự gia tăng của độ ẩm trong thời gian ngập nước Sự thay đổi đó khác nhau đối với mỗi loại đất tuỳ thuộc vào cấu trúc của hạt, trạng thái của nó

Vấn đề xử lý nền đất yếu bằng nhiều giải pháp thì đã được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu và đã ứng dụng rộng rãi trong công tác thiết kế xử lý nền Ngoài ra, cũng đã có rất nhiều đề tài của nhiều tác giả nghiên cứu về vấn đề ổn định và biến dạng của những công trình bị ngập lũ vừa, nông, sâu ở vùng ĐBSCL như ThS Nguyễn Văn Hùng, ThS.Trần Tiến Quốc Đạt, ThS.Nguyễn Anh Tuấn, ThS Nguyễn Văn Tuấn

Tuy nhiên, hầu hết các tác giả chỉ thiên về phân tích ổn định, biến dạng của nền đất yếu dưới công trình có xét thêm các nhân tố khác có ảnh hưởng đến ổn định và biến dạng của công trình trong quá trình bị ngập nước và qua đó đưa ra các giải pháp xử lý nhằm nâng cao ổn định của công trình, các tác giả đã bỏ qua ảnh

hưởng của quá trình ngập nước đến sự thay đổi các chỉ tiêu cơ – lý của đất mà xem như các chỉ tiêu cơ – lý của đất đắp cũng như đất nền dưới công trình không thay đổi trong suốt thời gian bị ngập nước Điều này đã dẫn đến việc phân tích ổn định của nền công trình là không hoàn toàn chính xác, không phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của công trình Thật ra thì khi công trình bị ngập nước trong mùa lũ (ở ĐBSCL thường là 1 đến 4 tháng), thời gian ngập nước sẽ làm cho độ ẩm trong đất tăng lên và khi đó các tính chất cơ – lý của đất sẽ bị thay đổi

Đề tài về nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ – lý của đất khi tiếp xúc với những môi trường nước khác nhau cũng đã được nhiều tác giả nghiên cứu như GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ, ThS Nguyễn Ngọc Thọ, ThS.Trương Thanh Huấn, ThS.Hòang Vũ Tường Lâm…Tuy nhiên các tác giả cũng chưa đưa ra đầy đủ sự thay đổi tính chất cơ – lý của đất theo thời gian ngập nước, cũng như chưa phân tích ổn định và biến dạng của công trình tương ứng với sự thay đổi tính chất cơ – lý đó của đất nền

Tóm lại, ảnh hưởng của quá trình ngập lũ đến các chỉ tiêu cơ lý của đất nền cũng như ứng xử của đất nền khi bị ngập nước theo thời gian ở vùng ĐBSCL đã chưa được các tác giả nghiên cứu quan tâm xem xét một cách đúng mức và quá trình thay đổi tính chất cơ – lý của đất nền khi bị ngập nước theo thời gian vẫn còn bỏ ngỏ

Vậy khi bị ngập nước theo thời gian thì các chỉ tiêu cơ – lý của đất nền có thay đổi hay không và nếu có thì thay đổi như thế nào, ứng xử của nền đất dưới công trình khi bị ngập nước theo thời gian ra sao? Ổn định của công trình ra sao?.v.v… Đó là những vấn đề cần được quan tâm và sẽ được nghiên cứu giải quyết trong đề tài nghiên cứu này

1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Hiện nay, vấn đề ngập nước trong mùa lũ chỉ mới được nghiên cứu ở cấp độ đề án luận văn thạc sĩ của rất nhiều tác giả khác nhau Nhưng điểm nổi bậc chủ yếu của những đề tài đó chỉ dừng lại ở công việc phân tích ổn định và biến dạng của công trình có xét đến áp lực nước thủy tĩnh, thủy động của nước lũ qua đó đề ra các biện pháp bảo vệ công trình nhằm tăng cường sự ổn định của công trình khi

bị ngập lũ mà không xét đến sự thay đổi tính chất cơ – lý của đất khi bị ngập nước theo thời gian

Ngoài ra, hiện nay những công trình ở vùng ngập lũ ĐBSCL hầu như đều bị ngập nước vào mùa lũ Tuy nhiên vấn đề sự thay đổi các tính chất cơ – lý của đất nền của công trình đã không được đề cập trong hệ thống quy trình, quy phạm của nước ta, cũng như chưa có những nghiên cứu chi tiết đi sâu về vấn đề này

Do đó, công tác thiết kế công trình ở những vùng này vẫn chưa xét đến ảnh hưởng của ngập lũ đến sự thay đổi tính chất cơ – lý của đất mà chỉ tính ổn định và biến đạng của công trình theo những thông số ban đầu của đất nền Điều này dẫn đến việc tính toán ổn định và biến dạng của công trình chưa hoàn toàn hợp lý

Vì vậy, nghiên cứu sự thay đổi tính chất cơ – lý của đất nền tương ứng với từng giai đoạn bị ngập nước đối với từng loại đất khác nhau, qua đó thiết lập mối tương quan giữa chỉ tiêu cơ – lý của đất nền khi chưa bị ngập nước và khi bị ngập nước theo thời gian là rất cần thiết, nhằm đưa ra mối tương quan về tính chất cơ – lý của đất trước và sau khi bị ngập nước theo từng mốc thời gian Từ đó làm cơ sở cho việc lựa chọn các thông số đất nền trong việc tính toán ổn định và biến dạng của những công trình có nền bị ngập nước tương ứng với thời gian Tuỳ theo thời gian ngập nước thực tế của công trình mà ta lựa chọn các thông số phục vụ cho công tác tính ổn định và biến dạng của công trình sao cho hợp lý

1.3 Mục đích nghiên cứu:

Có thể nói rằng trong công tác thiết kế nền, móng đối với bất kỳ công trình nào cũng điều rất quan trọng Nó quyết định giá thành xây dựng và đảm bảo sự bền vững của công trình trong giai đoạn khai thác Việc thiết kế nền, móng phụ thuộc hoàn toàn vào các thông số về chỉ tiêu cơ – lý của đất nền Việc lựa chọn các thông số này không đúng hoặc không đầy đủ đều dẫn đến tình trạng người thiết kế không mô phỏng được trạng thái làm việc của đất nền dưới công trình Và như thế ta đã ước lượng sức chịu tải của đất nền và phán đoán ứng xử, trạng thái làm việc của đất nền hoàn toàn không phù hợp với thực tế dẫn đến công trình bị phá hoại Điều này đã xảy ra rất nhiều trường hợp trong nước cũng như trên thế giới

Mục đích của công tác nghiên cứu của đề tài này là tìm ra mối liên hệ tương quan giữa các chỉ tiêu cơ – lý của đất trước và sau khi bị ngập nước theo từng mốc thời gian thông qua công tác thí nghiệm trong phòng Tương ứng với từng mốc thời gian đó, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Plaxis) và phương pháp cân bằng giới hạn (phần mềm Slope/W) để phân tích ổn định và biến dạng của công trình Thông qua mối tương quan giữa các chỉ tiêu cơ – lý của đất trước và sau khi bị ngập nước theo từng mốc thời gian, ứng với từng loại đất khác nhau, thì tác giả sẽ đưa ra hệ số thể hiện mối tương quan giữa chúng Từ đó, làm cơ sở cho việc lựa chọn những thông số tính toán nền, móng cũng như tính toán ổn định và biến dạng đối với những công trình có cùng điều kiện khi không có số liệu thí nghiệm sự thay đổi các tính chất cơ – lý của đất nền khi

bị ngập nước theo thời gian

1.4 Nội dung nghiên cứu:

Nội dung thực hiện của đề tài là tiến hành lấy mẫu đất ở hiện trường, mẫu nguyên dạng, và mẫu chế bị Mẫu được lấy ở những công trình bị ngập nước ở khu vực các tỉnh ĐBSCL

Mẫu sau khi được lấy ở hiện trường đem về phòng thí nghiệm sẽ tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ – lý của đất ở điều kiện không ngâm mẫu Sau đó lấy các mẫu còn lại tiến hành ngâm mẫu Mẫu được ngâm trong điều kiện cho trương nở tự do hoàn toàn Tương ứng với mỗi thời gian ngâm mẫu lần lượt là 1, 2, 4, 7, 14,

21, 30, 45, 60, và 90 ngày đêm tiến hành lấy mẫu ra thí nghiệm các chỉ tiêu cơ – lý của đất

Từ các kết quả thí nghiệm đối với từng loại đất khác nhau thì sự thay đổi các chỉ tiêu cơ – lý sẽ khác nhau Từ đó, tác giả sẽ đưa ra mối tương quan sự thay đổi chỉ tiêu cơ – lý của đất trước khi ngập nước và sau khi ngập nước theo thời gian ứng với từng loại đất khác nhau

Tương ứng với các chỉ tiêu cơ – lý của đất thí nghiệm được nêu trên tác giả sẽ phân tích ổn định của công trình tương ứng với từng thời gian ngập nước Công trình được đưa vào để phân tích ở đây là tuyến đường N2 – đường Hồ Chí Minh phía Nam, đoạn Đức Hoà – Thạnh Hoá, tỉnh Long An, Km0+000 ÷ Km40+626 Với mục tiêu như trên, nội dung nghiên cứu của đề tài được chia ra các chương như sau:

Chương 1 : Giới thiệu

Chương 2 : Tổng quan về ổn định của công trình khi bị ngập nước theo thời gian

Chương 3 : Cơ sở lý thuyết và phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất nền

Chương 4 : Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ – lý của đất nền trong điều kiện ngập nước theo thời gian – xây dựng mối tương quan giữa chúng Chương 5 : Phân tích ứng xử của đất nền dưới nền đường đắp cao trong điều kiện ngập nước theo thời gian

Chương 6 : Kết luận và kiến nghị

1.5 Hạn chế của đề tài

Đề tài nghiên cứu này sẽ tập trung nghiên cứu về sự thay đổi tính chất cơ – lý và ứng xử của đất theo thời gian ngập nước, những nội dung, khía cạnh đã được các tác giả đi trước nghiên cứu rồi sẽ không được xem xét trong đề tài nghiên cứu này Mặc khác, do thời gian hạn chế nên đề tài không xét đến các yếu tố sau đây:

1.5.1 Không phân tích ảnh hưởng của ngập nước đối với kết cấu áo đường

1.5.2 Không xét ảnh hưởng của nước mặn, nước phèn, ngọt hoá đối với các chỉ

tiêu cơ – lý của đất khi bị ngập nước theo thời gian

1.5.3 Không thí nghiệm tính trương nở của đất khi bị ngập nước theo thời gian 1.5.4 Không xét đến tính thấm của nền đường trong quá trình ngập nước

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN CÔNG TRÌNH KHI BỊ NGẬP

NƯỚC THEO THỜI GIAN

2.1 Giới thiệu

ĐBSCL nằm trên địa hình tương đối bằng phẳng, mạng lưới sông ngòi, kênh rạch phân bố rất dầy thuận lợi cho giao thông thuỷû vào bậc nhất so với các vùng ở nước ta Phía tây nằm giáp Campuchia, phía bắc giáp Tây Ninh và Thành Phố Hồ Chí Minh, phía đông và nam giáp biển

ĐBSCL có một nền nhiệt độ cao và ổn định trong toàn vùng Nhiệt độ trung bình

280 C Chế độ nắng cao, số giờ nắng trung bình cả năm 2.226 - 2.709 giờ ĐBSCL có hệ thống sông kênh rạch lớn nhỏ chi chít rất thuận lợi cung cấp nước ngọt quanh năm Về mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4, sông Mêkông là nguồn nước mặt duy nhất Về mùa mưa, lượng mưa trung bình hàng năm dao động từ 2.400

mm ở vùng phía Tây Đồng bằng sông Cửu Long đến 1.300 mm ở vùng trung tâm và 1.600 mm ở vùng phía Đông Về mùa lũ, thường xảy ra vào tháng 9, nước sông lớn gây ngập lụt

Chế độ thuỷ văn của ĐBSCL có 3 đặc điểm nổi bật :

+ Nước ngọt và lũ lụt vào mùa mưa

+ Nước mặn vào mùa khô ở vùng ven biển

+ Nước chua phèn vào mùa mưa ở vùng đất phèn

Nhìn chung, khu vực nầy còn nhiều khó khăn, hạn chế do lũ lụt hằng năm làm ảnh hưởng đến sản xuất, đời sống của người dân trong vùng Nhìn tổng thể, kinh tế-xã hội khu vực nầy phát triển chưa ổn định và vững chắc; kinh tế phát triển chủ yếu dựa vào khai thác tiềm năng là chính

Để phát triển nhanh và bền vững, hiện nay Chính phủ đã ưu tiên vốn ngân sách đầu tư xây dựng hệ thống kết cấu hạ tầng giao thông ở ĐBSCL như : công trình

như nâng cấp và mở rộng Quốc lộ 1A từ Trung Lương đến mũi Cà Mau, xây dựng đường Hồ Chí Minh phía Nam (tuyến N2), đầu tư xây dựng tuyến N1 (đoạn từ Đức Huệ, Long An – Rạch Gia, Kiên Giang), xây dựng cầu Cần Thơ (nối hai tỉnh Vĩnh Long và Cần Thơ qua sông Hậu) và cầu Rạch Miễu (nối hai tỉnh Tiền Giang và Bến Tre qua sông Tiền) Đặc biệt là khẩn trương hoàn thành việc xây dựng đường ô tô đến trung tâm các xã của vùng, xây dựng sân bay Quốc tế Cần Thơ, sân bay Phú Quốc và tiếp tục cải tạo nâng cấp sân bay Cà Mau và Côn Đảo

2.2 Đặc điểm địa chất và tình hình ngập lũ ở ĐBSCL

2.2.1 Đặc điểm địa chất

2.2.1.1 Khái quát về cấu tạo địa chất công trình ở ĐBSCL

2.2.1.1.1 Về mặt địa tầng

Vùng ĐBSCL tương đối bằng phẳng, cao độ mặt đất thay đổi từ +1,0 đến +5,0 được tạo nên bởi trầm tích cổ và trẻ chỉ trừ một số ít đồi núi nham cứng (ở An Giang và Kiên Giang) Trên mặt phẳng đồng đều đó chỉ gợn nên những sóng đất

ở Sông tiền, sông Hậu và những cồn ở ven biển

Trong tài liệu hố khoan ở Cần thơ (sâu đến 205m), Sóc Trăng (sâu đến 463m), Cà Mau (sâu đến 160m ÷240m) cho thấy rằng bề dày trầm tích trẻ từ 50m đến 110m thay đổi tăng dần từ hướng đất liền ra biển Ơû dưới trầm tích trẻ là trầm tích cổ Ngược về phía Tây Ninh, Biên Hòa…, lớp trầm tích cổ xuất hiện ngay trên mặt đất, tức là trầm tích trẻ mỏng dần về hướng tiếp giáp với Miền đông Nam bộ

2.2.1.1.2 Sự phân bố đất bùn ở ĐBSCL

Trong toàn vùng ĐBSCL có thể chia ra thành 5 khu vực có các dạng đất yếu (đất bùn, đất than bùn), theo đặc trưng thành phần thạch học, tính chất địa chất công trình, địa chất thủy văn và chiều dày của tầng đất yếu (hình 2.1), [12]

Hình 2.1: Bản đồ phân bố vùng đất yếu ĐBSCL Khu I: Khu đất sét màu xám nâu và xám vàng:

b m QIV : Đất á sét, á sét màu xám nâu, có chổ đất mềm yếu gối lên trên lớp trầm tích nén chặt QI – II , chiều dày không quá 5m

Đồng bằng tích tụ, có chổ trũng lầy nội địa, cao độ từ 1 ÷ 3m

Nước dưới đất, gặp ở độ sâu 1 ÷ 5m, có tính ăn mòn

Có chổ bị lầy hóa, lún ướt công trình

Khu II: Đất bùn sét, bùn á sét, bùn á cát xen kẹp với các lớp á cát

Phân khu IIa:

a,a m QIV: Bùn sét, bùn á sét phân bố không đều hoặc xen kẹp gối lên trên nền sét chặt QI – III , chiều dày không quá 20m

Đồng bằng thấp, tích tụ thật thụ với độ cao từ 1 ÷ 1,5m đến 3 ÷ 4m

Mực nước ngầm cách mặt đất 0,5 ÷ 1m, có khả năng ăn mòn

Lầy hóa, cát chảy, xói ngầm, xói lở bờ, đào lòng sông, lún ướt công trình

Phân khu IIb:

a,a m QIV: Bùn sét, bùn á sét phân bố không đều hoặc xen kẹp , chiều dày không quá 80m

Các đặc tính khác giống như phân khu IIa

Phân khu IIc:

Dạng bùn đất giống như IIa, IIb nhưng có chiều dày không quá 25m

Các đặc tính khác giống như phân khu IIa, IIb

Phân khu IId:

Dạng bùn đất giống như IIa, IIb, IIc nhưng có chiều dày không quá 30m

Các đặc tính khác giống như phân khu IIa, IIb, IIc

Khu III: Khu cát hạt mịn, á cát xen kẹp ít bùn á cát

Phân khu IIIa:

m, a m, a b m QIV: chủ yếu là át cát, cát bụi xen kẹp ít bùn sét, bùn á sét bùn á cát Hôlôxen gối lên trên trầm tích nén chặt QI – III , chiều dày không quá 60m Đồng bằng tích tụ và đồng bằng tích tụ gợn sóng ven biển với độ cao từ 1 ÷ 2m đến 5 ÷ 7m

Nước dưới đất cách mặt đất 0,5 ÷ 2m , có tính ăn mòn

Cát chảy, xói ngầm

Phân khu IIIb:

Các tính chất đặc trưng giống như khu IIIa, nhưng chiều dày tầng đất Hôlôxen không quá 100m

Phân khu IIIc:

Các tính chất đặc trưng giống như khu IIIa, IIIb nhưng chiều dày tầng đất Hôlôxen không quá 25m

Khu IV: khu đất than bùn, xen kẹp bùn sét, bùn á sét, á cát và cát bụi

Phân khu IVa:

m b QIV: Đất than bùn, sét, bùn á sét thuộc tầng đất yếu Hôlôxen, chiều dày không quá 25m

Đồng bằng tích tụ biển sinh vật cao với độ cao từ 1 ÷ 1,5m

Nước dưới đất xuất hiện ngay trên mặt đất, có tính ăn mòn

Lầy hoá đến chảy, lún ướt công trình

Phân khu IVb:

a b m QIV: Đất yếu gồm than bùn, sét, bùn á sét thuộc tầng đất yếu Hôlôxen, chiều dày không quá 50m, gối lên đất nén chặt QII – III và N2

Đồng bằng tích tụ trũng lầy, cửa sông bị luồng lạch phân cách mãnh liệt

Nước dưới đất xuất hiện ngay trên mặt đất, có tính ăn mòn

Xâm thực bờ và đáy sông, lầy hóa

Khu V: Khu bùn á sét và bùn cát ngập nước:

Đất yếu gồm bùn, than bùn Hôlôxen dày từ 5 ÷ 10m đến 40 ÷ 50m gối lên nền đất chặt QII – III

Đồng bằng tích tụ, trũng lầy dạng vịnh, cửa sông

Nước dưới đất xuất hiện ngay trên mặt đất, chịu ảnh hưởng của thủy triều, có tính ăn mòn

Xâm thực bờ và đáy sông, lầy lội

2.2.1.2 Đặc trưng cơ – lý của đất yếu, đất bùn ở ĐBSCL

Ngoại trừ công trình cầu Mỹ Thuận bắt qua sông Tiền và sắp tới là cầu Cần Thơ bắt qua sông Hậu, hiện nay hầu hết các công trình xây dựng ở ĐBSCL đều là vừa và nhỏ, do đó tải trọng của các công trình truyền xuống đất nền đều tựa trên tầng trầm tích trẻ Hôlôxen Theo các kết quả khảo sát địa chất cho thấy lớp trầm tích trẻ Hôlôxen chứa chủ yếu là các dạng đất yếu như: đất sét dẻo, đất sét dẻo chảy, đất bùn sét hữu cơ, đất bùn á sét, đất bùn á cát và đất than bùn Do đó việc nghiên cứu sự phân bố và đặc tính của lớp đất yếu này là cơ sở khoa học để tìm

ra những biện pháp xử lý gia cố nền hợp lý, phục vụ cho công tác xây dựng đạt hiệu quả cao

Các dạng đất bùn ở ĐBSCL:

Tùy theo điều kiện thành tạo: bờ sông, đầm lầy, bờ biển hay tam giác châu…, tỷ lệ các thành phần cát, bụi, sét và chất hữu cơ có trong đất bùn sẽ khác nhau tạo thành các dạng đất bùn: bùn sét, bùn á sét, bùn á cát

Dựa vào phương pháp phân loại đất theo tiêu chuẩn ASTM có thể chia đất bùn ra các dạng: (Hình 2.2)

Hình 2.2: Biểu đồ phân loại đất theo đặc tính dẻo

Bùn sét: có 02 dạng:

MH : Đất bùn sét rất dẻo, chứa ít hữu cơ, WL > 50%

CH : Đất bùn sét rất dẻo, chứa nhiều hữu cơ, WL > 50%

Bùn á sét: có 02 dạng

ML : Đất bùn có độ dẻo thấp, chứa ít hữu cơ, 25% < WL < 50%, 7 < Ip < 20

OL : Đất bùn có độ dẻo thấp, chứa nhiều hữu cơ, 25% < WL < 50%, 0 < Ip < 7 Bùn á cát: có 2 dạng

CL – ML : Đất bùn có độ dẻo thấp, WL < 50%, Ip < 7

ML : Đất bùn có độ dẻo thấp, bão hòa nước ở trạng thái chảy WL < 50%, 0 < Ip < 4

2.2.2 Tình hình ngập lũ ở ĐBSCL

Hàng năm, một bộ phận lớn của đồng bằng bị ngập lụt do lũ sông và nước mưa tại chỗ Diện tích bị ngập là khoảng 1,4 triệu ha vào các năm lũ thấp và đạt gần 2 triệu ha vào năm lũ cao Mức độ ngập thay đổi theo địa hình có thể sâu 0,5 - 4,0m Thời gian ngập lụt kéo dài khoảng 3 - 6 tháng Mùùa lũ ở ĐBSCL bắt đầu vào tháng 7 và kết thúc vào tháng 11 Do tác dụng điều tiết mạnh của lưu vực nên lũ về đến đồng bằng nước dâng lên từ từ với cường suất trung bình 6cm/ngày và lớn nhất không quá 30cm/ngày Đỉnh lũ bẹt, thời gian lũ kéo dài Tuy lũ lớn nhất ở các khu vực xảy ra không đồng đều nhưng về đến đồng bằng thì trong các tháng 9 hoặc đầu tháng 10 xuất hiện lũ lớn nhất Hằng năm thường có hai đỉnh lũ, đỉnh thứ nhất xảy ra cuối tháng 8 đầu tháng 9 như các năm 1937, 1938, 1942,

1943, 1945 Đỉnh lũ thứ 2 thường xảy ra trong tháng 9 hoặc đầu tháng 10 Cá biệt có năm cuối tháng 10 với lưu lượng cực đại đạt 42.000m3/s Trong 40 năm qua cũng có 6 năm chỉ có mộtđỉnh lũ xảy ra vào cuối tháng 9 đầu tháng 10

Mưa lũ ở ĐBSCL có thể chia ra 3 giai đoạn: giai đoạn từ tháng 7 đến tháng 8 nước sông lên nhanh và được trữ vào những nơi thấp, giai đoạn 2 nước sông lên cao (tại Tân Châu trên 4m, Châu Đốc trên 3,8m) Lũ tràn vào Đồng Tháp Mười và Tứ giác Long Xuyên theo hai hướng từ dòng chính và qua biên giới Việt Nam

- Campuchia Giai đoạn 3 là thời kỳ lũ xuống từ cuối tháng 10, lũ tràn từ Campuchia giảm cho đến cuối tháng 12 lũ sông chính giảm hoàn toàn

Theo sự phân cấp về mức báo động lũ thì lũ nhỏ khi mực nước Tân Châu thấp dưới 4m, lũ trung bình khi mực nước dòng chính tại Tân Châu từ 4,0 đến 4,5m và lũ lớn khi trên 4,5m Theo thống kê một số năm xảy ra lũ lớn như sau:

Lũ sông MêKông gây ngập sâu ĐBSCL, những năm lũ trung bình bộ phận Đông Trà Sư, trung tâm Đồng Tháp Mười ngập sâu hơn 3m, Thần Nông - Chợ Mới 2 - 3m, Bo Bo, Đức Huệ, Lấp Vò, Thoại Sơn 1,5 - 2,0m, bộ phận nam kinh Nguyễn Văn Tiếp, Bến Tre, Vĩnh Long, bộ phận Tây Sông Hậu, Tây Tứ Giác Long Xuyên 0,5 - 1,5m Thời gian ngập thường kéo dài 4 - 5 tháng từ tháng 8 đến tháng

11 hoặc tháng 12 Ở vùng thấp trũng như trung tâm Đồng Tháp Mười, Tây kinh Trà Sư ngập kéo dài đến 6 tháng cho tới 1 năm sau Càng gần cửa sông độ sâu ngập lụt càng giảm về cách cửa sông 50 -70km lũ lại tập trung vào lòng sông chính

Tình hình ngập lụt ở tỉnh An Giang

Tháng 7 và tháng 8 hằng năm thường có các nhiểu động nhiệt đới hoạt động gây mưa to và dài ngày làm xuất hiện những trận lũ đầu mùa ở cả trung và hạ lưu sông MêKông Vào thời gian này, trên địa bàn An Giang do nước sông còn chảy gọn trong lòng chính nên khả năng tập trung lũ nhanh, làm xuất hiện các trận lũ đầu mùa dọc sông Tiền và sông Hậu lên với cường suất từ 10cm/ngày đến 20cm/ngày, biên độ lũ có năm lên tới 2,50m Khi đạt tới đỉnh lũ đầu mùa, mực nước 2 sông xuống chậm trong khoảng 10 đến 15 ngày với biên độ xuống xấp xỉ 1m , rồi tiếp tục lên cho tới khi đạt đỉnh lũ lớn nhất năm

Lũ lớn nhất trong năm :

Khu vực phía trên Vàm Nao đa số lũ lớn nhất năm xảy ra vào tháng 9 và 10, còn khu vực phía dưới Vàm Nao do ảnh hưởng của sự phân chia nước và thủy triều nên lũ lớn nhất năm xảy ra muộn hơn khoảng từ 10 ngày đến 1 tháng

Lũ lớn nhất xảy ra ở An Giang vào 1961 với mực nước đỉnh lũ tại Tân Châu là 5,11m và nhỏ nhất xảy ra năm 1998 là 2,81m Chênh lệch nhau 2,30m

Độ dốc lũ và cường suất lũ :

Trên địa bàn An Giang, nhìn chung là vào đầu mùa mưa nước sông lên nhanh, độ dốc lũ và cường suất lũ lớn nhất năm thường xuất hiện vào thời kỳ này Độ dốc lũ lớn nhất có thể đạt 5cm/km đối với sông Tiền và 4cm/km đối với sông Hậu và khá ổn định qua từng năm Trong khi đó, cường suất lũ lớn nhất không ổn định , dao động từ 17cm/ngày đến 36cm/ngày cho cả 2 sông Tiền và sông Hậu (chỉ xuất hiện từ 1 đến 2 ngày) Rồi lũ tiếp tục lên chảy tràn vào các vùng trũng thì độ dốc lũ và cường suất lũ giảm dần, sau đó giữ mức ổn định từ 2cm/ngày đến 4cm/ngày cho đến đỉnh lũ lớn nhất năm

Ngược lại với lũ lên, thời gian đầu của lũ xuống có cường suất nhỏ 2cm/ngày, sau tăng dần và đạt tới lớn nhất là 4cm/ngày vào cuối tháng 12, còn độ dốc lũ giảm từ 2cm/km xuống chỉ còn 1cm/km

Thời gian lũ :

Thời gian lũ lên và xuống ở An Giang khá dài Những năm lũ lớn, thời gian lũ lên từ 3 đến 4 tháng và lũ xuống gần 3 tháng Năm lũ nhỏ có thời gian lũ lên và xuống cũng tới gần 4 tháng

Tình hình ngập lụt ở tỉnh Long An

Long An có 2/3 diện tích ở vùng ngập lũ thường xuyên Lũ đến hàng năm đổ về trước tiên là các huyện phía Bắc thuộc khu vực Đồng Tháp Mười, bắt đầu từ đầu hoặc trung tuần tháng 8 và kéo dài đến tháng 11 Trong thời gian nầy mưa tập trung với lưu lượng và cường độ lớn nhất trong năm gây khó khăn cho sản xuất và đời sống Lũ đến tỉnh Long An chậm và mức ngập không sâu như đầu nguồn nhưng thời gian ngâm lũ lâu hơn Tần suất lũ lớn có xu hướng rút ngắn lại từ 8÷10 năm/lần như trước đây, nay xuống còn 3÷4 năm 1 lần (1961, 1966, 1978,

1984, 1991) và liên tiếp trong 3 năm lũ lớn liên tục xảy ra (1994, 1995, 1996) và đặc biệt năm 2000 lũ rất lớn

Mức ngập nước theo diện tích tự nhiên năm 1996 như sau :

Dưới 50cm, diện tích ngập 50.294ha, chiếm 13,2% diện tích tự nhiên DTTN) Từ 50÷100cm với diện tích ngập 72.360ha, chiếm 18,99% DTTN

Từ 100÷150cm với diện tích ngập 63.830ha, chiếm 16,75% DTTN

Từ 150÷200cm với diện tích ngập 94.840ha, chiếm 24,88% DTTN

Từ 200÷250cm với diện tích ngập 66.720ha, chiếm 17,50% DTTN

Ngập trên 250cm với diện tích ngập 33.070ha, chiếm 8,68% DTTN

Thời gian ngập lũ :

Dưới 3 tháng 305.757 ha, chiếm 69,91% diện tích tự nhiên

Từ 3÷5 tháng 64.724 ha, chiếm 30,09 % diện tích tự nhiên

Đặc biệt là trong năm 2000 lũ lớn nhất trong nhiều thập niên qua và thời gian ngâm lũ kéo dài gây thiệt hại rất lớn đến sản xuất và đời sống dân cư Mực nước cao nhất xuất hiện tại Mộc Hoá (Long An) là 3,27m, cao hơn 41 cm so với đỉnh lũ

1978 Lũ đổ mạnh về phía Nam cộng hưởng với đợt triều cường gây ngập sâu và trên diện rộng gần 300.000 ha tự nhiên, bao gồm 132/188 xã phường, tương ứng 12/14 huyện thị của tỉnh Độ ngập bình quân từ 1,5÷2m, có vùng ngập sâu trên 3

m

Đặc tính tự nhiên vùng lũ lụt:

Vùng ngập lũ thường xuyên của tỉnh bao gồm 6 huyện Tân Hưng, Vĩnh Hưng, Mộc Hoá, Tân Thạnh, Thạnh Hóa, Đức Huệ và một số xã của vùng Tây - Bắc Thủ Thừa, Bến Lức Diện tích tự nhiên khoảng 307.000 ha, chiếm 68,4% diện tích toàn tỉnh Những năm gần đây lũ lụt trong vùng có xu hướng diễn biến phức tạp, chỉ vài năm lại có trận lũ lớn và gây ngập sâu kéo dài hơn các vùng khác của đồng bằng sông Cửu Long

Một số hình ảnh bị ngập nước trên tuyến đường N2 – Km0+00÷Km40+262 (đường Hồ Chí Minh phía nam) đoạn Đức Hòa – Thạnh Hóa, tỉnh Long An

Hình 2.3: Khuôn đường bị ngập lũ trong quá trình thi công (Km20+970)

Hình 2.4: Bệ phản áp bị ngập lũ trong quá trình thi công (Km21+245)

Hình 2.5: Bệ phản áp bị ngập lũ trong quá trình thi công (Km21+726)

Hình 2.6 :Thân nền đường đắp bị ngập khi thi công (Km22+150)

Hình 2.7 :Nước lũ rút đến cao độ bệ phản áp (Km23+250)

Hình 2.8 :Nước lũ rút xuống đến cao độ bệ phản áp (Km23+915)

Hình 2.9: Taluy nền đường bị sạt lở khi lũ rút (Km24+045)

Hình 2.10: Taluy nền đường bị sạt lở khi lũ rút (Km24+338)

Hình 2.11: Taluy nền đường bị sạt lở khi lũ rút (Km34+127)

2.3 Ổn định của nền dưới công trình

2.3.1 Khái niệm

Ổn định của đất là từ để nói về tương quan giữa độ bền, khả năng chịu tải của đất đối với các lực và các dạng đặc trưng gây phá hoại trong đất do tải trọng bản thân của đất và tải trọng ngoài gây ra Độ bền của đất trên một diện bất kỳ của một điểm phân tố bất kỳ trong đất được xác định bằng đại lượng sức chống cắt của đất theo biểu thức của Coulomb : s=σ tanϕ + c (2.1)

Trong đó: s – sức chống cắt của đất

σ - ứng suất pháp tổng trên mặt trượt, do tải trọng bản thân và tải trọng ngoài gây ra

c – lực dính của đất

ϕ – góc ma sát trong của đất

Sức chống cắt của đất dính bão hoà nước hoàn toàn trong quá trình cố kết theo K

Trong đó : s – sức chống cắt của đất

σ’ - ứng suất pháp hữu hiệu σ’ = σ - u

ϕ’ – góc ma sát trong của đất tạo bởi ứng suất hữu hiệu c’ – lực dính biểu kiến được tạo bởi ứng suất hữu hiệu

u – áp lực nước lổ rỗng tác dụng lên mặt trượt

Sự ổn định của đất nền dưới công trình trên một diện nào đó phụ thuộc vào mối tương quan giữa sức chống cắt của đất (s) và ứng suất cắt do tải trọng ngoài (τ) gây ra

Nếu τ < s thì phân tố này đảm bảo ổn định

Nếu τ = s thì phân tố này đang ở trạng thái cân bằng giới hạn

Trường hợp τ > s không xảy ra vì đất nền đã bị phá hoại

Mặt khác, theo điều kiện cân bằng giới hạn Mohr – Rankine thì sự ổn định của một phân tố bất kỳ được đánh giá bằng mối tương quan giữa góc lệch lớn nhất của điểm phân tố đó (θmax ) và góc nội ma sát (ϕ)

Với:

sin θmax =

ϕγ

σσ

σσ

g c

z 2 cot 2

3 1

3 1

×

× +

×

× + +

Trong đó: σ1, σ3 – thành phần ứng suất chính lớn nhất và bé nhất của điểm phân tố đang xét do tải trọng ngoài gây ra

z – độ sâu của điểm phân tố đang xét (tính từ diện mặt tải)

γ – trọng lượng thể tích của đất

Theo điều kiện này thì sự ổn định của một phân tố dưới đất nền được đánh giá dựa vào các điều kiện sau đây:

Nếu θmax < ϕ thì ổn định của điểm phân tố được đảm bảo

Nếu θmax = ϕ thì điểm phân tố dưới đất nền ở trạng thái cân bằng giới hạn Nếu θmax > ϕ thì điểm phân tố dưới đất nền bị mất ổn định (bị phá hoại)

2.3.2 Các phương pháp tính toán

2.3.2.1 Đánh giá ổn định của công trình theo đường trạng thái tới hạn CSL (Critical State Line)

Trong thí nghiệm nén ba trục, thay vì vẽ các vòng tròn ứng suất Mohr để quan sát hoặc phân tích trạng thái ứng suất trong mẫu đất, có thể vẽ điểm có toạ độ là

σ − trong hệ trục (σ, τ) Đường này có tên là lộ trình ứng

suất Trong giai đoạn nén đẳng hướng σ1 = σ3 nên vòng tròn Mohr ứng suất là một điểm chạy dọc trục σ Trong giai đoạn giữ yên σ3 tăng σ1, vòng tròn Mohr lớn dần, điểm khảo sát tương ứng với đỉnh của vòng tròn Mohr Lộ trình ứng suất có dạng như hình 2.12

σ

τ

0

Lộ trình ứng suất

Hình 2.12: Lộ trình ứng suất của thí nghiệm nén ba trục

Lợi ích của lộ trình ứng suất là diễn tả được trạng thái ứng suất của mẫu đất trong quá trình thí nghiệm hoặc một phân tố đất đang chịu lực của công trình đang thi công Có hai dạng đường lộ trình ứng suất thường được sử dụng [1]:

Diễn tả trong hệ trục (s,t) :

(q, q')

Cắt thuần tuý LE

AC

LC AE

Hình 2.13: Các dạng cơ bản của lộ trình ứng suất trong nền đất

Theo lý thuyết trạng thái tới hạn thì một phân tố đất được xem là mất ổn định khi lộ trình ứng suất của nó chạm vào đường trạng thái tới hạn CSL có phương trình như sau [1]:

với M = ';

sin3

sin6ϕ

ϕ

Đối với nền đất sét bão hoà nước, ngay khi tăng tải trọng thì áp lực nước lổ rỗng thặng dư tăng rất nhanh, ứng xử của đất nền là không thoát nước, lộ trình ứng

suất đi từ A đến B (Hình 2.14) Khi hiện tượng cố kết thấm xảy ra, áp lực nước lổ rỗng thặng dư tiêu tán dần lộ trình ứng suất theo đoạn BC, điểm cuối của lộ trình

BC trùng với điểm D, là lộ trình thoát nước khi công trình được gia tải Nếu tải trọng gia tăng lớn thì B sẽ chạm đường giới hạn CSL và điểm khảo sát tương ứng sẽ bị phá hoại dẻo

p (p')

q

BA

CSL:

q = M(p'+ c'cotgϕ')

C, D

M1

Hình 2.14: Lộ trình ứng suất thoát nước và không thoát nước của đất nền trong

mặt phẳng (q, p’)

Có thể nói rằng lý thuyết trạng thái tới hạn là cơ sở lý thuyết quan trọng cho việc xử lý nền đất yếu bằng các biện pháp gia tải trước, đặc biệt là biện pháp xử lý nền đất yếu bằng phương pháp hút chân không

2.3.2.2 Đánh giá ổn định của nền công trình theo lý thuyết nửa không gian biến dạng tuyến tính

Xuất phát từ điều kiện cân bằng giới hạn của một điểm phân tố trong đất nền dưới công trình nền đất đắp có ϕ ≠ 0, c ≠ 0 và γ ≠ 0 dưới tác dụng của tải trọng ngoài có thể viết dưới dạng [6]:

sin θmax =

ϕγ

σσ

σσ

g c

z 2 cot 2

3 1

3 1

×

× +

×

× + +

Trong đó các ký hiệu đã được giải thích trong (2.3)

Trong trường hợp tải trọng tác dụng lên công trình có dạng hình tam giác cân thì các ứng suất chính lớn nhất (σ1) và ứng suất chính nhỏ nhất (σ3) tại một điểm bất kỳ của đất nền (Hình 2.15) được xác định theo các biểu thức :

0

2 1 2 2

0

2 1 2

1 2

πα

αα

α

×

×+

+

R

R R b

z q R

R R z x

0

2 1 2 2

0

2 1 2

1 2

πα

αα

+

R

R R b

z q R

R R z x

×

× +

×

×

−

− + + + + +

×

3 1 3 2

4 1 2 3

2

4 1 3

1 3

1 3 2 1

π

σ

R R

R R b

z R R

R R b

z b

x b

×

3 1 3 2

4 1 2 3

2

4 1 3

1 3

1 3 2 1

π

σ

R R

R R b

z R R

R R b

z b

x b

1

R2 = b× (d + ) +v =R' ×b

2 2 2

1

R3 = b× (d − ) +v =R' ×b

3 2

1

2

' 1

v b

/

2v R ×R nếu d2 + v2 <1

22

a d

4

' 3

v b

a d

4

' 3

v b

Hình 2.16: Sơ đồ để xác định các ứng suất chính trong trường hợp tải trọng có

dạng hình thang cân

Khi tính toán ổn định, trong các công thức xác định ứng suất nêu trên tải trọng q bao gồm tĩnh tải (tải trọng bản thân nền đường và mặt đường), hoạt tải (tải trọng

xe cộ) và tải trọng đặc biệt (chấn động, động đất…)

Tuy nhiên, việc tính toán ứng suất cho trường hợp tải trọng phân bố dạng hình thanh cân rất phức tạp Để đơn giản trong tính tóan, trong một số trường hợp nếu dạng hình thang gần với dạng tam giác thì đưa về dạng tam giác với một tiết diện tương đương có cùng đáy Nếu dạng hình thang gần với dạng phân bố chữ nhật (phân bố đều) thì có thể đưa về dạng chữ nhật với đáy là đường trung bình của hình thang cân

q0,5b 0,5b

θ max ϕ θ max ϕ

θ max ϕHình 2.17: Sơ đồ vùng phá hoại (vùng biến dạng dẻo) trong nền đất dưới nền

đường

Khi đã biết dạng tác dụng, các đặc trưng cơ – lý tính toán của đất nền (c, ϕ…) và các giá trị σ1, σ3 ở các điểm khác nhau trong đất nền, căn cứ vào điều kiện cân bằng giới hạn (2.8) có thể đánh giá mức độ ổn định của các điểm khác nhau trong đất nền Từ đó có thể xác định được vùng phá hoại (vùng biến dạng dẻo) xuất hiện với kích thước lớn hay nhỏ hoặc không xuất hiện (Hình 2.17) Theo đó, đường phá hoại là đường đồng θmax = ϕ, bên trong đường này là vùng chứa các điểm có θmax > ϕ

Mức độ ổn định của nền đường cao hay thấp hay không ổn định là tùy thuộc vào mức độ xuất hiện vùng phá hoại với kích thước nhỏ hay lớn hay không xuất hiện Trên cơ sở những nội dung và những quan niệm nêu trên, có thể giới thiệu một số phương pháp đánh giá ổn định của nền như sau:

2.3.2.2.1 Đánh giá ổn định của nền công trình theo tải trọng an toàn (qat)

Tải trọng an toàn theo nghĩa ở đây là tải trọng giới hạn ban đầu của đất nền Ưùng với tải trọng này vùng phá hoại (vùng biến dạng dẻo) chỉ bắt đầu xuất hiện tại một nhân điểm trên trục đối xứng của tải trọng (đối với dạng phân bố tam giác cân hay dạng phân bố hình thang cân nhưng gần với dạng tam giác cân) các đáy nền đường một độ sâu z ≈ 0,5b (b – nửa chiều rộng của đáy nền đường) Trong một số trường hợp vùng trạng thái ứng suất giới hạn (vùng phá hoại có thể xuất hiện thêm tại nhân điểm ở trong nền đất đối xứng qua trục đối xứng, trước hoặc đồng thời hoặc sau khi xuất hiện nhân điểm phá hoại trên trục đối xứng)

Cần nhận xét rằng, đánh giá ổn định của nền theo tải trọng an toàn có cơ sở và đảm bảo hơn tải trọng cho phép (khi cho phép tồn tại vùng phá hoại trong nền với mức độ hạn chế) vì những lý do sau đây:

- Loại trừ khả năng gây ra biến dạng dẻo Trong nền đất yếu chỉ có biến dạng nén chặt và biến dạng đàn hồi Sức chịu tải của đất nền sẽ tăng theo thời gian Trong trường hợp này, khi vùng phá hoại chỉ tồn tại một nhân điểm, vùng biến dạng từ biến có thể xuất hiện (bao quanh nhân điểm phá hoại) nhưng với mức độ nhỏ, nên nó sẽ bị thu hẹp lại do khả năng cố kết của đất nền

- Từ lý do nêu trên có thể sử dụng một cách hợp lý lý thuyết đàn hồi để xác định trạng thái ứng suất trong nền và để phân tích ổn định của nền

Dựa vào các kết quả nghiên cứu về sự xuất hiện và biến đổi vùng trạng thái ứng suất giới hạn trong nền đất dưới công trình có thể nêu lên các biểu thức sau đây để xác định tải trọng an toàn và hệ số ổn định của nền đất:

Trường hợp tải trọng nền đường phân bố theo dạng tam giác cân hoặc gần bằng với dạng tam giác cân: qat =

o

b c

α

ϕγ

cos

Trong đó, b – nửa chiều rộng của đáy nền đường, c, ϕ, và γ - lần lượt là lực dính, góc nội ma sát, trọng lượng thể tích của đất dưới nền đường, α0 – hệ số phụ thuộc và góc nội ma sát ϕw, hệ số này ứng với trường hợp vùng phá hoại chỉ xuất hiện tại một nhân điểm (Hình 2.18) được xác định theo bảng 2.1:

Căn cứ vào (2.13) khi ϕ = 0 thì tải trọng an toàn tác dụng lên nền đất yếu được

Bảng 2.1: Các giá trị α0 để tính qat

Bảng 2.2 : Trị số η0 trong công thức (2.15)

- Trong trường hợp nền đường phân bố gần với dạng hình chữ nhật có thể xác

định tải trọng an toàn theo công thức O.K Frohlich – N.P Pưrưrevski dùng cho

trường hợp tải trọng phân bố đều (khi vùng phá hoại xuất hiện chỉ tại hai mép

của diện chịu tải): qat =

2

.

πϕϕ

ϕπ

− +

Từ công thức (2.14) và (2.17) tải trọng an toàn trong trường hợp phân bố đều theo

dạng hình thang cân khi ϕ = 0 được giới hạn trong khoảng π.c < qat < 4.c (2.18)

Khi đáy nền đường được đặt sâu một đoạn h vào trong nền đất yếu thì tải trọng

an toàn phải tính thêm tác dụng của cột đất γ.h

Mức độ ổn định của nền đất yếu dưới nền đường được đánh giá theo hệ số ổn

định : Kôđ =

tt

at q

Trong đó qtt – tải trọng tính toán thực tế của nền đường tác dụng lên nền đất yếu

Theo tính chất của tải trọng an toàn, trị của hệ ổn định trong tường hợp này có

thể lấy tối thiểu bằng 1