Phân tích tiến độ thi công nền đường đầu cầu theo ổn định biến dạng nền

Hiện nay, khi xây dựng công trình trên đất yếu thường hay xảy ra các sự cố không mong muốn liên quan đến vấn đề ổn định và biến dạng của công trình.. Tính cấp thiết của đề tài: trong các

-[ \ -

NGUYỄN THANH NAM

PHÂN TÍCH TIẾN ĐỘ THI CÔNG NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU THEO ỔN ĐỊNH - BIẾN DẠNG NỀN

CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ NGÀNH: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2007

CHUYÊN NGÀNH : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ NGÀNH : 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2007

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

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 ………

TP.Hồ Chí Minh, ngày………… tháng……….năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I- TÊN ĐỀ TÀI:

Phân tích tiến độ thi công nền đường đầu cầu theo ổn định - biến dạng nền

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ: Phân tích tiến độ thi công nền đường đầu cầu theo ổn định -biến

dạng nền

2 Nội dung:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết trạng thái tới hạn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định nền đất đắp theo thời gian

Chương 3: Giải pháp cọc đất - vôi/ximăng gia cố nền đất yếu bên dưới đường

đầu cầu

Chương 4: Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D Tunnel phân tích ổn định biến dạng

nền đường đầu cầu theo các giai đoạn thi công

Nhận xét, kết luận và kiến nghị

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2007

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/11/2007

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS CHÂU NGỌC ẨN

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS VÕ PHÁN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS CHÂU NGỌC ẨN

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

Ngày………tháng………năm 2007

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy PGS.TS Châu Ngọc Ẩn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô trong Bộ môn Địa Cơ Nền Móng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn trong suốt thời gian vừa qua

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc cùng tập thể cán bộ, nhân viên Ban Quản lý Dự án Xây dựng ĐHQG TP.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học vừa qua

Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi có được ngày hôm nay

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2007

Học viên thực hiện

Nguyễn Thanh Nam

Tên đề tài:“ Phân tích tiến độ thi công nền đường đầu cầu theo ổn định - biến dạng nền”

Hiện nay, khi xây dựng công trình trên đất yếu thường hay xảy ra các sự cố không mong muốn liên quan đến vấn đề ổn định và biến dạng của công trình Việc khắc phục các sự cố này gặp rất nhiều khó khăn, tốn kém và làm ảnh hưởng đến tiến độ thi công công trình

Vì vậy, trong luận văn này tiến hành tính toán, phân tích ổn định và biến dạng công trình đường đầu cầu trên cơ sở làm việc đồng thời của cả hệ công trình

Kết quả phân tích sự làm việc đồng thời cho phép chọn lựa kết cấu công trình hợp lý hơn và giá trị ứng suất và biến dạng của đất nền phù hợp với điều kiện thực tế

Thesis summary (Master of Science)

Therefore, In the content of this thesis, we perform calculating and analysing the stability and deformation of the street infront of the bridge, which works in the simultaneous combination of pile, concrete plate and the block of covering with soil

The results of this analysis help us choosing the structure of the street infront

of the bridge more reasonable The value of stresses and deformation of soil foundation will be reasonablily evaluated in the practical working condition

1.1 Ứng suất trong môi trường đất 3

1.1.1 Ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng 3

1.1.2 Ứng suất do trọng lượng bản thân 4

1.2 Biến dạng của đất nền 5

1.3 Lộ trình ứng suất 7

1.4 Lý thuyết trạng thái tới hạn 9

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT ĐẮP THEO THỜI GIAN 20

2.1 Khái niệm về độ ổn định và biến dạng của đất 20

2.1.1 Khái niệm về ổn định 20

2.1.2 Các cơ chế phá hoại nền đường trên nền đất yếu 21

2.1.2.1 Phá hoại do nền bị lún trồi 22

2.1.2.2 Phá hoại do nền bị đẩy ngang 23

2.1.2.3 Phá hoại trượt sâu cung tròn qua thân đường và đất nền 24

2.2 Tính toán ổn định nền đất yếu dưới nền đường đắp 25

2.2.1 Các phương pháp tính toán ổn định nền đất yếu theo điều kiện cân bằng giới hạn và lý thuyết đàn hồi 25

2.2.1.1 Đánh giá độ ổn định của nền đất theo tải trọng an toàn (qat) 25

2.2.1.2 Đánh giá độ ổn định của nền đất theo tải trọng cho phép (qtc) 25

2.2.1.3 Đánh giá ổn định của nền đất theo lý thuyết cân bằng giới hạn điểm 26

2.2.2 Tính toán ổn định mái dốc nền đắp 30

2.2.2.1 Phương pháp phân mảnh - cung trượt tròn 30

2.2.2.4 Điều kiện cân bằng moment 33

2.2.2.5 Phương pháp của Fellenius 34

2.2.2.6 Phương pháp của Bishop 34

2.2.2.7 Phương pháp đơn giản hóa của Bishop 34

2.3 Phân tích ổn định - trường hợp thi công một đợt 36

2.4 Phân tích ổn định trường hợp thi công nhiều đợt 37

2.4.1 Nguyên tắc chung 37

2.4.2 Ứng xử của nền đất 37

2.4.3 Phương pháp xác định giá trị tăng lên của cường độ chống cắt 38

2.4.3.1 Đánh giá sự tăng lên của cường độ chống cắt không thoát nước dựa vào quan hệ thực nghiệm 38

2.4.3.2 Xác định sự tăng cường độ chống cắt không thoát nước dựa vào kết quả thí nghiệm mẫu đất trong phòng 43

2.4.3.3 Tóm tắt các cách xác định sự tăng lên của cường độ chống cắt của đất yếu dưới tải nền đắp nhiều giai đoạn đã trình bày 44

CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP CỌC ĐẤT - VÔI/XIMĂNG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BÊN DƯỚI ĐƯỜNG ĐẦU CẦU 45

3.1 Giới thiệu 45

3.2 Phương pháp tính toán cột vôi, cột ciment 49

3.2.1 Khả năng chịu tải của cột đơn 49

3.2.1.1 Khả năng chịu tải theo phá hoại vật liệu cột 49

3.2.1.2 Khả năng chịu tải theo đất nền 60

3.3 Ổn định tổng thể 70

3.3.1 Xác định hoạt tải tính toán 70

3.3.2 Xét ổn định tổng thể 71

3.3.3 Tốc độ lún cố kết của nền gia cố 73

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PLAXIS 3D TUNNEL PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH BIẾN DẠNG NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU THEO CÁC GIAI ĐOẠN THI CÔNG 75

4.1 Giới thiệu về công trình và điều kiện địa chất công trình 75

4.2 Phân tích ổn định theo biến dạng của nền đất yếu tự nhiên dưới khối đất san lấp bằng chương trình Geo - Slope 78

4.3 Tính toán bằng phương pháp giải tích 82

4.3.1 Giải pháp cọc đất trộn ximăng 82

4.3.2 Tính toán sức chịu tải cọc bê tông cốt thép theo chỉ tiêu cơ lý đất nền (theo mô hình bài toán Plaxis) 88

4.4 Phân tích kết quả bài toán Plaxis 90

4.4.1 Mô hình bài toán Plaxis 90

4.4.2 Chuyển vị tổng của hệ công trình 91

4.4.3 Ổn định và biến dạng nền đất yếu dưới nền đường đắp 93

4.4.4 Ổn định và biến dạng của khối đất đắp sau lưng mố trụ cầu 95

4.4.5 Chuyển vị của hệ kết cấu mố trụ cầu theo các giai đoạn thi công 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

MỞ ĐẦU

Quá trình xây dựng công trình ở Việt Nam, đặc biệt là sau ngày thống nhất đất nước năm 1975 cho thấy móng của nhiều công trình công nghiệp, dân dụng, cầu đường đều đặt trên nền đất mềm yếu Đất mềm yếu nói chung là loại đất có khả năng chịu tải nhỏ (áp dụng cho đất có cường độ kháng nén quy ước dưới 0,5 daN/cm2), có tính nén lún lớn, hệ số rỗng lớn (e >1) có môđun biến dạng thấp (Eo < 50daN/cm2), và có sức kháng cắt nhỏ Vì vậy, yêu cầu quan trọng đặt ra cần hiểu rõ đặc trưng địa kỹ thuật công trình, nắm vững và xử lý tốt nền móng bằng các giải pháp thích hợp nhằm xây dựng công trình một cách an toàn và kinh tế

Tính cấp thiết của đề tài: trong các loại công trình trình xây dựng thì

đường là công trình luôn chịu tải trọng động liên tục do đó nền đất bên dưới kết cấu áo đường (đặc biệt là nền đường đắp cao) cần phải đảm bảo sự ổn định về sức chịu tải (theo trạng thái giới hạn thứ nhất) và ổn định về biến dạng (theo trạng thái giới hạn thứ hai) Như vậy để công trình đường được thi công và sử dụng an toàn cần nghiên cứu giải quyết hai nội dung chính:

chịu tải và ổn định nền đường

Thông thường nền đường đầu cầu thường phải đắp (đa phần đắp cao) là nơi chuyển tiếp giữa kết cấu cứng, độ lún nhỏ (mố cầu) và kết cấu mềm, độ lún lớn (nền đường đắp đầu cầu) Vì vậy, khi mố cầu đã lún ổn định thì đường đầu cầu vẫn còn trong giai đoạn chờ lún (phải đắp bù) gây ra hiện tượng lún không đều (lún lệch) nơi chuyển tiếp giữa đường và cầu Lún lệch gây ảnh hưởng đến tốc độ dòng xe và an toàn giao thông khi xe cộ lưu thông qua cầu

Như vậy, việc xử lý nền đắp trên nền đất yếu phải đạt được hai yêu cầu sau:

- Bảo đảm sự ổn định của nền đắp trên đất yếu

thuận) trước khi làm mặt đường

Mục đích của đề tài: phân tích ổn định và biến dạng nền đất bên dưới

đường đắp theo từng giai đoạn thi công thông qua việc phân tích bài toán đắp nền đường đầu cầu trên đất yếu sử dụng giải pháp cọc đất trộn vôi/ximăng gai cố nền đất yếu bằng chương trình Plaxis 3D Tunnel Quá trình thi công đắp nền đường đầu cầu nói riêng và nền đắp nói chung phụ thuộc rất nhiều vào ổn định và biến dạng nền đất yếu dưới nền đắp ở từng giai đoạn thi công Việc tính toán ổn định, biến dạng trong quá trình thi công thực tế giúp đẩy nhanh tiến độ thi công, đề xuất các phương án thi công thích hợp như đắp lớp mới, đắp thêm bệ phản áp hay tiếp tục chờ lún … tránh được các rủi ro trong

quá trình cố kết như đất nền có thể bị biến dạng, gây phá hoại hệ cọc gia cố

đất trộn vôi xi măng hoặc gây ra hiện tượng trượt khối đất đắp, hiện tượng phá hoại do lún trồi nền đất yếu, do nền bị đẩy ngang

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRẠNG THÁI TỚI HẠN

1.1 Ứng suất trong môi trường đất

1.1.1 Ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng

Đặc điểm cơ bản của đất là cấu thành bởi hai thành phần chính: hạt rắn và lỗ rỗng, trong lỗ rỗng chứa nước và không khí Đất bão hòa hoàn toàn thì lỗ rỗng chứa đầy nước là đối tượng nghiên cứu của cơ học đất thông dụng Khi ứng suất bên ngoài truyền lên khối đất bão hòa nước, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng tức thời làm cho nước lỗ rỗng có xu hướng chảy thoát khỏi hệ lỗ rỗng, áp lực nước lỗ rỗng sẽ giảm đi và ứng suất tác dụng truyền dần cho kết cấu hạt của đất Tại một thời điểm sau khi đặt tải, ứng suất tổng tác dụng sẽ cân bằng bởi hai thành phần nội ứng suất:

- Ứng suất tác dụng lên khung hạt gọi là ứng suất hữu hiệu (ký hiệu σ’) Ứng suất hữu hiệu là ứng suất truyền cho kết cấu đất qua chỗ tiếp xúc giữa các hạt Chính thành phần ứng suất này đã điều khiển cả biến dạng thay đổi thể tích và sức chống cắt của đất vì ứng suất pháp và ứng suất tiếp truyền qua được chỗ tiếp xúc hạt với hạt

- Ứng suất tác động lên nước trong lỗ rỗng gọi là áp lực nước lỗ rỗng (ký hiệu u) Áp lực nước lỗ rỗng u là áp lực gây ra trong chất lỏng (nước, hoặc hơi nước và nước) chứa đầy lỗ rỗng Chất lỏng trong lỗ rỗng có thể truyền được ứng suất pháp nhưng không truyền được ứng suất tiếp, vì thế không tạo được sức chống cắt Với lý do này, áp lực nước lỗ rỗng đôi khi được gọi là áp lực trung tính

xác định theo sự chênh lệch giữa ứng suất tổng và áp lực nước lỗ rỗng:

1.1.2 Ứng suất do trọng lượng bản thân [1]

Đây là ứng suất trong nền đất trước khi có tải trọng tác dụng, nền đất ở trạng thái nén thường, chỉ duy nhất do trọng lượng bản thân các lớp đất, chưa từng bị nén trước do chất tải, do đóng cọc, do thành tạo bào mòn địa chất … Việc xác định ứng suất này rất quan trọng đối với việc nghiên cứu biến dạng và ổn định cũng như nghiên cứu độ lún của móng các công trình Vì vậy có thể giả định rằng, trước khi có tải trọng bên ngoài tác dụng, đất ở trạng thái cân bằng tĩnh Xem mặt đất như một mặt phẳng nằm ngang, thì tại một điểm bất kỳ trong đất nền ở độ sâu z, ứng suất do trọng lượng bản thân đất nền gây

γσ

γξσ

Trong đó:

- γ(z) là trọng lượng riêng của đất thiên nhiên, thay đổi theo chiều sâu z

- ξ là hệ số nén hông

Đất được coi là vật thể bán vô hạn cho nên bất kỳ mặt phẳng thẳng đứng nào cũng là mặt phẳng đối xứng Trên mặt phẳng ấy không thể có ứng suất

cắt được Từ đó suy ra trong hệ tọa độ z trục đứng, x, y : nằm trong mặt phẳng nằm ngang

1 ' γ

chính bé nhất và:

Ko: là hệ số áp lực ngang ở trạng thái tĩnh của đất cố kết thường

Theo Jaky đối với đất rời hoặc đất loại cát:

ϕ’: góc ma sát trong điều kiện cắt thoát nước

Đối với đất dính hoặc đất sét cố kết thường Alpan đề nghị:

Ip : chỉ số dẻo

1.2 Biến dạng của đất nền

Đất là vật liệu không liên tục gồm các hạt rắn và các nước lỗ rỗng thông nhau Các hạt rắn dạng hạt (khoáng đá) như sỏi, sạn, cát và một phần hạt bột không giữ nước trên bề mặt, trong khi đó các hạt dạng dạng bản, dạng kim (khoáng sét) lưu giữ nước trên bề mặt hạt, nhờ lực hút tĩnh điện, hình thành các màng nước liên kết (vỏ nước) Đất có thể bão hòa nước (thể tích lỗ rỗng chứa đầy nước) hoặc không bão hoà (đất ít ẩm hoặc ẩm) Trong thế nằm tự

nhiên dù trên mực nước ngầm, do hiện tượng mao dẫn, đất vẫn có thể bão hòa nước (đới bão hòa) hay ẩm (đới thông khí) Dù ở trong vùng khô, đất hạt mịn cũng có thể hút hơi nước bám trong không khí hình thành nước hút bám, tùy thành phần khoáng sét có trong đất

Các hạt đất hình thành các kết cấu dạng hạt (chặt hoặc rời) cho đất hạt thô (sỏi, sạn, cát), dạng tổ ong, dạng bông cho đất hạt mịn (bột, sét) Dạng kết cấu hạt (dù rời) cũng có biến dạng bé hơn dạng tổ ong và dạng bông Do đó, khung hạt đất khi chịu tải trọng do trọng lượng bản thân hoặc tải ngoài sẽ bị biến dạng, được gọi là biến dạng của đất Biến dạng của đất nền tùy thuộc loại khoáng, loại hạt, loại kết cấu hạt, lịch sử hình thành, lịch sử chịu tải… thông qua các đặc trưng vật lý như độ rỗng, tỷ trọng đất…

Biến dạng của đất gồm hai thành phần:

khung hạt có thể phục hồi hình dạng ban đầu: biến dạng đàn hồi

thể tích phần rỗng: biến dạng không hồi phục bằng biến dạng dẻo

Mặt khác có thể phân tích biến dạng của nền đất thành hai dạng chính:

- Biến dạng thể tích: là độ thay đổi thể tích khi chịu tải, thường do các ứng suất pháp tuyến gây ra Biến dạng thể tích dương diễn tả sự giảm thể tích và biến dạng thể tích âm diễn tả sự tăng thể tích Trong đất, sự thay đổi thể tích chủ yếu là do thay đổi thể tích phần rỗng, vì biến dạng hạt rất bé nên thường được bỏ qua Chỉ có ứng suất hữu hiệu mới làm thay đổi kết cấu khung hạt và làm thay đổi thể tích lỗ rỗng Áp lực nước lỗ rỗng có ảnh hưởng gián tiếp lên biến dạng thông qua hệ số thấm Trong đất bão hòa nước, thể tích lỗ rỗng chỉ có thể thay đổi khi nước trong lỗ rỗng phải di chuyển ra hoặc vào một thể tích tương ứng

- Biến hình: là sự thay đổi hình dạng khung hạt không kèm theo biến dạng thể tích hoặc có nhưng rất bé Biến dạng này do ứng suất tiếp tuyến gây ra Ứng suất tiếp tuyến thực chất là do độ chênh lệch ứng suất pháp gây ra nên không chịu ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng

1.3 Lộ trình ứng suất

Trong hầu hết các bài toán về địa kỹ thuật, trạng thái ứng suất đều thay đổi theo thời gian Thay vì phải vẽ các vòng tròn ứng suất Morh để quan sát hoặc phân tích trạng thái ứng suất trong mẫu đất, có thể vẽ điểm có tọa độ là

suất là một điểm chạy dọc trục σ Trong giai đoạn giữ yên σ3, tăng σ1, vòng Mohr lớn dần, điểm khảo sát tương ứng với đỉnh cao nhất của vòng Mohr Lộ trình ứng suất có dạng như sau:

σ

τ

Hình 2.1: Lộ trình ứng suất của thí nghiệm nén ba trục

Có nhiều cách mô tả trạng thái ứng suất khác nhau, tuy nhiên có hai cách được dùng phổ biến là:

Lộ trình ứng suất trong hệ tọa độ (s’, t’)

Theo viện MIT (Lame 1967) các trạng thái ứng suất có thể được biểu thị thuận tiện dựa vào vòng tròn Mohr Các tọa độ của điểm có ứng suất cắt lớn nhất trên vòng tròn Mohr được cho bởi:

Lộ trình ứng suất trong hệ tọa độ (q’, p’)

Theo trường Đại học Cambridge (Roscoe 1958 và các cộng tác viên) đã mô tả lộ trình ứng suất bằng ứng suất trung bình:

3

' ' ' ' , 3

3 2 1 3

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

Với ba lần thí nghiệm, nối các điểm cuối (trạng thái tới hạn) của lộ trình

ứng suất có được đường:

Do vậy thay vì phải vẽ ba vòng tròn Mohr và đường bao chống cắt

s =σ.tgϕ + c, ta vẽ ba điểm cuối của lộ trình ứng suất Tính ra α và a, suy ra ϕ

và c

σ

Hình 2.3: Xác định đặc trưng chống cắt với lộ trình ứng suất

1.4 Lý thuyết trạng thái tới hạn

Dưới điều kiện gia tải nén hoặc cắt ảnh hưởng đến tính phân tán tự nhiên

và tính rỗng của đất làm thay đổi đáng kể thể tích Đồng thời, do phạm vi thay

đổi thể tích thấm nước rất rộng, tốc độ thay đổi thể tích trong một số loại cát,

nhanh đến mức như xảy ra ngay lập tức, ngược lại trong đất sét điều đó có thể

chậm hơn chục triệu lần Do đó, cần thiết phải có quan hệ về sự thay đổi

trạng thái ứng suất nào đó với sự thay đổi thể tích trong thời gian ngắn hoặc thời gian dài Các thông số ϕ’, c’ và cu được xác định từ sự phân tích trạng thái ứng suất dựa theo tiêu chuẩn phá hoại Morh-Coulomb đối với loại đất đã cho có giá trị ở một thể tích nhất định và có thể rất khác ở những thể tích khác

Lý thuyết trạng thái giới hạn nêu ra mô hình thống nhất cho tính chất của đất, trong đó các trạng thái ứng suất và các trạng thái thể tích có mối quan hệ mật thiết Nghiên cứu của khoa công trình trường đại học Cambridge đã nêu

ra mô hình trong đó đất chuyển sang trạng thái dẻo ở thể tích giới hạn (Vc = 1 + ec), nghĩa là chuyển từ tính chất đàn hồi thuần túy đến tính chất đàn - dẻo Sự dẻo hoặc sự trượt cắt được xem như xảy ra do tổ hợp của ứng suất hữu hiệu (σ’1, σ’2, σ’3) và thể tích riêng (v) trùng với một mặt trạng thái biên Mặt trạng thái biên này có thể xem là tương tự ba chiều của đường phá hoại theo tiêu chuẩn Morh-Coulomb

Nghiên cứu một nhóm gồm 6 mẫu thí nghiệm nén ba trục của cùng loại đất sét cố kết bình thường, trong đó từng cặp mẫu được cố kết với cùng giá trị đẳng ứng suất (p’o) trước khi tăng ứng suất chính đến điểm dẻo

Các giai đoạn cố kết : 0 -> C1; 0 -> C2; 0 -> C3

Những mẫu không thoát nước : C1 -> U1; C2 -> U2; C3 -> U3

Những mẫu thoát nước : C1 -> D1; C2 -> D2; C3 -> D3

Hình 2.4: Các đường ứng suất đối với 6 thí nghiệm vẽ trong hệ toạ độ q’/p’

Các đường ứng suất kết thúc trên cùng một đường phá hoại (q’f = Mp’)

nghiệm có thoát nước, sự thay đổi thể tích sẽ xảy ra; ngược lại, trong thí nghiệm không thoát nước, thể tích không thay đổi Do đó, đối với mô hình đầy đủ tính chất ứng suất - biến dạng, những thay đổi thể tích gắn liền với thay đổi ứng suất cần phải được kết hợp chặt chẽ

Khi cố kết dưới tác dụng đẳng ứng suất, đường thay đổi thể tích sẽ dịch chuyển dọc theo đường cố kết bình thường (NCL) như trên hình 2-4b Các đường thể tích - ứng suất vẽ trong hệ tọa độ v/p’, trong đó v là thể tích riêng Các đường có thoát nước C -> D chỉ ra sự giảm thể tích, còn các đường không thoát nước C -> U chỉ ra thể tích không đổi Đường cong vẽ qua các điểm U1,

D1, U2, D2, U3 và D3 biểu thị trong tiêu chuẩn phá hoại trong hệ tọa độ v/p’, đó là một hình ảnh trong tiêu chuẩn phá hoại trong hệ tọa độ q’/p’

Như vậy các hình 2-4a và 2-4b tương ứng là độ cao và mặt bằng của đường tiêu chuẩn phá hoại không gian ba chiều trong hệ tọa độ q’/v/p’ Đường này được gọi là đường trạng thái tới hạn (CSL) Đó là một đường cong vẽ trên mặt biên trạng thái trong không gian ba chiều để biểu thị tính dẻo của đất, có nghĩa đó là ranh giới giữa tính đàn hồi và tính dẻo

Mô hình trạng thái tới hạn được phát triển do việc sử dụng các loại đất sét bão hòa đã chế bị, nhưng nó có thể được thừa nhận là đủ đại diện cho các loại đất sét trong tự nhiên, cung cấp cho ta một mô hình khái quát tính chất của đất Những phương trình định nghĩa và những mối quan hệ có liên quan đến nay đã được thiết lập Đường (CSL) được chiếu lên ba phương như sau:

Hình 2.5: Hình chiếu lên ba phương của đường trạng thái tới hạn

Việc sử dụng các sơ đồ cao độ q’/p’ và mặt bằng v/lnp’ là rất thuận tiện đối với mục đích giải tích

Các kích thước tọa độ:

3

1(σ’1 + σ’2 + σ’3 ) (2.16)

- Thể tích riêng: v = 1 + e (2.17)

- Trong đó Γ - giá trị thể tích riêng (v) tại p’ = 1 KN/m2

λ - độ dốc của đường CSL trong hệ tọa độ v/lnp’

- Trong đó N - giá trị thể tích riêng (v) tại p’ = 1 KN/m2;

λ - độ dốc của đường CSL trong hệ tọa độ v/lnp’

p’=

λ

v

− Γ

Hình 2.6 : Đường trạng thái tới hạn và đường ứng suất khi chất tải không thoát nước trên đất sét cố kết bình thường

Xem hình 2-6, thấy họ các đường ứng suất C -> U và C -> D có các dạng

tương tự Thực vậy, các đường này nằm trên mặt không gian ba chiều mà các

biên của chúng là CSL và NCL Rõ ràng đó là một phần của mặt trạng thái

tới hạn được gọi là mặt Roscoe (theo tên gọi mới đây của giáo sư K.H

Roscoe) Vị trí của đường ứng suất trên mặt Roscoe được xác định bởi áp suất

cố kết (p’o)

Trong trường hợp đất hơi quá cố kết, đường ứng suất sẽ bắt đầu trên

đường nở tại điểm (L) giữa NCL và CSL (hình 2-7), nghĩa là thể tích lớn hơn

thể tích giới hạn và độ ẩm lớn hơn độ ẩm tới hạn Dưới tác dụng gia tải không

thoát nước đường ứng suất là L -> U (thể tích không đổi) và với gia tải có thoát nước đường ứng suất là L -> D

Hình 2.7: Sơ đồ trạng thái tới hạn đối với đất hơi quá cố kết

Đối với đất quá cố kết nhiều thì cố kết sẽ xảy đến điểm nằm trên đường nở dưới đường CSL (điểm H hình 2.8) Dưới tác dụng gia tải không thoát nước, thể tích đất không đổi, đường ứng suất là H -> UH Ở đây, UH là điểm nằm phía trên hình chiếu của CSL đi qua gốc hệ tọa độ q’/p’ Sau khi hoá dẻo, đường ứng suất sẽ tiếp tục kéo dài dọc theo đường thẳng (TS) gặp đường CSL tại S Trạng thái tới hạn chỉ có khả năng đạt được trong vùng đất gần kề với mặt trược có thể phát triển Đất có mức độ quá cố kết càng lớn thì càng cần có biến dạng lớn hơn để đất đạt trạng thái tới hạn

Hình 2.8 : Sơ đồ trạng thái tới hạn đối với đất quá cố kết mạnh

Dưới tác dụng gia tải có thoát nước đất quá cố kết nhiều sẽ giãn nở ra và thể tích tiếp tục tăng sau khi chuyển sang dẻo Đường ứng suất là H -> DH, ở đây DH là điểm phá hoại, cũng nằm trên đường TS Sau khi chuyển sang dẻo, sự tăng thể tích gây nên sự giảm ứng suất tới giá trị còn dư (RH), giá trị này có thể nằm trên hoặc dưới đường CSL Vùng đất lân cận mặt trượt sẽ bị ảnh hưởng nhiều do đó trở nên yếu hơn

Như vậy TS biểu thị một phần của mặt biên trạng thái, nó điều khiển sự dẻo của đất quá cố kết nhiều và được gọi là mặt Hvorslev (theo giáo sư M.J Hvorslev) Phần thứ ba của mặt biên trạng thái nằm giữa O và T trong mặt phẳng q’/p’ Mặt này thể hiện không có ứng suất kéo (σ’3=0) là giới hạn được thừa nhận đối với mọi loại đất và được gọi là mặt giới hạn không bị kéo Hình

2-6 chỉ ra (trong hệ tọa độ q’/p’) phần có thể tích không đổi của toàn bộ mặt biên trạng thái, mà các phương trình định nghĩa của chúng là:

Mặt giới hạn không bị kéo (OT): q’ = 3p’ (2.23)

Mặt Hvorslev (TS): q’ = Hp’+ (M-H)exp

k

p v

λ

' ln

k

s v

Hình 2.10: Mặt biên trạng thái giới hạn đối với biến dạng phẳng

Hình 2.11: Sơ đồ ba chiều của toàn bộ mặt biên trạng thái tới hạn

Mặt biên trạng thái đầy đủ bây giờ hoàn toàn được xác định đối với ứng suất ba trục và biến dạng phẳng Một hình ảnh ba chiều khái quát của toàn bộ

mặt biên trạng thái được chỉ ra trên hình 2.11, trong đó SS là đường trạng thái tới hạn, NN là đường cố kết bình thường và ba mặt hình thành là:

VVTT là mặt giới hạn không bị kéo

TTSS là mặt Hvorslev

SSNN là mặt Roscoe

Điều quan trọng là cần phân biệt tính chất của đất cố kết bình thường và đất quá cố kết

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT ĐẮP THEO THỜI GIAN

2.1 Khái niệm về độ ổn định và biến dạng của đất

2.1.1 Khái niệm về ổn định

Ổn định của nền đất là sự tương quan giữa độ bền, độ bền chống cắt

(theo K.Terzaghi) của đất sét bão hòa nước hoàn toàn liên hệ với ứng suất

hiệu quả như sau :

''

' σ ϕ

c’: lực dính biểu kiến tạo bởi ứng suất hiệu quả

’= -u : ứng suất pháp hiệu quả trên mặt trượt

σ σ

u : áp lực nước lổ rỗng

’: góc ma sát trong tạo bởi ứng suất hiệu quả

ϕ

Độ ổn định của đất trên một diện nào bất kỳ phụ thuộc vào tương quan

giữa sức chống cắt τf và ứng lực cắt τ, từ đó ổn định của nền đất tại một điểm

phân tố được đánh giá theo theo điều kiện:

max< ’ : điểm phân tố ổn định

Ở đây góc lệch lớn nhất của một điểm phân tố bất kỳ trong đất: θmax

được xác định như sau :

ϕγ

σσ

σσ

ctg

z 2 2

3 1

3 1

+ + +

Việc tính toán nền đất yếu không chỉ xác định sức chịu tải và độ lún của

nền đất dựa vào các đặc trưng cơ lý của đất nền ở trạng thái tự nhiên được

Nếu nền đắp được thi công chỉ một lần đến chiều cao thiết kế, thì chiều cao cũng như kích thước mái taluy phải chọn sao cho nền không bị phá hoại trong thời gian thi công cũng như sử dụng, có nhiều phương pháp tính để thỏa mãn được yêu cầu trên

2.1.2 Các cơ chế phá hoại nền đường trên nền đất yếu

Nền đắp trên đất yếu phải bảo đảm ổn định, không bị lún trồi và trượt

sâu trong quá trình thi công đắp nền và trong quá trình khai thác sau này Tránh gây ra sự phá hoại trong nền đất yếu trong và sau khi thi công làm hư hỏng nền đắp cũng như các công trình xung quanh, tức là phải bảo đảm cho nền đường luôn ổn định Các phương pháp thiết kế hiện hành đã tính toán dựa trên các giả thiết cơ chế phá hoại sau:

- Phá hoại do nền bị lún trồi

đường và đất nền

Hiện tượng trượt đất xảy ra phổ biến ở nhiều nơi, nhưng thường chỉ xảy

ra trong những điều kiện nhất định, khi có tình trạng mất cân bằng về trọng lực Trạng thái này thường xảy ra khi lớp vỏ phong hóa dày, vật chất trên sườn dốc bị thấm đẫm nước, chân sườn bị hụt hẫng, vận động kiến tạo và cấu trúc địa chất thuận lợi cụ thể là:

Những nơi có lượng mưa lớn và tập trung với cường độ cao thì nước mưa sẽ thấm vào đất làm tăng trọng lượng của tầng trên mặt và khi đạt đến bề mặt tầng không thấm nước sẽ gây nên hiện tượng xói ngầm Nếu tầng không thấm nước là sét thì khi bị thấm nước sẽ trở nên rất trơn và dễ gây ra trượt đất

Nếu trên bề mặt sườn dốc có hệ thống đứt gãy kiến tạo phát triển sẽ làm cho đất đá vụn nát, có nhiều khe nứt, tạo điều kiện cho nước thấm xuống làm giảm lực kháng cắt của đất đá, từ đó nguy cơ phát sinh trượt đất càng cao hơn Điều kiện về cấu trúc và thế nằm của đá có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình trượt đất Khi các tầng đá có thế nằm cắm về phía thung lũng, tức là nghiêng theo chiều dốc của sườn thì trượt đất dễ xảy ra hơn

Địa hình cao, độ dốc và độ chia cắt ngang lớn sẽ tạo ra năng lượng địa hình lớn, là điều kiện thuận lợi cho các quá trình trượt đất có nguồn gốc trọng lực Vận động kiến tạo hiện đại và các trận động đất cũng gây nên các tai biến trượt lở cộng sinh

2.1.2.1 Phá hoại do nền bị lún trồi [6]

Đối với nền đất yếu sâu có D/BB tb lớn và đồng nhất (sức kháng cắt Su

không thay đổi theo chiều sâu), phá hoại tổng thể gây ra phá hoại của toàn khối đất đắp như một khối cứng (Rowe, 1992)

Toàn bộ nền đắp lún võng vào nền đất yếu đẩy trồi đất yếu tạo thành các bờ đất gần chân taluy

Hình 2.1: Phá hoại của nền đắp do lún trồi

Matar và Salencon kiến nghị lời giải theo hình 2.2:

hạn bởi điểm giữa của taluy nền đắp

- Đất nền thiên nhiên có chiều dày D

0 0

0

1'

τϕτ

Hình 2.2: Toán đồ tính toán của Matar và Salencon

Móng băng có chiều rộng B chịu tải trọng của nền đắp Như vậy ứng suất tác dụng lên móng q=γ*H với H là chiều cao nền đắp và γ là trọng lượng thể tích của đất đắp

Hệ số an toàn F là: F =

H

q q

B tb

Hình 2.3: Phá hoại do nền bị đẩy ngang

2.1.2.3 Phá hoại trượt sâu cung tròn qua thân đường và đất nền [6]

Hình 2.4 Phá hoại trượt sâu qua nền đất yếu và thân đường

Đây là dạng phá hoại phổ biến nhất đối với đường đắp Tùy theo đặc điểm của đất nền và đất đắp, cung trượt nguy hiểm có thể đi qua cả khối đất đắp và đất nền, hoặc chỉ đi qua thân khối đất đắp Đối với nền đất yếu, cung trượt nguy hiểm thường đi qua cả khối đất đắp và đất nền do nền đắp bị lún cục bộ, ngược với lún lan rộng như kiểu lún trồi

Hậu quả của sự lún này là một bộ phận của nền đắp và của đất nền thiên nhiên dọc theo diện tích phá hoại bị chuyển vị và có hình dạng thay đổi theo tính chất và các đặc tính cơ học của vật liệu dưới nền đắp, để đơn giản tính toán thường xem đường phá hoại tương tự một đường cong tròn và sự trượt

được gọi là trượt tròn

Tính toán ổn định nền đất yếu dưới nền đường đắp

2.2

2.2.1 Các phương pháp tính toán ổn định nền đất yếu theo điều kiện cân

bằng giới hạn và lý thuyết đàn hồi

2.2.1.1 Đánh giá độ ổn định của nền đất theo tải trọng an toàn (q at ) [3]

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

0

sin cos 2

α

ϕγ

ϕ b c

b: ½ bề rộng đáy nền đường

ϕ, c: góc nội ma sát, lực dính

: trọng lượng thể tích của đất dưới nền đường

α

ϕγ

ϕ b c

Mức độ ổn định của nền đất được đánh giá theo hệ số ổn định như sau:

tt

at o

q

q

qtt: tải trọng tính toán của công trình

2.2.1.2 Đánh giá độ ổn định của nền đất theo tải trọng cho phép (q tc ) [3]

Tải trọng cho phép là tải trọng tác dụng lên nền đất yếu và gây ra trong nó một vùng biến dạng dẻo với một phạm vi hạn chế để không gây mất ổn định tổng thể của nền đất yếu

Tuy nhiên, khi sử dụng lý thuyết từ biến để phân tích ổn định của nền, đã có nhận xét như sau:

Xung quanh vùng biến dạng dẻo tồn tại vùng biến dạng từ biến

Khi vùng biến dạng dẻo tồn tại một điểm trong nền, vùng từ biến đã

phát triển đến 0,6 bề rộng đáy nền đường Khi vùng dạng dẻo bằng

0,3-0,6b, vùng biến dạng từ biến có bề rộng bằng b Trong trường hợp này, có thể

xảy ra biến dạng từ biến không tắt dần theo thời gian

2.2.1.3 Đánh giá ổn định của nền đất theo lý thuyết cân bằng giới hạn

điểm

Khi nền đất hay mái dốc đất bị mất ổn định, mọi điểm thuộc vùng trượt

đều nằm ở trạng thái cân bằng giới hạn Trong trường hợp bài toán phẳng, hệ

phương trình vi phân cân bằng của một điểm phân tố đất tuân theo quy luật

biến dạng tuyến tính được viết bởi F.Ketter :

∂

∂

0

z x

x z

xz x

xz z

τσ

γτσ

Điều kiện cân bằng giới hạn của một điểm phân tố đất khi các thành

phần ứng suất chính phải thỏa mãn điều kiện cân bằng :

τσ

2

2 2

sincot

2

4 =+

+

+

−

g c

x z

xz x

Trong đó:

1

σ và σ3 - các thành phần ứng suất chính lớn nhất và nhỏ nhất

c, ϕ - lực dính và góc ma sát trong của đất

Hình 2.5: Thành phần ứng suất của phân tố đất

Biểu thức (1.2.4) có thể viết dưới dạng các thành phần ứng suất σx, σz,

Theo định luật đối xứng của ứng suất tiếp, ta có: τxz=τzx

Từ các điều kiện trên ta có hệ phương trình cơ bản sau:

= +

−

=

∂

∂ +

∂

∂

zx xz

z x xz

z x

xz x

zx z

g c

z x

x z

ττ

ϕϕ

σστ

σσ

τσ

γτσ

2 2 2

2 4 ( 2 cot ) sin )

ta đã cố gắng biến đổi đưa hệ phương trình này về các dạng khác nhau để giải Nhiều khi để đơn giản tính toán, phải thêm vào một số giả thiết để đưa bài toán về dạng đơn giản, dễ giải Sau đây là một số phương pháp giải gần đúng hệ phương trình cơ bản trên [7]:

¾ Phương pháp của V.V Socolovski

Giáo sư Socolovski đã biến đổi hệ phương trình (2.11) từ dạng phương trình vi phân đạo hàm riêng về dạng phương trình vi phân thường Sau đó áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải Đây là một trong những lời giải chặt chẽ, tìm ra được họ phương trình mặt trượt và tải trọng giới hạn tác dụng lên nền

¾ Phương pháp của V.G Berezanxev

Giáo sư Berezanxev đã áp dụng lời giải của Socolovski cho bài toán không gian Bằng các thí nghiệm nén đất đến tải trọng giới hạn cho thấy dưới đáy móng hình thành nêm đất nén chặt Sự hình thành nêm đất này chủ yếu

do ma sát giữa đất và đáy móng tạo nên Căn cứ trực tiếp vào kết quả thí nghiệm nén đất, Berezanxev đã kiến nghị hệ thống mặt trượt cho các trường hợp móng băng và móng tròn Từ phương trình hệ thống mặt trượt kiến nghị kết hợp với các phương trình cân bằng và điều kiện cân bằng giới hạn, Berezanxev đã tìm được lời giải

¾ Phương pháp của K Terzaghi

K Terzaghi cũng dựng các mặt trượt dựa trên giả thiết nền là môi trường không trọng lượng (γ = 0 ), nhưng sửa đổi kích thước vùng ứng suất chủ động cho phù hợp với các kết quả thí nghiệm nén đất Theo đó, trong vùng ứng suất chủ động đất bị nén chặt và dính kết với móng tạo thành nêm đất có dạng tam

giác cân với góc ở đáy là ϕ Các mặt trượt được xác định tương tự như trong phương pháp của Reissner

¾ Phương pháp của Jocghenxon

Áp dụng cho trường hợp đất yếu có bề dày H nhỏ hơn nửa bề rộng B của đáy nền đường Tải trọng nền đường quy ước phân bố theo dạng hình tam giác cân Tải trọng giới hạn được xác định theo công thức :

H

B c

¾ Phương pháp của Mandel - Salengen

Áp dụng cho bài toán có bề rộng nền đường B lớn đặt trên nền đất yếu có bề dày H nhỏ (so với chiều rộng B):

c u

B= bề rộng đáy nền đường (qui đổi)

Hy = chiều dày lớp đất yếu

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Hình 2.6: Hệ số chịu tải N C của nền đường

2.2.2 Tính toán ổn định mái dốc nền đắp

2.2.2.1 Phương pháp phân mảnh - cung trượt tròn [13]

Xét một khối đất trên mặt trượt ABCD như trên hình 2.7 Để phân tích, chúng ta chia khối đất trên mặt trượt ra thành n phân mảnh, được phân cách bởi (n – 1) biên thẳng đứng Việc lựa chọn biên phân mảnh thẳng đứng chỉ để thuận tiện trong tính toán Về tổng quát, các mặt phân cách không thỏa điều kiện phá hoại và mối quan hệ giữa lực pháp tuyến và lực cắt là chưa biết Nếu khối đất ở trạng thái ổn định, các điều kiện cân bằng moment và lực phải thỏa trên mỗi phân mảnh và trên cả khối đất Nếu khối đất xảy ra hiện tượng trượt, điều kiện phá hoại phải thỏa tại tất cả các điểm trên mặt ABCD