Cấu tạo của kết cấu áo đường hoàn chỉnh gồm có tầng mặt và tầng móng, mỗitầng lại có thể gồm nhiều lớp vật liệu (Hình 2.1). Tầng mặt: chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng xe chạy (lực thẳng đứng và lựcnằm ngang) và tác dụng của các nhân tố thiên nhiên (mưa, gió, thay đổi nhiệt độ,…).Tầng mặt phải đủ bền trong suốt thời kỳ sử dụng, phải bằng phẳng, có đủ độnhám, chống thấm nước, chống nứt, có khả năng chịu mài mòn tốt, không bụi và ítbong bật.Tầng mặt gồm lớp tạo nhám kiêm chức năng lớp hao mòn bảo vệ (nếu có) vàlớp chịu lực: có thể gồm một, hai hoặc ba lớp phụ thuộc cấp đường, quy mô giaothông. Tầng móng: có thể bố trí các lớp vật liệu có cường độ giảm dần theo chiềusâu, phù hợp với biểu đồ phân bố ứng suất do tải trọng bánh xe truyền xuống nềnđường. Như vậy có thể tận dụng được vật liệu tại chỗ.Lớp móng trên tiếp nhận áp lực của tầng mặt truyền xuống móng dưới và nềnđất, có tác dụng phân bố lực thẳng đứng để khi truyền xuống nền đất ứng suất sẽgiảm đến một mức độ mà nền đất có thể chịu được. Tầng móng có thể làm bằng vậtliệu gia cố chất kết dính vô cơ hoặc hữu cơ, hoặc các vật liệu rời rạc. Ngoài ra nên cốgắng sử dụng vật liệu tại chỗ để làm lớp móng.Lớp móng dưới có chức năng tương tự, nhưng lớp móng dưới cùng ngoài chứcnăng chịu lực, trong một số trường còn có một số chức năng đặc biệt: thoát nước làmkhô nền đường, cách nước cách hơi, tuỳ theo chức năng có thể làm bằng vật liệuthoát nước tốt hoặc vật liệu cách nước cách hơi; (vải địa kỹ thuật, đất sét, đất gia cốhoặc đất đầm chặt cường độ cao)Có hai loại: áo đường cứng và áo đường mềm. Áo đường cứng (mặt đường bê tông xi măng): là kết cấu có khả năng chịukéo khi uốn rất lớn, làm việc theo nguyên lý tấm trên nền đàn hồi, tức là phân bốđược áp lực của tải trọng bánh xe xuống nền đất trên một diện tích rộng làm cho nềnđất phía dưới ít phải tham gia chịu tải. Áo đường mềm: là kết cấu với các tầng lớp không có khả năng chịu uốn hoặccó khả năng chịu uốn nhỏ, dưới tác dụng của tải trọng bánh xe chúng chịu nén vàchịu cắt trượt là chủ yếu. Do đó nền đất cũng tham gia chịu tải cùng với mặt đường ởmức độ đáng kể.Thuộc về áo đường mềm là tất cả các loại áo đường làm bằng các vật liệu khácnhau, trừ mặt đường bê tông xi măng.......
Đất làm nền đường
Đất là vật liệu chính cho việc xây dựng nền đường, và tính chất cũng như trạng thái của đất, bao gồm độ ẩm và độ chặt, có ảnh hưởng lớn đến cường độ và độ ổn định của nền đường Trong khi chương sau sẽ phân tích ảnh hưởng của trạng thái đất, chương này sẽ tập trung vào tính chất của đất, đặc biệt là kích cỡ của các hạt đất, vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất tổng thể của nền đường.
Cỡ hạt đất lớn mang lại cường độ cao, tính mao dẫn thấp, khả năng thấm nước tốt và ít co nở khi tiếp xúc với nước Điều này giúp đất có tính ổn định nước tốt, nhưng lại kém dính và dẻo Ngược lại, đất có cỡ hạt nhỏ sẽ thể hiện những tính chất hoàn toàn trái ngược.
Kích cỡ hạt đất có ảnh hưởng rõ rệt đến việc sử dụng đất trong xây dựng nền đường và mặt đường Do đó, trong quá trình xây dựng, việc phân loại đất dựa trên thành phần hạt là rất quan trọng, giúp xác định khả năng sử dụng của loại đất cho nền đường.
Đất cát là lựa chọn lý tưởng cho nền đường nhờ vào cường độ cao và khả năng thoát nước tốt Tuy nhiên, do tính chất rời rạc và không dính, cần phải có lớp đất dính bao quanh hoặc trộn thêm sét vào cát để tạo lớp bọc chắc chắn Đất cát thường được sử dụng để cải thiện nền đường qua các khu vực lầy lội hoặc đất yếu, cũng như thay thế những phần nền yếu cục bộ, chẳng hạn như hiện tượng hố cao su trong nền đường cũ.
Đất sét có hạt rất nhỏ, nên tính chất của nó hoàn toàn ngược lại với cát; khi ướt, đất sét khó khô và thể tích dễ thay đổi theo trạng thái khô, ẩm Đặc điểm mao dẫn lớn khiến tính ổn định nước của đất sét kém Khi khô, đất sét rất cứng và khó đập vỡ, trong khi khi ướt lại nhão, dễ gây hiện tượng cao su và khó đầm nén chặt Do đó, đất sét chỉ nên được sử dụng để đắp nền đường ở những khu vực cao, thoát nước tốt, và cần có biện pháp đầm nén chặt Khi được đầm nén chặt, đất sét trở nên khó thấm nước, nhưng phương pháp này tốn kém hơn, vì vậy chỉ nên áp dụng cho các lớp phòng nước như lớp phòng nước đắp nền đường có cống và mố cầu.
Đất bụi (0.05-0.005mm) có tính chất kém dính và ổn định nước không tốt, khiến nó trở thành loại đất bất lợi nhất cho xây dựng nền đường Khi gặp mưa, đất bụi dễ bị nhão và xói mòn, trong khi khi khô lại trở nên rời rạc và sinh bụi Đặc biệt, chiều cao mao dẫn của đất bụi rất lớn (0.8-1.5m), và ngay cả khi được đầm nén chặt, cường độ vẫn thấp Do đó, đất chứa nhiều hạt bụi chỉ nên được sử dụng để xây dựng các lớp dưới của nền đường, nơi có tác động thấp.
Đất hữu cơ thường có cấu trúc yếu do cách hình thành của nó, với thành phần hữu cơ có khả năng hút nước mạnh, dẫn đến giảm độ chặt của đất Vì vậy, cần tránh sử dụng loại đất này để xây dựng nền đường.
Đất á cát là vật liệu xây dựng nền đường tối ưu nhờ vào cường độ và độ ổn định nước tốt, với sự kết hợp của các hạt lớn và nhỏ giúp không bị rời rạc Loại đất này cũng dễ dàng đầm nén chặt nhờ vào cấp phối hạt hợp lý Tiếp theo, các loại đất á sét cũng được xem xét trong xây dựng.
Để cải thiện và xử lý đất, cần hiểu rõ các tính chất của nó nhằm đề xuất các biện pháp cấu tạo hiệu quả như thoát nước, đắp cao và gia cố Những biện pháp này giúp khắc phục nhược điểm của từng loại đất, đảm bảo nền đường đáp ứng tốt nhất các yêu cầu kỹ thuật.
Kết cấu nền đường hợp lý
1: đất kín nước (thường là đất sét hoặc á sét) 2: đất thấm nước (sỏi, cuội, cát…)
Cấu tạo nền đường đắp
Nền đường đắp thường được thiết kế theo các trắc ngang định hình như hình 1.3.
Hình 1.3 mô tả các trắc ngang định hình nền đường đắp với các mức cao khác nhau: dưới 1m, từ 1 – 6m, từ 6 – 12m, và nền đường đầu cầu cùng nền đắp dọc song Đối với đất đắp thông thường, mái dốc ta luy thường có tỷ lệ 1:1,5, nhưng khi nền đường đắp cao, độ dốc có thể được điều chỉnh thoải hơn Cụ thể, với chiều cao nền đường đắp từ 6-12m, h 1 nằm trong khoảng 6-8m Đối với chiều cao nền đường đắp từ 2-12m, chiều rộng bậc thềm bảo vệ cần được xác định khi lấy đất thùng đấu cạnh đường.
+ H đắp < 2m, k = 0m + H đắp = 3m, k = 1m + H đắp = 3-6m, k = 2m + H đắp = 6-12m, k = 4m Khi xây dựng nền đường trên sườn dốc, tùy theo độ dốc của sườn dốc mà có các biện pháp xử lý như sau:
Khi độ dốc của sườn dốc nhỏ hơn 20%, chỉ cần trồng cỏ hoặc đào bỏ lớp đất hữu cơ phía trên để xây dựng nền đường trực tiếp trên sườn dốc.
Khi độ dốc của sườn dốc nằm trong khoảng 20 – 50%, cần thực hiện việc đánh cấp như hình 1.4 Đối với thi công thủ công, chiều rộng bậc a sẽ là 1m, trong khi nếu thi công bằng máy, chiều rộng bậc a sẽ tăng lên 3m.
Hình 1.4 Cấu tạo nền đắp trên sườn dốc có độ dốc 20 – 50%
Khi độ dốc của sườn dốc vượt quá 50%, việc đắp đất với mái dốc ta luy 1:1,5 sẽ không khả thi Thay vào đó, cần áp dụng các biện pháp như xếp đá khan hoặc xây dựng tường chắn đất để đảm bảo an toàn và ổn định cho công trình.
Hình 1.5 Cấu tạo các biện pháp chống đỡ nền đường trên sườn dốc a) Xếp đá; b) Xây tường chắn
Cấu tạo nền đường đào
Nền đường đào hoàn toàn và đào chữ L có độ dốc mái dốc ta luy được xác định bởi địa chất và chiều cao của mái dốc Khi tiến hành đào qua nhiều lớp đất đá khác nhau, độ dốc ta luy cũng sẽ thay đổi tương ứng.
Hình 1.6 Cấu tạo nền đường đào a) Nền đào hoàn toàn; b) Nền đào chữ L
Hình 1.7 Cấu tạo nền đào qua các lớp đất khác nhau
Cấu tạo nền đường nửa đào nửa đắp
Thường gặp khi nền đường qua các vùng sườn dốc nhẹ (dưới 50%) Khi thi công cần tận dụng vận chuyển ngang đất từ nửa đào sang nửa đắp (Hình 1.8)
Hình 1.8 §3 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN SƯỜN DỐC
- Nền đường phải đặt trên 1 sườn dốc ổn định
-Trên cơ sở sườn dốc ổn định, nền đường đắp trên nó không bị trượt.
Trường hợp mặt trượt tương đối phẳng
Điều kiện ổn định sườn dốc về mặt cơ học được xác định:
Hình 1.9 Sơ đồ tính ổn định khi mặt trượt tương đối phẳng trong đó: i – độ dốc của sườn dốc f – hệ số ma sát giữa khối trượt trên mặt trượt
- dung trọng đất khối trượt ở trạng thái chứa ẩm lớn nhất, T/m 3 h – chiều dày trung bình của khối trượt, m c – lực dính giữa khối trượt và mặt trượt, T/m 2
- góc nghiêng của mặt trượt so với mặt phẳng nằm ngang.
Trường hợp mặt trượt gãy khúc
Trình tự tính toán như sau:
Tại các vị trí thay đổi độ dốc của mặt trượt, cần vẽ các đường thẳng đứng để phân chia khối trượt thành các đoạn Trên mỗi đoạn, tiến hành tính toán trọng lượng của khối trượt Q i và chiều dài mặt trượt tương ứng l i.
Hình 1.10 Sơ đồ tính ổn định khi mặt trượt gãy khúc b Lần lượt tính toán lực gây trượt Fi đối với từng đoạn của khối trượt theo công thức:
Công thức tính lực gây trượt của khối trượt dưới chân dốc được biểu diễn như sau: Fi = Qi.(K.sini - cosi.tg) + Fi-1.cos(i - i-1) – c.li Trong đó, i là độ dốc nghiêng của mặt trượt đoạn i, c và lần lượt là lực dính và góc nội ma sát của khối trượt (T/m²), và K là hệ số ổn định nằm trong khoảng từ 1,0 đến 1,5 Cuối cùng, lực gây trượt của đoạn khối trượt dưới chân dốc được tính là Fi+1 Nếu Fi+1 nhỏ hơn hoặc bằng 0, khối trượt sẽ ổn định trên sườn dốc, ngược lại nếu lớn hơn 0, khối trượt sẽ không ổn định.
Trường hợp có khả năng phát sinh theo mặt trượt quay
Sườn dốc đất sét đồng nhất thường có trạng thái dẻo mềm và có mặt trượt đã biết hoặc giả thiết, cho phép tính toán mức độ ổn định cơ học bằng phương pháp phân mảnh cổ điển hoặc phương pháp Bishop.
Đánh giá mức độ ổn định của bản thân nền đắp
Theo điều kiện nền đắp không bị trượt trên mặt tiếp xúc giữa nền với sườn dốc:
K R §4 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA MÁI DỐC TA LUY NỀN ĐƯỜNG
Bài toán
Xét một vách đất thẳng đứng, giả thiết khối đất trên nó sẽ bị mất ổn định và trượt theo một mặt trượt nào đó
Hình 1.11 Sơ đồ xét ổn định một vách đất thẳng đứng
Xét điều kiện cân bằng cơ học của một mảnh đất i bất kỳ trên mặt trượt của nó, ta có:
- Lực giữ: trong đó: Qi – trọng lượng mảnh đất i, Qi = di.hi.1m.
, C, - dung trọng, lực dính và góc nội ma sát của đất
Khi T i > N i thì vách đất mất ổn định và ngược lại Ở trạng thái cân bằng giới hạn, ta có T i = N i Tức là:
Chia hai vế cho Q i cos i , ta có:
(1-4) Với đất cát có C = 0, muốn ổn định thì ta luy phải có góc dốc bằng góc nghỉ tự nhiên ( = ), điều này hoàn toàn được chứng thực trên thực tế
Đối với đất dính có C khác không, điều kiện ổn định cơ học của mái dốc phụ thuộc vào chiều cao mái ta luy (h_i) Khi h_i tiến gần 0, góc nghiêng (α_i) tiến gần 90 độ, và khi h_i tiến đến vô cùng, α_i sẽ tiến gần đến góc phi (φ) Do đó, mái ta luy của đất dính nên có dạng trên dốc và dưới thoải để đảm bảo tính ổn định.
Kiểm toán ổn định mái dốc ta luy bằng phương pháp phân mảnh cổ điển
Phương pháp do W Fellenius, một nhà khoa học Thụy Điển, đề xuất vào năm 1926, dựa trên giả thuyết rằng khối đất trên ta luy sẽ trượt theo mặt trượt hình trụ tròn khi mất ổn định Trong bài toán phẳng như hình 1.12, khối đất trượt được phân chia thành các mảnh hình trụ tròn.
Hình 1.12 Sơ đồ xét ổn định mái dốc ta luy theo phương pháp phân mảnh cổ điển
Xét mảnh thứ i sẽ chịu tác dụng của trọng lượng bản thân Pi, Pi được phân thành hai thành phần:
- Lực giữ: N i tg i + ci.li
Để đánh giá mức độ ổn định của ta luy đối với mặt trượt giả thiết có tâm O và bán kính R, cần so sánh tổng mô men do các lực gây trượt Ti của các mảnh i với tổng mô men cản trở trượt của các mảnh i Hệ số ổn định K được xác định theo một công thức cụ thể.
(1-5) với L – chiều dài cung trượt của cả khối trượt
Hệ số ổn định K được xác định cho một mặt trượt cụ thể, nhưng điều này không đảm bảo rằng mặt trượt đó là mặt trượt nguy hiểm nhất Cần xác định mặt trượt có trị số K nhỏ nhất (K min) để đánh giá đúng mức độ nguy hiểm.
Nguyên tắc tìm K min cho mái ta luy là giả định nhiều mặt trượt khác nhau Với mỗi mặt trượt, ta tính được một trị số K Cuối cùng, chọn trị số K nhỏ nhất trong số các giá trị đã tính để đánh giá mức độ ổn định cơ học của mái ta luy.
Dựa theo kinh nghiệm để tìm nhanh trị số Kmin ta làm như sau (Hình 1.13): + Đối với nền đường đắp, các giá trị và tra bảng 1.1
31 Sau khi xác định được trị số Kmin, có thể đánh giá mức độ ổn định của ta luy theo công thức:
Kôđ – hệ số ổn định (1,0 – 1,1)
+ Khi xét lực động đất W i thì lấy K ôđ = 1,0 + Riêng sử dụng C u ở phòng thí nghiệm: K ôđ = 1,1
Hình 1.13 Sơ đồ xác định đường quỹ tích tâm trượt
+ Đối với nền đường đào, các giá trị , và tra bảng 1.2
Đường quỹ tích tâm trượt
Đường quỹ tích tâm trượt
Bảng 1.2 Độ dốc mặt đất 1:n
Việc tính toán hệ số ổn định tương tự như phương pháp phân mảnh cổ điển, nhưng có sự khác biệt ở chỗ mỗi mảnh trượt Bishop sẽ xem xét thêm các lực đẩy ngang tác động từ hai phía của mảnh trượt Điều này không phụ thuộc vào vị trí của các lực, và đồng thời cũng cần xem xét phương trình cân bằng lực theo hướng tiếp tuyến với cung trượt l i.
Hệ số ổn định Kôđ = 1.4 §5 TÍNH TOÁN NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU
Khái niệm về đất yếu
Các loại đất yếu thường có đặc điểm như đất sét lẫn hữu cơ, hàm lượng nước cao và trọng lượng thể tích nhỏ Chúng có độ thấm nước rất thấp, cường độ chống cắt nhỏ và khả năng nén lún lớn Tại Việt Nam, các loại đất yếu phổ biến bao gồm đất sét dẻo mềm, đất sét dẻo chảy, đất bùn sét và đất đầm lầy than bùn.
* Tùy theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có thể có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ:
Đất có nguồn gốc khoáng vật bao gồm các loại đất sét và á sét chặt, hình thành từ trầm tích trong môi trường nước, với điều kiện độ ẩm W ≥ Wch và chỉ số e ≥ 1,5 cho sét, e ≥ 1 cho á sét Lực dính của chúng theo kết quả cắt nhanh không thoát nước C u ≤ 0,15 daN/cm² và từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường Cu ≤ 0,35 daN/cm² So với bùn, loại đất này có cường độ cao hơn và đặc điểm nổi bật là tính dẻo, trong đó yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến độ dẻo là thành phần khoáng vật.
phần nhóm hạt có kích thước nhỏ hơn 0,002mm và hoạt tính của chúng đối với nước Hàm lượng hữu cơ có thể (10 -12)%
+ Bùn cát, bùn cát mịn: e ≥ 1, độ bão hòa G > 0,8, loại này có hệ số cố kết lớn nên lún nhanh
Đất có nguồn gốc hữu cơ là loại đất yếu được hình thành từ sự phân hủy của các tàn tích hữu cơ, chủ yếu từ thực vật, tại các đầm lầy Loại đất này có hàm lượng hữu cơ từ 20% đến 80%, thường có màu đen hoặc nâu và cấu trúc không mịn, vẫn còn chứa tàn dư thực vật Dựa vào hàm lượng hữu cơ, đất hữu cơ có thể được chia thành ba loại, trong đó loại đất nhiễm than bùn có hàm lượng hữu cơ từ 20% đến 30%.
+ Hàm lượng hữu cơ: 30 – 60%: đất than bùn
+ Hàm lượng hữu cơ: > 60%: than bùn
* Phân loại trạng thái tự nhiên của đất yếu:
- Đất yếu loại sét, á sét được phân loại theo độ sệt B:
B > 1: Bùn sét (đất yếu ở trạng thái chảy) 0,75 < B ≤ 1: đất yếu dẻo chảy
Đối với đường cao tốc và các công trình đặc biệt, khi chiều cao nền đường đắp từ 8 đến 10m trở lên, cần áp dụng các biện pháp khảo sát tương tự như với đất yếu cho các loại đất sét hoặc á sét dẻo mềm có chỉ số B từ 0,50 đến 0,75.
- Đất đầm lầy than bùn chia làm ba loại:
+ Loại I: có độ sệt ổn định, vách đào thẳng đứng sâu 1m vẫn duy trì ổn định trong 1 – 2 ngày
+ Loại II: có độ sệt không ổn định, không đạt tiêu chuẩn loại I nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy
+ Loại III: đất than bùn ở trạng thái chảy.
Tính toán nền đắp trên đất yếu
a Tính toán ổn định do lún trồi
Các lý thuyết tính toán có thể chia là ba nhóm chủ yếu sau:
Phương pháp tính toán dựa trên giả định mặt trượt đã được xác định trước, áp dụng điều kiện cân bằng giới hạn cho các điểm trên mặt trượt Toàn bộ khối đất trượt được coi như một vật thể rắn trong trạng thái cân bằng tĩnh học.
Phương pháp tính toán nửa không gian biến dạng tuyến tính áp dụng điều kiện cân bằng giới hạn để nghiên cứu ranh giới khu vực biến dạng dẻo, từ đó xác định mức độ phát triển của các khu vực này.
Phương pháp tính toán dựa trên lý luận cân bằng giới hạn trong môi trường rời áp dụng điều kiện cân bằng cho tất cả các điểm trong khu vực trượt, từ đó xác định các mặt trượt và suy ra trạng thái giới hạn của nền.
- Tính toán ổn định do lún trồi:
F = (1-8) Ở đây: q gh – áp lực giới hạn trên đất yếu q – ứng suất do đất đắp nền đường ở tim đường
Hình 1-14: Sơ đồ phá hoại của nền đường có đáy rộng qgh = (+2).Cu (1-9) Ở đây: C u – lực dính không thoát nước
Khi chiều rộng nền đường đắp (B) lớn hơn chiều dày lớp đất yếu (h) với tỷ lệ B/h > 1,49, áp lực giới hạn trên đất yếu được tính theo công thức: q gh = C u N c, trong đó Nc là hệ số thay đổi theo tỷ số B/h, được tra trong toán đồ hình 1.15.
Hình 1.15 Hệ số chịu tải N c của nền đường
Trường hợp >1,49: q gh = C u N c (1-10) Ở đây: Cu = f( ), tra toán đồ q = .H Ở đây: - dung trọng đất đắp
H – chiều cao nền đắp b Tính toán ổn định do trượt mái dốc
Khi đánh giá sự mất ổn định của nền đường do trượt trên đất yếu, trượt sâu qua nền là hiện tượng phổ biến ở các công trình trên nền đất yếu bão hòa nước Phương pháp phân mảnh cổ điển và phương pháp Bishop với mặt trượt tròn được sử dụng để tính toán và đánh giá mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu.
Khi kiểm tra ổn định và dự báo lún của nền đắp trên đất yếu, các tải trọng tính toán bao gồm tải trọng đắp nền, tải trọng gia tải trước, tải trọng xe cộ và tải trọng động đất Tất cả các tải trọng này được đưa về bài toán phẳng và xác định tương ứng với phạm vi phân bố trên 1m dài của nền đường.
Tải trọng đắp nền và gia tải trước được xác định dựa trên hình dạng thực tế của đắp, thường là hình thang với mái dốc thiết kế Trong một số trường hợp, có thể có thêm phản áp hoặc khi tiến hành đào bớt đất yếu trước khi đắp, sẽ xuất hiện hai dải tải trọng phản áp vô hạn ở hai bên.
Tải trọng xe cộ được định nghĩa là trọng lượng tối đa của các phương tiện nặng có thể đỗ kín trên toàn bộ bề rộng của nền đường, được phân bố đều trên mỗi mét chiều dài của đường.
h B h B trọng này được quy đổi tương đương thành một lớp đất đắp có chiều cao là h x như sau: hx = (1-11)
G – Trọng lượng một xe (chọn xe nặng nhất), (Tấn) n – Số xe tối đa có thể xếp được trên phạm vi bề rộng nền đường
- Dung trọng của đất đắp nền đường, (T/m 3 ) l – Phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc, (m)
Bề rộng phân bố ngang của các xe (B) phải nhỏ hơn bề rộng nền đường, trong khi khoảng cách giữa hai bánh xe theo phương ngang cầu (b) cần được đảm bảo Khoảng cách ngang tối thiểu giữa các xe (d) cũng là yếu tố quan trọng, cùng với bề rộng lốp đôi hoặc vệt bánh xích (e) để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc vận hành giao thông.
Khi kiểm tra ổn định của nền đường đắp trên đất yếu, cần xem xét tải trọng xe cộ, trong
Phương pháp phân mảnh cổ điển dựa trên sơ đồ hình 1.16, trong đó hệ số ổn định K j được tính cho mặt trượt tròn có tâm O j theo công thức (1-12).
Mảnh trượt i trong hình 1.16 chịu tác dụng của trọng lượng bản thân Q i và lực động đất W i Nếu có rải vải địa kỹ thuật để tăng cường ổn định, toàn khối trượt sẽ còn chịu tác dụng của lực giữ F Các lực này có cánh tay đòn so với tâm trượt Oj, với Yi là cánh tay đòn của lực Wi và Y là cánh tay đòn của lực F Đối với mặt trượt trụ tròn có tâm Oj, Yi sẽ được xác định.
l i – Chiều dài cung trượt trong phạm vi mảnh i n – Tổng số mảnh trượt được phân mảnh trong phạm vi khối trượt
i – Góc giữa pháp tuyến của cung li với phương của lực Qi
Bán kính đường cong của cung trượt được ký hiệu là Rj, trong đó ci và i đại diện cho lực dính đơn vị và góc ma sát trong của lớp đất chứa cung trượt l i của mảnh trượt i Nếu cung l i nằm trong vùng nền đắp, cần sử dụng trị số lực dính và góc ma sát trong của đất đắp Đối với vùng đất yếu hoặc không yếu nằm dưới nền đắp, khi áp dụng kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường, coi như i = 0, và lực dính ci được xác định bằng sức chống cắt tính toán Cu i.
Khi không thể thực hiện thí nghiệm cắt cánh tại hiện trường, chỉ lúc đó mới được sử dụng đặc trưng sức chống cắt dựa trên kết quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước trong phòng thí nghiệm.
S s – Sức chống cắt nguyên dạng (MPa) không thoát nước từ thí nghiệm cắt cánh hiện trường
Hệ số hiệu chỉnh theo Bjerum xem xét ảnh hưởng bất đẳng hướng của đất, tốc độ cắt và tính phá hoại liên tiếp của nền đất yếu, phụ thuộc vào chỉ số dẻo của đất.
Tăng bề rộng nền đường, làm bệ phản áp
Nhằm tăng độ ổn định, giảm khả năng trồi đất ra hai bên
Bệ phản áp không chỉ có chức năng chống lại sự trồi đất hai bên chân ta luy, mà còn giúp phòng lũ, chống sóng và ngăn ngừa thấm nước Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc sử dụng bệ phản áp có thể làm tăng độ lún của đất đắp nền đường.
Hình 1.17 Sơ đồ cấu tạo bệ phản áp
Kích thước bệ phản áp thường lấy như sau: h < (1/2 -1/3).H; L = (2 – 3).D hoặc vượt quá phạm vi cung trượt nguy hiểm nhất từ 1-3m Bệ phản áp dốc ra ngoài 2%, K ≥ 0,9
Các yếu tố thể hiện trên hình vẽ
Phương pháp này thích hợp cho việc sử dụng đất hoặc cát thông thường, nhưng cũng có thể áp dụng cho đất có lẫn hữu cơ khi cần thiết, và không bị giới hạn về phạm vi đắp.
Giải pháp này không thích hợp với các loại đất yếu là than bùn loại III và bùn sét.
Đào bỏ một phần hoặc toàn bộ đất yếu
- Thời hạn yêu cầu đưa đường vào sử dụng là rất ngắn
- Khi các đặc trưng cơ lý của đất yếu nhỏ mà việc cải thiện nó bằng cố kết không có hiệu quả
Việc đào đất yếu bằng máy đào gầu dây đến độ sâu 2-3m và đắp lấn ngay tại chỗ giúp tăng cường ổn định, giảm độ lún và thời gian lún Phương pháp này đặc biệt hiệu quả cho lớp đất yếu có bề dày nhỏ hơn vùng ảnh hưởng của tải trọng đắp Đất yếu sau khi đào có thể được sử dụng làm bệ phản áp, và chiều sâu cần thiết của việc đào có thể được xác định thông qua tính toán ổn định, đảm bảo các yêu cầu về ổn định và lún Hình dạng mặt cắt ngang của đất yếu nên là hình thang, với đáy dưới bằng bề rộng của nền đường và đáy trên bằng bề rộng chân taluy.
+ Đào hoàn toàn đất yếu trong trường hợp chiều dày lớp đất yếu ≤ 2m
Đất yếu thường là than bùn loại I hoặc á sét, với đặc điểm là sét dẻo mềm, dẻo chảy Khi lớp đất yếu có chiều dày lớn hơn 4 – 5m, có thể đào một phần để đảm bảo bề dày của lớp đất yếu còn lại chỉ bằng 1/2 đến 1/3 chiều cao nền đường đắp, bao gồm cả phần đắp chìm trong đất yếu Nếu chiều dày lớp đất yếu dưới 3m nhưng cường độ thấp, như than bùn loại II, III, bùn sét (B >1) hoặc bùn cát mịn, thì có thể sử dụng đá 0,3m để chìm đến đáy lớp đất yếu, hoặc kết hợp giữa việc bỏ đá và đắp quá tải để nền tự lún đến đáy lớp đất yếu trong quá trình nâng cấp, cải tạo hoặc mở rộng đường.
+ Hoặc có thể dùng cọc tre đóng với mật độ 25 cọc/m 2 , chiều dài cọc 2 – 2,5m; hoặc có thể dùng cọc cừ tràm đóng với mật độ 16 cọc/m 2 , chiều dài cọc 3 –5m;
Giảm trọng lượng nền đắp
Có thể thực hiện bằng hai cách:
Giảm chiều cao nền đắp đến mức tối thiểu cho phép là rất quan trọng, với quy định H min từ 1,2m đến 1,5m tính từ chỗ tiếp xúc với đất yếu, đặc biệt là ở các tuyến đường cao tốc và đường có nhiều xe tải nặng Đối với các loại đường khác, chiều cao này có thể thấp hơn, từ 0,8m đến 1m tính từ bề mặt tầng đệm cát, nhằm đảm bảo rằng khu vực tác dụng của nền đường không bao gồm vùng đất yếu.
- Dùng vật liệu nhẹ đắp nền đường như dăm bào, mạc cưa, bê tông xenlulô,…
Làm lớp đệm cát
Lớp đệm cát thường được sử dụng để tăng tốc độ thoát nước và cải thiện khả năng cố kết của nền đất yếu dưới lớp đất đắp Độ dày của lớp đệm cát cần đạt ít nhất bằng tổng độ lún S và không nhỏ hơn 50cm Ngoài ra, lớp đệm cát còn giúp cải thiện sự phân bố ứng suất lên đất yếu, phù hợp với nhiều điều kiện khác nhau.
- Đắp trực tiếp trên nền đất yếu
- Bắt buộc phải có khi áp dụng các giải pháp thoát nước cố kết theo phương thẳng đứng
Hình 1.18 Làm lớp đệm cát a) Đặt trực tiếp trên nền đất yếu b) Sau khi đào bỏ một phần lớp đất yếu
Đắp trực tiếp trên nền đất yếu
Để đảm bảo tính ổn định và lún của nền đắp, cần thiết phải có một lớp đệm cát dày tối thiểu 50cm, mở rộng thêm 0,5 – 1m ở mỗi bên chân taluy Lớp đệm này nên có hệ số K = 0,9.
Trên các khu vực có đất yếu, lớp vỏ bề mặt không thuộc loại đất yếu thường có độ dày từ 1-2m, trong khi chiều cao nền đắp cần thiết sẽ là từ 2-3m Nếu lớp vỏ bề mặt đất yếu dày hơn 2m, chiều cao nền đắp sẽ tăng lên từ 3-4m.
- Trên vùng than bùn loại I hoặc đất yếu dẻo mềm có bề dày < 1-2m
- Trên vùng bùn cát, bùn cát mịn (loại này có hệ số cố kết lớn nên lún nhanh)
- Ngoài ra, nền đắp dự báo ít lún hoặc lún nhanh nhưng nếu đắp ngay đến cao độ thiết kế thì ổn định không đảm bảo.
Sử dụng biện pháp đắp nền từng lớp kết hợp với biện pháp gia tải
Thích hợp khi thời gian thi công không bị khống chế
Bè thường được chế tạo từ tre, gỗ hoặc các bó cành cây, là một phương pháp truyền thống hiệu quả Phương pháp này có ưu điểm thi công đơn giản, trọng lượng nhẹ và tận dụng các vật liệu địa phương như tre, nứa, và cừ tràm.
Lớp đệm cát Đất yếu
Lớp đệm cát Đất yếu a) b)
Dùng cọc cát, bấc thấm
Mục đích là mao dẫn nước trong đất yếu ra ngoài bằng đường thấm thẳng đứng, tăng nhanh độ cố kết của đất yếu.
Dùng vải địa kỹ thuật
Để tăng cường ổn định cho nền đường, cần đào bỏ phần đất yếu và rải vải địa kỹ thuật, sau đó đắp đất nền lên trên và lu lèn chặt Vải địa kỹ thuật giúp chống cắt trượt, đảm bảo tính toàn khối cho nền đường Chế độ thủy nhiệt của nền đường cũng cần được chú ý để duy trì độ bền vững.
Chế độ thủy nhiệt của nền đường
Chế độ thủy nhiệt của nền đường là quy luật thay đổi và phân bố độ ẩm tại các điểm khác nhau trong đất nền theo thời gian Quy luật này chịu ảnh hưởng lớn từ sự biến đổi nhiệt độ, bao gồm khả năng bốc hơi nước và sự vận động của nước trong đất Do đó, chế độ thủy nhiệt có mối liên hệ chặt chẽ với sự thay đổi nhiệt độ trong nền đường.
Chế độ thủy nhiệt của nền đường chịu ảnh hưởng lớn từ quy luật thời tiết và khí hậu, cùng với các yếu tố thiên nhiên đặc trưng của khu vực xây dựng.
Nghiên cứu chế độ thủy nhiệt của nền đường nhằm xác định quy luật thay đổi và phân bố độ ẩm của đất theo thời gian, tương ứng với các kết cấu nền mặt đường khác nhau ở các vùng thiên nhiên khác nhau Qua đó, có thể nắm bắt quy luật phân bố độ ẩm trong các điều kiện bất lợi và đề xuất biện pháp cải thiện tình trạng này, như ngăn chặn nguồn ẩm và tăng cường độ cho đất nền đường.
Các nguồn ẩm ảnh hưởng đến nền đường
Nền đường ô tô có thể chịu ảnh hưởng của các nguồn ẩm như hình 1.19
Hình 1.19 Các nguồn ẩm ảnh hưởng đến nền đường
1 Nước mưa; 2 Nước mặt; 3 Nước ngầm; 4 Hơi nước
1 Nước mưa: thấm qua lề đường và mặt đường vào khu vực đất nền đường Nếu mặt đường không thấm nước, lề đường được gia cố và đủ dốc thì ảnh hưởng của nguồn ẩm này giảm đi rất nhiều
2 Nước mặt: gồm nước đọng ở rãnh dọc, nước ngập hai bên thân nền đường khi qua vùng đồng lúa, khi có kênh mương thủy lợi đi dọc theo hai bên tuyến,… lâu ngày ngấm vào nền đường làm cho nền đường luôn bị ẩm ướt và làm giảm cường độ
3 Nước ngầm: mao dẫn lên thân nền đường từ phía dưới, nhất là nền đường vùng đồng bằng, vùng lầy Còn ở vùng đồi núi thì ảnh hưởng mao dẫn của nước ngầm đối với nền đường thường không đáng kể
4 Hơi nước: thường di chuyển trong các lỗ rỗng của đất theo chiều của dòng nhiệt (từ nóng đến lạnh) Sự thay đổi nhiệt độ theo mùa ở nước ta khá lớn cũng tạo điều kiện cho hơi nước di chuyển liên tục trong thân nền đường làm cho nền đường luôn bị ẩm ướt §8 TÍNH TOÁN PHÂN BỐ ẨM TRONG THÂN NỀN ĐƯỜNG CHỊU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC PHÍA DƯỚI VÀ NƯỚC NGẬP HAI BÊN VAI ĐƯỜNG
1 Tính toán phân bố ẩm trong thân nền đường
Nền đường ở nước ta thường bị ảnh hưởng bởi nước ngầm từ dưới và nước mưa thấm từ hai bên Để tính toán phân bố ẩm trong nền đường, người ta thường áp dụng phương trình truyền dẫn ẩm một chiều.
Hình 1.20 Sơ đồ tính toán phân bố ẩm
Độ ẩm của đất nền đường (W) thay đổi theo vị trí (x hoặc z) và theo thời gian (T) Hệ số truyền dẫn ẩm (a) được tính toán bằng m²/giờ Điều kiện ban đầu cần được xác định rõ ràng để đảm bảo tính chính xác trong quá trình nghiên cứu.
W(x,z; T=0) = W0 xem như nền đường ban đầu có độ ẩm đồng nhất bằng W 0
W(x=0,z=0; T) = W max xem như tại vị trí tiếp xúc với nguồn ẩm, đất đạt tới độ chứa ẩm lớn nhất là
Do tính chất đối xứng của nước ngập hai bên, tại tim đường không xảy ra sự trao đổi ẩm Tương tự, tại đáy kết cấu áo đường cũng có thể xem như không có sự trao đổi ẩm do mặt đường kín.
, Lời giải của phương trình trên với các điều kiện này có dạng:
, hay được tra toán đồ
(Bài toán mao dẫn từ dưới lên thì biến số x được thay bằng z, thông số kích thước L được thay bằng H).
Sự phân bố ẩm trong thân nền đường
Phân bố ẩm trong nền đất được xác định qua lý thuyết hoặc thực nghiệm, thể hiện qua sự giảm dần độ ẩm từ nơi tiếp xúc với nguồn ẩm Điều này đặc trưng cho nền đất đã được đầm nén đến độ chặt nhất định.
Khi di chuyển đến một vị trí cách xa nguồn ẩm với khoảng cách x max (hoặc z max theo phương thẳng đứng), độ ẩm tại vị trí đó chỉ tăng thêm một lượng nhỏ so với độ ẩm ban đầu W0, cụ thể là e x 0.
T1