Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam sở hữu hệ thống sông suối dài khoảng 25.000 km và bờ biển hơn 3.000 km, khiến các công trình thủy lợi như đê sông, bờ bao, đê biển trở nên thiết yếu cho đời sống và sản xuất của người dân Hệ thống đê sông và đê biển với tổng chiều dài gần 8.000 km đã được xây dựng và phát triển qua nhiều thế hệ Tuy nhiên, do lịch sử chiến tranh và thiên tai, nhiều tuyến đê đã xuống cấp, không còn đảm bảo bảo vệ nhà cửa và đất đai trong mùa lũ Các đê chủ yếu được làm từ vật liệu địa phương và do người dân tự tay xây dựng, thường có chiều cao thấp và bề rộng chỉ 2-3 m, gây khó khăn cho việc bảo trì Để đáp ứng nhu cầu cuộc sống, việc xây dựng các tuyến đê mới, đặc biệt là đê lấn biển, là điều cần thiết.
Xây dựng mới tuyến đê trên nền đất yếu hiện nay gặp nhiều khó khăn do sử dụng vật liệu địa phương và phương pháp thủ công Hai giải pháp chính là mở rộng mặt cắt và xử lý nền, nhưng chúng dẫn đến khối lượng thi công lớn và thời gian kéo dài Nhiều địa điểm không thể thực hiện do không đáp ứng được khối lượng vật liệu, yêu cầu kỹ thuật và tiến độ xây dựng.
Việc nghiên cứu áp dụng công nghệ mới trong xây dựng, đặc biệt là gia cường ổn định mái đê bằng cốt địa kỹ thuật, là cần thiết và cấp bách nhằm tăng cường độ ổn định cho các công trình đắp Giải pháp này không chỉ đáp ứng yêu cầu về ổn định đê mà còn kết hợp hiệu quả với giao thông, chống xói lở khi tràn nước, thu nhỏ mặt cắt và hệ số mái đê Ngoài ra, phương pháp này dễ thi công, rút ngắn thời gian hoàn thành và giảm khối lượng đào đắp, từ đó mang lại hiệu quả kinh tế cao Đề tài "Nghiên cứu giải pháp gia cường ổn định mái dốc bằng cốt địa kỹ thuật – Ứng dụng cho đê biển Kim Sơn – Ninh Bình" vì thế có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng.
Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Hệ thống hóa cơsở lý luận về công nghệ đất có cốttrong xây dựng và phân tích cơchế làm việc kết cấu đất có cốt.
- Nghiên cứu, đánh giá ổn định của mái đê có cốt bằng những phương pháp hiện có, từ đó lựa chọn phưong pháp phân tích hợp lý
Phần mềm ReSSA(3.0) được sử dụng để tính toán độ ổn định của mái có cốt khi thay đổi các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và đất đắp Kết quả thu được sẽ được lập thành biểu đồ mối quan hệ, giúp tra cứu dễ dàng trong quá trình thiết kế sơ bộ.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Lịch sử hình thành công nghệ đất có cốt
Đất được xem như một loại vật liệu xây dựng chỉ chịu nén, tương tự như bê tông, nhưng có đặc tính cơ học kém, đặc biệt không chịu kéo và chịu cắt Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã gia cố đất bằng các chất liên kết và vật liệu cốt như tre, gỗ, kim loại, cao su, và vải địa kỹ thuật, giúp tăng khả năng chịu kéo và chịu cắt Việc bố trí cốt với kích thước và mật độ nhất định trong quá trình xây dựng giúp tăng cường ổn định cho công trình nhờ vào ma sát giữa đất và cốt Ý tưởng sử dụng đất có cốt không phải là mới, đã được áp dụng từ hàng ngàn năm trước trong các công trình như tháp cổ Ai Cập và Vạn Lý Trường Thành Tại Việt Nam, dân gian đã sử dụng rơm rạ để cải thiện chất lượng gạch sống và làm vữa trát tường, trong khi các công trình như đê quai lấn biển cũng được xây dựng bằng cành cây và thân cây Sự kết hợp giữa cốt có khả năng chịu kéo cao và đất chịu nén tốt tạo ra vật liệu tổng hợp nửa cứng với độ bền cao, mặc dù kỹ thuật này vẫn còn mang tính chất kinh nghiệm và chưa được hiểu rõ hoàn toàn.
Năm 1963, kỹ sư cầu đường người Pháp Henry Vidal đã đề xuất sử dụng đất có cốt để xây dựng công trình, với thiết kế cốt bằng dải kim loại thép không rỉ trong đất đắp chất lượng cao như cát và sỏi cuội sạch nhằm tạo ra ma sát cần thiết Mặc dù nhiều công trình đã áp dụng, nhưng chi phí xây dựng rất cao Sự ra đời của cốt dạng lưới (lưới thép) đã mang lại hiệu quả kinh tế lớn hơn, nhờ khả năng chịu kéo cao và khả năng sử dụng với các loại đất đắp tại chỗ có chất lượng thấp và giá thành rẻ hơn.
Vải địa kỹ thuật, ra đời vào cuối những năm 60, đã đánh dấu một bước tiến đột phá trong lĩnh vực địa kỹ thuật Kể từ đó, vải địa kỹ thuật phát triển nhanh chóng về hình dạng, số lượng và chất lượng, được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng dân dụng, giao thông và thuỷ lợi Hiện nay, công nghệ đất có cốt đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, với các cải tiến trong chế tạo cốt và vỏ, đạt trình độ kỹ thuật cao.
Khái quát về đất có cốt, cơ chế làm việc và ưu điểm của công nghệ đất có cốt 4
1.2.1 Khái quát về đất có cốt Đất có cốt là loại đất xây dựng có bố trí gia cường thêm bằng vải địa kỹ thuật (Geotextiles), màng địa kỹ thuật (Geomembranes), lưới địa kỹ thuật (Geogrids), lưới thép địa kỹ thuật để tăng cường khả năng ổn định của công trình đất. Đến nay có hai quan điểm về đất có cốt chịu kéo: quan điểm thứ nhất coi đất có cốt chịu kéo là loại vật liệu xây dựng mới, lấy tên là đất có cốt (reinforced soils); quan điểm thứ hai nhìn nhận đất có gia cường cốt là một thành tựu mới về kỹ thuật xây dựng công trình đất (earth structures) dựng neo chịu kéo như tường chắn đất, mái đất (đường bộ, đê, đập), nền đất Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu khối đất có cốt như một bộ phận của công trình đất có cốt, tức là theo quan điểm thứ hai.
1.2.2 Nguyên lý làm việc của công nghệ đất có cốt Đất được coi là vật liệu xâydựng rẻ tiền, có sẵn, nhung có khả năng chịu kéo, chịu cắt kém Đặc biệt là đất yếu (thường φvà c nhỏ), đất dính, nước lỗ rỗng thoát rất chậm, áp lực nước lỗ rỗng sẽ tăng rất nhanh khi có sự tăng tải từ bên ngoài dễ gây mất ổn định đất nền và công trình.Vì vậy khi xây dựng các công trình đê sông, bờ bao, đê biển trên nền đất yếu, chúng ta phải mở rộng mặt cắt công trình, gia cố nền dẫn đến khối lượng thi công rất lớn, hay khó thi công do không đảm bảo khối lượng vật liệu và yêu cầu kỹ thuật. Để giải quyết những khó khăn trên ta phải đi giải quyết vấn đề “nội tạng“ tức là tăng cường độ chịu kéo ( tăng φ và c), tăng tốc độ thoát nước lỗ rỗng, cải thiện phân bố tải trọng tác dụng lên công trình Đó chình là ý tưởng hình thành công nghệ đất có cốt Việc đưa cốtnhư vải địa kỹ thuật có cường độ cao theo hướng chịu ứng suất kéo chính sẽ tạo ra một vật liệu tổng hợp bán cứng bền vững Khi công trình được gia cố bằng nhiều lớp cốt có khả năng thoát và dẫn nước sẽ có tác dụng giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng nhanh độ cố kết, dẫn đến tăng khả năng chịu lực và tăng tiến độ thi công Có cốt tham gia, ứng suất cục bộ sẽ được phân tán, nghĩa là đã có sự phân bố lại tác động của tải trọng lên các bộ phận vật liệu của công trình.
1.2.3 Ưu điểm công nghệ đất có cốt
Công nghệ hiện đại đang được áp dụng để giải quyết vấn đề ổn định công trình trên nền đất yếu Việc này cho phép sử dụng vật liệu tại chỗ, từ đó xây dựng các công trình đất một cách hiệu quả ngay trên nền đất không ổn định.
- Đối với bờ bao, đê, đập mái cho phép thu nhỏ mặt cắt và hệ số mái dốc, giảm khối lượng thi công, tăng hiệu quả kinh tế.
- Thi công đơn giản, giảm thời gian thi công.
- Ổn định bền theo thời gian trong điều kiện dao động mực nước.
Các loại cốt trong đất và ứng dụng trong xây dựng
Vải địa kỹ thuật là sản phẩm được sản xuất từ các nguyên liệu phụ của dầu mỏ, bao gồm các loại vật liệu polyme tổng hợp như PES, PP, PA và PE Chúng được ứng dụng trong lĩnh vực địa kỹ thuật với các chức năng chính như lọc, phân cách, tiêu, gia cố và bảo vệ.
Vải địa kỹthuật được chia làm ba nhóm chính dựa theo cấu tạo sợivải: a) Loại vải dệt
Công nghệ chế tạo vải địa kỹ thuật tương tự như vải may mặc, bao gồm hệ thống sợi dọc (warp) và ngang (weft) vuông góc với nhau Sợi dệt có thể là sợi đơn hoặc sợi kép, với tiết diện tròn hoặc dẹt, đường kính từ 100 đến 300 mm Sợi dọc thường bền hơn và dài hơn sợi ngang, dẫn đến tính chất dị hướng của vải Vải dệt này thường được ứng dụng làm cốt gia cường trong các công tác xử lý nền đất yếu.
Hình 1.1 Một số hình ảnh vải địa kỹ thuật dệt b) Loại vải không dệt:
Vải địa kỹ thuật không dệt được tạo thành từ các sợi vải dàn liên kết với nhau bằng phương pháp hóa học, nhiệt hoặc cơ Với độ dày từ 0.5mm đến vài mm, sợi vải được sắp xếp không theo quy tắc mà dựa trên xác suất tự nhiên hoặc có định hướng cụ thể Giống như lớp bông dàn, lớp sợi dàn có sức chịu kéo rất thấp, thường được sử dụng cho các ứng dụng như lọc, phân cách và tiêu nước.
Hình 1.2 Một số hình ảnh vải địa kỹ thuật không dệt c) Loại vải phức hợp:
Vải phức hợp là sự kết hợp giữa vải dệt và không dệt, được tạo ra bằng cách may những bó sợi chịu lực lên nền vải không dệt Loại vải này sở hữu đầy đủ chức năng của cả hai loại vải, và thường được ứng dụng trong lĩnh vực địa kỹ thuật để dẫn nước, lọc nước, ngăn cách và gia cố.
1.3.2 Loại lưới địa kỹ thuật - Geogrids
Lưới địa kỹ thuật là loại lưới có mắt lưới hình vuông, được làm từ kim loại hoặc vật liệu nhựa có khả năng chịu kéo, có kích thước mắt lưới từ vài mm đến vài cm Lưới này được đặt nằm ngang trong khối vật liệu đắp, giúp chống lại sự di chuyển của đất nhờ vào lực kháng bị động và lực ma sát giữa vật liệu đắp với bề mặt lưới Ngoài ra, lưới vật liệu tổng hợp cường độ cao còn thường được sử dụng làm rọ, gabion, thay thế cho gabion kim loại.
1.3.3 Màng polime địa kỹ thuật
Màng địa kỹ thuật là loại tấm mềm cách khí và cách nước (Hệ số thấm vào khoảng 10 -11 ÷10 -13 cm/s)
Vải địa kỹ thuật không dệt (thảm) thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tầng lọc, phân cách và tiêu nước Đối với việc gia cố đất, các loại vải địa kỹ thuật dệt, đan và lưới là sự lựa chọn chính, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng dự án.
1.3.4 Ứng dụng đất có cốt trong xây dựng công trình đất
Sự ra đời của đất có cốt đã mang lại những tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực địa kỹ thuật, tương tự như bê tông cốt thép trong xây dựng Khoa học kỹ thuật đất có gia cường cốt chịu kéo đã phát triển hơn 40 năm kể từ khi Henri Vidal đề xuất vào năm 1963, đặc biệt sau những năm 70 của thế kỷ trước Các đơn nguyên cốt được làm từ nhiều loại vật liệu, từ tự nhiên như xơ dừa, phên tre đến nhân tạo như thép, polyme, với các hình thức đa dạng như tấm, lưới, khung, dải, và thanh Một số ứng dụng của đất có cốt rất phong phú và đa dạng.
Việc sử dụng phên tre nứa, cành cây, rơm rạ và xơ dừa chỉ mang tính chất tạm thời do các vật liệu này có khả năng chịu lực thấp, tuổi thọ ngắn và ứng dụng hạn chế.
Năm 1963, kỹ sư Henry Vidal người Pháp đã phát triển ý tưởng sử dụng cốt bằng dải kim loại thép không rỉ đặt trong đất đắp chất lượng cao, bao gồm cát và sỏi cuội sạch, nhằm tạo ra ma sát cần thiết giữa đất đắp và cốt để xây dựng các công trình Tuy nhiên, phương pháp này có giá thành rất cao.
Hình 1.3 Sử dụng phên tre nứa gia cố nền đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long
Hình 1.4 Công trình có cốt là dải kim loại thép không rỉ
+ Sự ra đời của cốt liệu polime vải địa kỹ thuật là một bước tiến quan trọng đối với công nghệ đất có cốt.
Hình 1.5 Trải VĐKT và thảm xơ dừa chonền đê Đồng bằng sông Cửu Long
Hình 1.6 Công trình sử dụng cốt là lưới địa kỹ thuật, màng polime địa kỹ thuật.
Lưới địa kỹ thuật Tensar, ra đời từ những năm 1980 tại Anh, đã được ứng dụng hiệu quả trong xây dựng các công trình bảo vệ bờ như đê, kè biển và đường giao thông qua nền đất yếu Gần đây, tại Việt Nam, giải pháp Tensar đã được sử dụng để bảo vệ mái dốc các công trình ở miền Bắc và thi công đê tại đồng bằng sông Cửu Long.
Hình 1.7 Hình dạng kết cấu lưới địa kỹ thuật Tensar
Hình 1.8 Gia cố nền đê đi qua vùng đầm lầy, lún sụt bằng lưới Tensar
Khái quát chức năng và tính chất vật lý của vải địa kỹ thuật
1.4.1 Chức năng của vải địa kỹ thuật
Trong các loại công trình đất, vải địa kỹ thuật thực hiện 5 chức năng cơ bản đơn lẻ hoặc kết hợp tuỳ thuộcvào các ứng dụng:
1.4.1.1 Chức năng phân cách ( Seperation)
Lớp vải địa kỹ thuật được sử dụng để ngăn cách giữa hai lớp vật liệu có kích thước hạt khác nhau, giúp duy trì các đặc tính cơ học như khả năng thấm, độ ma sát và khả năng chịu tải Dưới tác động của ứng suất, đặc biệt là từ các phương tiện vận chuyển, lớp vải này đảm bảo rằng vật liệu hạt không bị thay đổi các đặc tính của nó.
Hình 1.9 Vải địa kỹ thuật làm chức năng phân cách
1.4.1.2 Chức năng gia cường (Reinforcement)
Vải địa kỹ thuật có khả năng chịu kéo cao, được sử dụng để gia cố đất bằng cách truyền cường độ chịu kéo cho đất hoặc chứa đất trong các túi vải địa kỹ thuật.
Hình 1.10 Vải địa kỹ thuật có chức năng gia cố mái dốc-Reinforced slope
Hình 1.11 là một số kết cấu điển hình trong ứng dụng cho công trình giao thông như:
- Vải địakỹ thuật tăng cường ổn định tổng thể (hình 1.11 a);
-Vải địakỹ thuật tạo mái dốc, rấtdốc để tiết kiệm diện tích đất (hình 1.11b,c)
- Vải địakỹ thuật tường chắn đất có cốt (hình 1.11d);
- Vải địakỹ thuật tăng cường ổn định vùng đất đắp (hình 1.11 e, f)
Hình 1.11 Một số kết cấu điển hình trong ứng dụng trong xây dựng giao thông
1.4.1.3 Chức năng bảo vệ (Protection)
Vải địa kỹ thuật không chỉ nổi bật với độ bền cơ học như bền kéo và khả năng chống đâm thủng cao, mà còn sở hữu tính bền môi trường, đặc biệt là khả năng chịu nước mặn, cùng với khả năng tiêu thoát nước nhanh chóng.
Vải địa kỹ thuật được kết hợp với các vật liệu như thảm đá, rọ đá, đá hộc và bê tông để tạo ra lớp đệm chống xói cho đê, đập, bờ biển và trụ cầu Sự kết hợp này giúp ngăn chặn hiện tượng thẩm lậu bờ và lòng dẫn, đồng thời trải vải xuống đáy sông thay cho bè chìm, giữ cho hình dạng dòng chảy không đổi.
Hình 1.12 Vải địa kỹ thuật có chức năng bảo vệ dùng trong kè lát mái
Lớp vải địa kỹ thuật là lớp lọc quan trọng được đặt giữa hai lớp đất có độ thấm nước và kích thước hạt khác nhau Chức năng chính của lớp lọc này là ngăn chặn sự trôi đất từ lớp đất mịn vào lớp vật liệu thô, đảm bảo dòng nước không có áp lực trong suốt tuổi thọ của công trình.
Hình 1.13 Vải địa kỹ thuật có chức năng lọc
1.4.1.5 Chức năng tiêu thóat nước ( Drainage)
Khả năng thấm của vải địa kỹ thuật không dệt theo phương vuông góc là yếu tố quan trọng trong việc chế tạo mương tiêu thoát nước ngầm Dòng thấm trong đất sẽ được hướng đến rãnh tiêu nhờ lớp vải lọc, từ đó dẫn nước đến khu vực tập trung qua đường ống tiêu Để đảm bảo hiệu quả thoát nước, vải địa kỹ thuật cần có độ dày phù hợp để đáp ứng lưu lượng nước cần thoát.
Hình 1.14 Cấu tạo mương tiêu thoát nước ngầmcó sử dụng vải địa kỹ thuật
Hình 1.15 Một số thiết bị tiêu thoát nước có sử dụng vải điạ kỹ thuật
1.4.2 Tính chất vật lý của vải địa kỹ thuật
Khi sử dụng các vật phẩm polime địa kỹ thuật - vải địa kỹ thuật, thường xét đến cáctính chất cơ bản sau đây:
1.4.2.1 Kích thước hình học của vải địa kỹ thuật thương phẩm
- Chiều rộng vải: vải địa kỹ thuật thương phẩm có chiều rộng chuẩn từ 5m đến 5.5m Nếu chiều rộng lớn hơn thì phải chắp nối.
Chiều dài vải được điều chỉnh để thuận tiện cho việc vận chuyển và thi công, với độ dài thay đổi từ 50m đến 200m tùy thuộc vào khối lượng đơn vị thể tích của vải.
1.4.2.2 Khối lượng đơn vị diện tích của vải địa kỹ thuật (g/m2)
Là khối lượng tính bằng gam của 1m 2 vải, thí nghiệm theo tiêu chuẩn 14TCN
93-1996 Chỉ tiêu này liên quan đến độ dày và độ rỗng của vải, phản ánh gián tiếp khả năng thấm nước và sức chịu chọc thủng của vải.
Vải không dệt có khối lượng vảo khoảng 100g/m 2 đến 1000g/m 2
Vải dệt nặng hơn có khối lượng vảo khoảng 100g/m 2 đến 2000g/m 2
1.4.2.3 Chiều dày của vải địa kỹ thuật
Chiều dày vải địa kỹ thuật là khoảng cách giữa hai mặt phẳng giới hạn trên và dưới của vải, có thể thay đổi từ 0,5mm đến hàng chục mm tùy theo công nghệ chế tạo Độ dày này được xác định theo tiêu chuẩn của từng quốc gia với áp lực nén quy định, thường là 2kN/m2 (2kPa) và độ chính xác 0,01mm, trong khi Mỹ áp dụng tiêu chuẩn ASTM D5199-99 với độ chính xác 0,002mm Tại Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam, chiều dày vải cũng được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D5199 bằng thiết bị đo AIM 2651.
1.4.2.4 Tính rỗng của vải địa kỹ thuật
Tính rỗng là thuộc tính quan trọng của vải địa kỹ thuật, ảnh hưởng đến khả năng thấm nước và dẫn nước, tùy thuộc vào loại sợi và kiểu dệt Vải địa kỹ thuật dệt thường có độ dày khoảng 0.5mm, trong khi vải địa kỹ thuật không dệt có độ dày đáng kể, dao động từ 5mm đến 20mm.
- Độ rỗng thể tích của vải địa kỹ thuật(đối với vải địa kỹ thuật dày)
Xét một mẫu vải có diện tích 1m2 và chiều dày vải T, vậy thể tích mẫu vải là V= 1(m 2 ) x T = T (m 3 ), ta có công thức tính độ rỗng:
Trong đó: G - khối lượngcủa mẫu vải thí nghiệm (kg/m 3 ) ρ - khối lượng đơn vị của loại polime làm sợi (kg/m 3 )
Thông thường thì vải địa kỹ thuật làm lọc n>30%.
- Độ rỗng bề mặt của vải địa kỹ thuật( đối với vải địa kỹ thuật mỏng)
Tính rỗng của vải địa kỹ thuật được biểu thị định lượng bằng độ rỗng bề mặt:
Trong đó: S - diện tích mẫu vải; S rỗng - diện tích rỗng có trong S.
Các loại vải địa kỹ thuật thương phẩm hiện nay có POA thay đổi trong phạm vi từ 6% đến 12% Loại vải địa kỹ thuật thưa có POA đạt 36%
1.4.2.5 Độ thưa của vải địa kỹ thuật Độ thưa của vải địa kỹ thuật là khái niệm vật lý có liên đến khả năng cho hạt đất lọt qua vải khi vải cùng làm việc với đất Kích cỡ kẽ hở của vải địa kỹ thuật loại dệt hoặc không dệt được định lượng bằng kích thước hòn bi thủy tinh lớn nhất lọt qua kẽ hổng ấy, có thể vẽ đường phân tích độ lớn (đường kính) lỗ hở O của mẫu vải địa kỹ thuật (tương tự với đường phân tích hạt trong cơ học đất). Độ thưa của vải quyết định tính thấm và tính lọc (cho hạt nhỏ qua, giữ hạt lớn lại) của vải địa kỹ thuật Đây là đặc tính quan trọng khi thay thế tầng lọc ngược sỏi cát
1.4.2.6 Tính co ngắn khi tăng nhiệt độ của vải địa kỹ thuật
Hiện tượng co nhiệt của vải, xảy ra khi mẫu vải giảm chiều dài khi gia nhiệt, được gọi là co nhiệt (heat shrinkage) Sự co nhiệt này tạo ra sức kéo, hay lực kéo phát sinh từ việc vải co lại, được gọi là lực kéo do co (shrinkage tension) Nhiều phương pháp thí nghiệm co nhiệt cho vải địa kỹ thuật đã được áp dụng ở nhiều quốc gia.
Vải địa kỹ thuật có các tính chất vật lý quan trọng, bao gồm độ bền kéo, độ thấm nước và khả năng chống mài mòn Phương pháp thí nghiệm và kiểm tra những tính chất này được quy định rõ ràng, giúp đảm bảo chất lượng và hiệu suất của vải trong các ứng dụng xây dựng Các khoảng trị số của các loại vải địa kỹ thuật thường gặp được thể hiện trong bảng 1.1 của phụ lục, cung cấp thông tin cần thiết cho việc lựa chọn và sử dụng vải phù hợp.
Vấn đề ứng dụng vải địa kỹ thuật trong xây dựng
1.5.1 Các ứng dụng của vải địa kỹ thuật trong xây dựng
Các lĩnh vực ứng dụng của cốt vải địa kỹ thuật bao gồm tường chắn đất, gia cố mái dốc cho các công trình như đường bộ, đê, đập, và xử lý nền đất yếu trong xây dựng dân dụng Việc sử dụng vải địa kỹ thuật kết hợp với đất mềm yếu tại chỗ giúp tăng cường độ bền và ổn định cho các công trình.
Liên kết cọc là vải địa kỹ thuật gia cường được sử dụng để trải trên các cọc xử lý nền đất yếu, giúp tạo ra giàn đỡ hiệu quả trong việc truyền tải trọng từ các công trình bên trên xuống tất cả các cọc Phương pháp này không chỉ nâng cao khả năng chịu lực mà còn giúp tiết kiệm số lượng cọc cần sử dụng.
Vải địa kỹ thuật là giải pháp hiệu quả và tiết kiệm để tạo lưới đỡ trên nền đất yếu, đặc biệt là ở các khu vực có nhiều hốc trống như đầm phá và ao bùn Với cường lực chịu kéo cao, độ giãn dài thấp và độ bền kết nối tốt, vải địa kỹ thuật giúp khôi phục nền đất một cách an toàn và bền vững.
Vải địa kỹ thuật (VĐKT) được sử dụng để gia cố nền đất yếu, đặc biệt trong các ứng dụng như nền móng, tường chắn đất có cốt và gia cố mái dốc có cốt.
Hình 1.16 Tường chắn đất có cốtVĐKT trong khu biệt thự Sunrise-Đà Nẵng b) Trong giao thông
+ Phân cách ổn định nền đường:
Hình 1.17 Phân cách ổn định nền đường
Vải địa kỹ thuật có khả năng chịu kéo và ứng suất cao, được sử dụng để tạo lớp phân cách giữa nền đất đắp và đất yếu Điều này giúp duy trì chiều dày của lớp đất đắp và nâng cao khả năng chịu tải cho nền đường.
Xử lý nền đất yếu cho đường đắp cao bằng cách sử dụng vải địa kỹ thuật gia cường giúp tăng cường khả năng chịu tải của nền Việc trải vải địa kỹ thuật trên nền đất yếu không chỉ cải thiện độ bền mà còn chống lại các lực cắt từ khối sụt trượt tiềm năng, đảm bảo sự ổn định của công trình trong thời gian dài.
Vải địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định và gia cường nền đường, nâng cao độ bền và tính ổn định cho các công trình như đường bộ, sân bay, đường sắt và cầu cảng, đặc biệt khi đi qua những khu vực có nền đất yếu như sét mềm, bùn và than bùn.
Chức năng lọc đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực thủy lợi, giúp bảo vệ mái và lòng kênh, mái đê, kè sông, đê biển, cũng như mái đập hồ chứa Ngoài ra, nó còn được áp dụng để bảo vệ mái thượng hạ lưu của các cống trong vùng triều và xử lý các vấn đề liên quan đến hố đùn, hố sủi.
Hình 1.18 Một số ứng dụng chức năng lọc của vải địa kỹ thuậttrong thủy lợi
Chống sụt trượt mái dốc là một biện pháp quan trọng trong xây dựng, trong đó VĐKT gia cường được trải thành từng lớp ngang trong thân mái đê đập và tường chắn đất Biện pháp này giúp tăng khả năng chịu tải và kiểm soát hiện tượng sụt trượt đối với đất yếu và rất yếu, đảm bảo tính ổn định cho công trình.
Ống vải địa kỹ thuật (geo-tube) chứa cát là giải pháp hiệu quả trong việc chống xói lở bờ sông và bờ biển, đồng thời giúp kết lắng trầm tích và tái tạo các bãi biển bị xâm thực Công nghệ này không chỉ bảo vệ bờ mà còn tạo ra những vùng đất mới giữa đại dương, với ứng dụng phổ biến như đê bao bảo vệ bờ, đê phá sóng ngoài khơi, và đê chống cát trôi Hơn nữa, việc sử dụng geo-tube rất thân thiện với môi trường, góp phần hình thành các đảo nhân tạo.
Geo tube ứng dụng làm đê bao bảo vệbờ Geo tube ứng dụng làm đê phá sóng
Hình 1.19 Một số ứng dụng của ống vải địa kỹ thuật
1.5.2 Một số công trình ứng dụng vải địa kỹ thuật trên thế giới
Vải địa kỹ thuật ngày nay được sử dụng phổ biến trên khắp thế giới với những ứng dụng đa dạng Một số công trình tiêu biểu như:
Khi kênh đào Suez được xây dựng, việc trải vải địa kỹ thuật dưới đáy biển đã được thực hiện, với cuội sỏi được sử dụng để cố định, giúp ổn định và đảm bảo an toàn cho đập.
Đê biển Deep Bay ở Hong Kong dài 3,5 km được thiết kế để đảm bảo sự ổn định của mái đê trong thời gian ngắn, ngăn chặn hiện tượng lún của đất mới đắp xuống nền bùn Để tiết kiệm diện tích đất đắp, vải địa kỹ thuật đã được sử dụng với ba chức năng chính: bảo vệ, phân cách và gia cố cho đất yếu.
Tường chắn Prapoutel les sept laux tại Pháp có chiều dài 170m và chiều cao từ 2 đến 9,6m Công trình được gia cố bằng vải địa kỹ thuật, tạo ra mái dốc đứng 1/4, giúp tiết kiệm diện tích đất và nâng cao hệ số ổn định.
Dự án xây dựng tường chắn đất và đường giao thông tại nhiều ngã tư của Đại lộ Tanque Verde (Mỹ) sử dụng lưới địa kỹ thuật để gia cố, nhằm ổn định khối đất đắp (cát) cho mái và tường, với kết cấu panen mảnh lắp ghép.
- Đập đất Ait Chouarit lớn nhất Ma rốc, hồ chứa cung cấp 40 triệu m 3 nước/năm đã sử dụng 65.000 m 2 vải địa kỹ thuật ở các bộ phận: lọc tạm, phân cách;
Đê quai Sanxia trong dự án đập Bahem trên sông Yangtre, Trung Quốc, cao tới 90m và được gia cố bằng vải địa kỹ thuật Đê quai này đã tồn tại an toàn trong suốt 10 năm.
CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH KHỐI ĐẤT ĐẮP CÓ CỐT
Các đặc tính của vật liệu làm cốt
2.1.1 Độ bền kéo của vải địa kỹ thuật
Vải địa kỹ thuật có độ bền chịu kéo cao, khi kết hợp với đất - một vật liệu chịu nén nhưng không chịu kéo, tạo ra vật liệu "đất có cốt" có khả năng chịu nén và chịu kéo Độ bền chịu kéo của vải địa kỹ thuật được xác định thông qua thí nghiệm kéo theo tiêu chuẩn 14TCN 95-1996, với mẫu vải có kích thước thường là 100x200mm hoặc 100x500mm, và tốc độ kéo dao động từ 10mm/phút đến 100mm/phút tùy theo quy trình của từng quốc gia.
Lực kéo được tính cho 1 đơn vị chiều rộng B của mẫu kéo: s (kN/m)
Thường phân biệt sức bền chịu kéo theo biến dạng tương đối và sức bền giới hạn (kéo đứt mẫu).
2.1.2 Độ bền chọc thủng của vải địa kỹ thuật Để đảm bảo chức năng làm lọc, ngăn cách, bảo vệ, gia cố, vải địa kỹ thuật luôn có xu thế giữ, bọc các hạt đất, từ mịn đến các hạt thô, đá hộc, theo yêu cầu Như vậy, vải địa kỹ thuật dễ bị thủng rách do phải tiếp xúc với các hạt sạn, dăm, đá hộc có cạnh sắc nhọn Đây là điều thường xảy ra trong quá trình thi công hoặc quá trình làm việc chịu lực chấn động Nên cần phải xác định độ bền chọc thủng của vải địa kỹ thuật để có thiết kế và quy trình thi công phù hợp. Độ bền chọc thủng của vải địa kỹ thuật được xác định nhờ thí nghiệm chọc thủng tĩnh trên máy vạn năng, và chọc thủng động bằng thí nghiệm rơi côn (vật hình chóp chuẩn góc mũi 45 o , đường kính 50mm, khối lượng 1kg, chiều cao rơi 250mm đến 1000mm) theo tiêu chuẩn 14TCN 96-1996
2.1.3 Độ bền lâu dài của vải địa kỹ thuật
Vải địa kỹ thuật là yếu tố quan trọng trong các công trình vĩnh cửu, yêu cầu độ bền lâu dài lên đến hàng chục năm Độ bền của vải không chỉ phụ thuộc vào nguyên liệu chế tạo mà còn bị ảnh hưởng bởi quá trình vận chuyển, lưu kho và thi công lắp đặt Những yếu tố này có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc của vải địa kỹ thuật, và theo tiêu chuẩn của Pháp, độ bền của vải có thể được phân thành 3 cơ chế khác nhau.
Trong quá trình thi công, vải địa kỹ thuật có thể bị giãn thưa, thủng rách do tác động từ các vật sắc nhọn như hạt dăm, sạn, đá hộc Hiện tượng này gây nguy hiểm cho sự ổn định của công trình, đặc biệt khi vải địa kỹ thuật được sử dụng để gia cố đất hoặc làm túi địa kỹ thuật, đồng thời có thể dẫn đến hiện tượng xói ngầm Ngoài ra, việc này cũng làm hao tốn vật liệu của vải địa kỹ thuật.
Vải địa kỹ thuật có thể bị mất dần vật liệu do bào mòn khi tiếp xúc với các hạt thô nhám như cát vàng, sạn sỏi và đá dăm, đặc biệt khi bị tác động bởi xe cộ hoặc đầm Để đảm bảo độ bền, cần sử dụng loại vải địa kỹ thuật có chất liệu chống bào mòn tốt Ngoài ra, vải địa kỹ thuật cũng dễ bị các loài gặm nhấm và sinh vật khác làm thủng, điều này cần được chú ý đặc biệt khi ứng dụng cho đê đập.
Polyme như polyester và polypropylene, được sử dụng làm vải địa kỹ thuật, có khả năng bền hóa học tốt Tuy nhiên, trong trường hợp đất bị ô nhiễm nặng, cần tiến hành nghiên cứu kỹ lưỡng Cần lưu ý rằng vải địa kỹ thuật rất nhạy cảm với tác động của tia cực tím từ ánh sáng mặt trời Nếu vải phải tiếp xúc với ánh sáng trong thời gian dài, lên đến 3 tuần do điều kiện thi công, nên chọn loại vải địa kỹ thuật có khả năng chống tia cực tím Theo các thí nghiệm, polyester cho thấy độ ổn định cao nhất trước tia cực tím.
2.1.4 Ma sát và dính kết của vải địa kỹ thuật với đất
Vải địa kỹ thuật được dùng kết hợp với đất, đá do vậy cần xét đến ma sát giữa đất, đá và vải địa kỹ thuật
Thí nghiệm chuyên dụng, như hộp cát lớn trong cơ học đất đá, thường được sử dụng để xác định chỉ tiêu ma sát của vải địa kỹ thuật và hệ số ma sát.
Khi sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng cường cho đất, việc thí nghiệm để xác định sự tương thích giữa vải và đất đá là rất quan trọng Trong một số trường hợp, có thể áp dụng các phương pháp gần đúng để đánh giá hiệu quả.
Ma sát giữa vải địa kỹ thuật và đất rời được xác định bằng 0,6 đến 0,8 lần góc nội ma sát của đất rời Đối với đất dính, lực dính đơn vị giữa vải địa kỹ thuật và đất dính tương đương với lực dính đơn vị của đất.
Trong phạm vi của luận văn là sử dụng vải địa kỹ thuật làm cốt trong đất, do vậy chỉ cần quan tâm đến các đặc tính sau:
- Khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật.
- Khả năng ma sát và dính kết của vải địa kỹ thuật với đất.
- Độ bền của vải địa kỹ thuật ( độ bền chọc thủng và tuổi thọ)
Tính chất cơ học của vải địa kỹ thuật được thể hiện bảng 2.1 Phụ lục.
Các cơ chế cơ bản giữa đất và cốt
2.2.1 Các cơ chế tương tác giữa đất và cốt Đất có độ bền kéo thấp nhưng độ bền nén là tương đối, độ bền của đất chỉ bị giới hạn bởi sức kháng ứng suất cắt của nó Mục đích kết hợp đất với cốt là để tiếp thu lực kéo hoặc ứng suất cắt, giảm được việc tải trọng gây phá hoại đất do ứng suất cắt hoặc do biến dạng quá mức Khối đắp có cốt được coi là một khối vật liệu hỗn hợp có các đặc tính đã được cải thiện, đặc biệt là khả năng chịu kéo, chịu cắt so với đất không có cốt.
Khi tải trọng từ đất được truyền vào cốt, cơ chế truyền tải diễn ra thông qua sức neo bám giữa đất và cốt Đối với đất kém dính, sức neo bám phụ thuộc vào ma sát giữa đất và cốt, cũng như mức độ thô nhám của bề mặt Trong khi đó, với đất dính, sức neo bám chủ yếu dựa vào lực dính giữa cốt và đất Sự tương tác giữa cốt mềm và đất chịu lực kéo dọc trục, do đó, để nâng cao khả năng chịu tải kéo và thuận tiện trong thi công, cốt mềm thường được đặt nằm ngang trong tường, mái dốc và dưới nền đắp, trùng với trục biến dạng kéo chính trong đất không có cốt Khi thiết kế, cần xác định các lực kéo dọc trục mà cốt phải tiếp nhận ở vùng chủ động và phân bố chúng vào vùng bị động.
Trong thí nghiệm nén 3 trục, hai mẫu đất được so sánh: mẫu (a) là đất không có cốt và mẫu (b) là đất có cốt Cả hai mẫu đều chịu cùng một tải trọng, giữ nguyên ứng suất nén σ3 và gia tải bằng ứng suất nén σ1 Dưới tải trọng này, mẫu đất không có cốt sẽ trải qua biến dạng nén dọc δv và biến dạng nở ngang δh.
1 Với mẫu đất có cốt sẽ chịu biến là δvt và δ ht
1 trong đó δvt < δv và δ ht
1 Mức giảm biến dạng này là kết quả trực tiếp của ứng suất chặn (ứng suất hạn chế nở hông) bổ sung ∆σ 3 do tương tác giữa đất và cốt. σ 1 δ h
Việc bổ sung cốt cho đất có tác dụng giảm biến dạng và cải thiện độ bền của nó Hình 2.1 minh họa rằng, khi đất không có cốt, nó sẽ chịu ứng suất cắt tăng dần, điều này có thể dẫn đến sự suy giảm về tính ổn định của đất.
1 σ −σ ; khi đất có cốt, giá trị σ 1 đủ gây cắt lớn hơn nhiều vì sự gia tăng σ 1 làm gia tăng ∆σ 3 kéo theo việc ứng suất cắt [ 1 ( 3 3 ) ]
Giới hạn thực tế về độ bền của đất có cốt chủ yếu phụ thuộc vào sự kéo đứt cốt hoặc sự hỏng hóc của cơ chế ngàm bám tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt và đất, với sự tăng tương đối ít của σ − σ + ∆σ.
2.2.2 Cơ chế gia cường đất trong mái dốc có cốt
Mái dốc đất rời khô nghiêng góc β lớn hơn góc ma sát trong ϕ của đất có nguy cơ trượt nếu không có tác động của cốt Tuy nhiên, sự kết hợp giữa đất và cốt giúp ổn định mái đất Nghiên cứu cho thấy mái dốc có hai vùng: vùng chủ động và vùng kháng trượt Nếu không có cốt, vùng chủ động sẽ mất ổn định và trượt xuống Việc đặt cốt ngang qua hai vùng giúp ổn định vùng chủ động Hình 2.2 minh họa lớp cốt đơn với chiều dài Laj trong vùng chủ động và Lej trong vùng kháng, trong thực tế thường sử dụng nhiều lớp cốt.
Cơ chế gia cường tường và mái dốc bằng cốt giúp tạo ra sự neo bám thích hợp cho cốt, đồng thời đảm bảo độ cứng chống kéo cần thiết Khi có biến dạng kéo trong đất ở vùng chủ động, cốt sẽ tiếp nhận lực kéo này nhờ vào cơ chế neo bám giữa cốt và đất Sự biến dạng trong đoạn cốt thuộc vùng chủ động sẽ làm gia tăng lực kéo của cốt trong khu vực đó.
2.2.3 Cơ chế gia cường đất trong móng dưới nền đắp
Tại các khu vực có nền đất yếu, hiện tượng lún và trượt thường xảy ra, dẫn đến thời gian thi công kéo dài Để khắc phục tình trạng này, người ta sử dụng lớp cốt đặt nằm ngang tại mặt tiếp xúc giữa khối đắp và nền đất bên dưới Nếu lớp cốt đảm bảo độ nhám bề mặt, độ bền kéo và cường độ chịu kéo dọc trục, thì ứng suất cắt ngang tại đáy nền đắp sẽ được truyền vào đất thông qua ma sát giữa đất và cốt.
Hình 2.3 Mái đắp có cốt trên nền đất yếu
Sự truyền ứng suất cắt vào nền đất yếu bị cốt chặn lại giúp giảm phình ngang và duy trì khả năng chịu tải của đất yếu, đặc biệt khi chiều dày lớp đất yếu không vượt quá 3 lần chiều cao lớp đắp Tuy nhiên, nếu lớp đất yếu dày hơn 3 lần chiều cao lớp đắp, cần kiểm tra nguy cơ trượt sâu qua nền và tầng đất đắp Lớp cốt đáy ảnh hưởng đến hình dạng mặt trượt, làm nó xoay và đẩy xuống sâu hơn, kéo dài đường trượt Lực kéo trong cốt đáy xuất hiện theo cả hai phương dọc trục và nằm ngang, tăng mô men kháng đối với tâm cung trượt, từ đó giảm mô men gây trượt và ứng suất cắt gây phá hoại trong khối đắp hoặc đất nền.
2.2.4 Tương tác giữa đất và cốt Để đất có cốt phát huy hiệu quả thì cốt phải tương tác với đất để tiếp thu những ứng suất và biến dạng thường gây phá hoại trong đất không có cốt Cơ chế của sự phát sinh tương tác phụ thuộc vào các đặc trưng của đất (cả đất nền tự nhiên và đất đắp), các đặc trưng của cốt và quan hệ giữa hai nhóm đặc trưng này Khi đất và cốt làm việc (tương tác đất/cốt) sẽ xảy ra hai sự phá hoại Thứ nhất là trạng thái phá hoại về trượt thường là phá hoại đứt cốt và phá hoại neo bám giữa đất với cốt (ma sát giữa đất với cốt) Trạng thái giới hạn thứ hai là trạng thái sử dụng, xảy ra trong quá trình sử dụng, biến dạng của khối đất có cốt hoặc biến dạng của cốt vượt quá giới hạn quy định.
Khi tải trọng từ đất truyền vào cốt, cơ chế này diễn ra thông qua sức neo bám giữa đất và cốt Đối với đất kém dính, sức neo bám phụ thuộc vào ma sát giữa đất và cốt, cũng như độ thô nhám của bề mặt Ngược lại, với đất dính, sức neo bám chủ yếu do lực dính giữa cốt và đất Sự liên kết giữa các hạt đất và lưới cốt có thể xảy ra, làm cho sức neo bám bị ảnh hưởng bởi độ bền kháng cắt của đất tại vị trí gần mặt tiếp xúc Đặc tính tương quan giữa đất và cốt, cụ thể là độ bền kháng cắt của đất và độ nhám bề mặt của cốt, quyết định độ lớn của sức neo bám.
Sự tương tác giữa cốt mềm và đất liên quan đến việc tiếp thu lực kéo dọc trục Để nâng cao khả năng chịu tải kéo và thuận tiện cho thi công, cốt mềm thường được đặt nằm ngang trong tường, mái dốc và dưới nền đắp, trùng với trục biến dạng kéo chính trong đất không có cốt Các lực dọc trục mà cốt mềm tiếp nhận được xác định theo phương pháp tĩnh, do đó, trong quá trình thiết kế, cần xác định các lực kéo dọc trục mà cốt phải chịu ở vùng chủ động và cách phân bố chúng vào vùng kháng.
Nguyên tắc tính toán cốt trong công trình mái đất
2.3.1 Các quan điểm về đất có cốt Đến nay có hai quan điểm về đất chịu kéo:
- Quan điểm thứ nhất coi đất có cốt chịu kéo là loại vật liệu mới, lấy tên là đất có cốt (reinforced soils);
Quan điểm thứ hai cho rằng đất có gia cường cốt là một bước tiến mới trong kỹ thuật xây dựng công trình đất, bao gồm các ứng dụng như tường chắn đất, mái đất, và nền đất Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu khối đất có cốt như một phần quan trọng của công trình đất có cốt, phản ánh rõ ràng quan điểm thứ hai này.
2.3.2 Bài toán về lực neo lớn nhất
2.3.2.1 Xác định vị trí mặt trượt khả dĩ
Mặt trượt khả dĩ là hiện tượng xảy ra khi mặt phá hoại khối đất có cốt do hệ thống neo bị tụt hoặc đứt.
Sự phá hỏng khối đất có cốt xảy ra do cơ chế trượt theo mặt trượt, với mặt trượt khả dĩ thường trùng với đường lực kéo lớn nhất Khi cốt là kim loại cứng, mặt phá hoại có hình dạng cong logarit Ngược lại, nếu cốt là vật liệu có tính dãn dài như vải địa kỹ thuật, nghiên cứu của John và các cộng sự (1983) cùng Juran và Christopher (1989) cho thấy rằng đường lực kéo lớn nhất sẽ dịch chuyển gần hơn với đường thẳng trượt của Coulomb khi dải làm cốt có tính dãn dài cao.
Khi xảy ra tình trạng tụt neo hoặc đứt neo, sự phá hoại khối đất diễn ra theo cơ chế trượt với hình dạng cong logarit Khối đất được gia cố bằng vải địa kỹ thuật hoặc lưới địa kỹ thuật có thể được coi là một chỉnh thể trong quá trình trượt Điều quan trọng là xác định lực neo cần thiết để giữ khối đất ở trạng thái cân bằng giới hạn trên mặt trượt, với các thông số α, β, θ được liên kết qua công thức ϕ−α 2 θ.
Hình 2.4 Sơ đồ xác định vị trí mặt trượt khả dĩ
Tách một mét dài của công trình đất có cốt để đánh giá sự cân bằng giới hạn của khối đất ABC như một vật thể hoàn chỉnh Hình 2.5a thể hiện mô hình tính toán, trong khi hình 2.5b trình bày sơ đồ lực tính toán.
T i và T là lực neo (hoặc lực kéo) của mỗi lớp cốt và tổng lực neo được xác định theo công thức:
Hình 2.5 Sơ đồ lực tác dụng lên khối trượt ABC Trên hình vẽ 2.5 ta có các lực tác dụng:
R- phản lực của vùng neo lên khối đất ABC
C- lực dính tác dụng lên mặt BC, xác định theo công thức: θ cos
G- Trọng lượng của khối trượt ABC, xác định theo công thức:
1 (2.4) Để xác định lực neo T (công thức 2.5), chiếu hệ lực tác dụng vào khối đất ABC lên phương U vuông góc với phản lực R. ΣU = -Gsin(θ-ϕ) + Tcos(θ-ϕ) + C.cosϕ = 0 (2.5)
Từ các biểu thức (2.3), (2.4), (2.5) suy ra được biểu thức tính tổng lực neo T
Trị số góc θ xác định vị trí mặt trượt khả dĩ được xác định theo điều kiện có lực neo T là lớn nhất, tức tính: ( )
Từ phương trình (2.9), ta có công thức tính trị số góc θ để xác định vị trí mặt trượt khả dĩ cho ba trường hợp: tường đất có cốt, tường mái đất có cốt và mái đất có cốt.
Bảng 2.2Trị số góc θ để xác định mặt trượt khả dĩ trong các trường hợp
Dựa trên các trị số θ trong bảng 2.2, ta có thể xác định vị trí mặt trượt khả dĩ, từ đó xác định miền neo và chiều dài của vải địa kỹ thuật Lưới địa kỹ thuật cần được chôn vào miền neo để đảm bảo khối trượt ABC ở trạng thái cân bằng giới hạn trên mặt trượt khả dĩ BC.
Các công thức nêu trên áp dụng cho mặt trượt phẳng của tường, tường mái và mái (bảng 2.2) chỉ có giá trị trong thiết kế sơ bộ các công trình đất có cốt Sau khi hoàn thành bản thiết kế sơ bộ, cần tiến hành kiểm tra ổn định cho công trình đất có cốt theo mặt trượt cong chính xác hơn theo quy định của tiêu chuẩn.
2.3.2.2 Xác định lực kéo neo T k
Mặt trượt có thể xác định thông qua góc θ ở bảng 2.2, giúp xác định miền neo và khối đất trượt Cốt vải địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng với hai tác dụng cơ bản trong khối đất có cốt.
Khi tạo khối đất có cốt, cần đảm bảo rằng nó ứng xử như một chỉnh thể trong suốt quá trình sử dụng Điều này có nghĩa là khi xảy ra hiện tượng tụt cốt hoặc đứt cốt, khối đất vẫn sẽ duy trì tính chất ứng xử đồng nhất như một thể thống nhất.
Khối đất trượt vào miền neo cần có chiều dài cốt đủ để chống lại lực kéo neo T kéo Để đảm bảo sự ổn định, lực kéo neo, hay còn gọi là lực kéo, phải được xác định chính xác Trong trạng thái cân bằng giới hạn, lực kéo neo do khối đất trượt tạo ra có trị số bằng Tmax nhưng hướng ngược lại.
Hình 2.6 Sơ đồ xác định lực kéo neo Tkéo
Do vậy lực kéo neo, ký hiệu là Tkéo làm hệ thống neo có nguy cơ bị tụt, được xác định theo công thức: k a keo H K
Nếu đất đắp sau tường là đất rời với c=0, thì trọng lượng riêng của đất đắp γ a bằng γ Trị số KK trong công thức (2.12) tương ứng với các loại công trình đất có cốt được liệt kê trong bảng 2.3.
Bảng 2.3Xác định trị số KK với các trường hợp góc dốc
Trong trường hợp β = 0, công thức trong bảng 2.3 hoàn toàn tương đồng với hệ số áp lực chủ động theo Rankine và Coulomb, hai phương pháp phổ biến hiện nay được sử dụng để tính toán tường đất có cốt.
Trong tài liệu này, khái niệm về lực kéo được sử dụng để thay thế lực đẩy áp lực đất chủ động trong các tính toán liên quan đến công trình đất có cốt vải địa kỹ thuật Nguyên tắc bố trí cốt vải địa kỹ thuật là một yếu tố quan trọng cần được xem xét để đảm bảo hiệu quả và độ bền của công trình.
2.3.3.1 Tiêu chuẩn để chọn khoảng cách đứng giữa các lớp cốt Để chọn khoảng cách đứng giữa các lớp cốt cần xét đến những tiêu chuẩn sau: + Phát huy tối đa khả năng chịu kéo của vải, lưới địa kỹ thuật dùng làm cốt; + Phù hợp với công nghệ thi công đắp đầm chặt từng lớp đất;
Sự ổn định mái dốc có cốt trên nền đất mềm yếu
2.4.1 Cơ chế phá hoại mái dốc có cốt trên nền đất mềm yếu
Trong nghiên cứu về mái đất có cốt, chúng ta cần xem xét cách mà nó tương tác với mặt nền và phân tích cơ chế phá hoại của nền đất mềm yếu, chủ yếu là nền đất tự nhiên hoặc nền đất không có cốt Khái niệm "mềm yếu" của nền đất là tương đối, và trong bối cảnh nghiên cứu nền đê biển, trọng tâm là khả năng chịu tải của nền đất dính, đặc biệt trong điều kiện bão hòa nước và tăng tải không thoát nước.
Hình 2.8 Cơ chế phá hoại khối đất đắpvà mái có cốt trên nền đất mềm yếu (theo
Hình 2.8 mô tả các cơ chế phá hoại của mái đất có cốt trên nền đất yếu, bao gồm: hình 2.8a thể hiện cơ chế phá hoại do nền không đủ sức chịu tải; hình 2.8b mô tả cơ chế phá hoại tổng thể của công trình, bao gồm mái và nền; hình 2.8c chỉ ra cơ chế phá hoại do biến dạng của nền quá lớn; và hình 2.8d minh họa cơ chế trượt theo mặt nền.
Phân tích ổn định khối đất đắp trên nền đất mềm yếu gồm:
+ Phân tích ổn định về sức chịu tải của nền với sự có mặt của lớp cốt phân cách mái đất có cốt với mặt nền.
+ Phân tích ổn định trượt vòng cung tổng thể: mái cùng với nền có xét đến lực kéo của cốt có trong mái đất.
+ Phân tích ổn định bên trong mái đất ứng xử như một công trình chắn đất có cốt Nhằm mục đích bảo đảm không phá hoại cốt.
2.4.2 Những nguyên tắc tính toán và thiết kế công trình có cốt trên nền đất mềm yếu
Nền đất yếu không đủ sức chịu tải trọng theo tiêu chuẩn 22TCN 248-98, bao gồm đất sét, á sét, đất đầm lầy than bùn với hàm lượng hữu cơ trên 20% và bùn cát có độ bão hòa trên 0,8 Để đảm bảo công trình hoạt động ổn định trên nền đất yếu, cần thực hiện gia cố và xử lý Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng lớp vải địa kỹ thuật, giúp tăng cường khả năng chịu kéo và hạn chế lún, đồng thời cải thiện khả năng chống trượt cho công trình.
Công trình đất có cốt là giải pháp hiệu quả cho các công trình trên nền đất mềm yếu, nhờ vào đặc tính nhẹ, hạn chế lún và tăng cường khả năng chống trượt Sử dụng mái đất có cốt giúp cải thiện tính ổn định và an toàn cho công trình.
Dựa trên phân tích diễn giải, có thể xác định một số nguyên tắc thiết kế mái đất có cốt trên nền đất mềm yếu Việc đặt cốt ở khối đắp nhằm tăng độ dốc của mái, giúp tiết kiệm vật liệu đất đắp khi sử dụng đất tại chỗ Trong trường hợp nền đất xấu, lớp cốt vải địa kỹ thuật cần được đặt sát mặt nền, không thể tách rời, với nhiều chức năng, bao gồm khả năng chịu kéo Đối với công trình đất đắp có chiều rộng nhỏ, lớp vải cốt có thể trải dài khắp mặt nền, chỉ cần kiểm tra khả năng tuột neo và đứt vải tại điểm có độ căng lớn nhất Tuy nhiên, với công trình có bề rộng lớn, việc trải vải khắp mặt nền sẽ tốn kém, do đó cần xem xét bố trí cốt vải ở vị trí hợp lý với chiều dài nhất định và đảm bảo an toàn cho neo vải.
Khi kiểm tra ổn định của mái đất trên nền đất yếu, việc áp dụng các phương pháp phân tích ổn định với mô hình vật lý chính xác là rất quan trọng Hiện nay, có nhiều mô hình vật lý được sử dụng phổ biến để thực hiện các phân tích này.
- Mô hình trạng thái tới hạn
Với mô hình vật lý đã chọn, có thể dùng các phương pháp tính sau:
- Phương pháp cắt lát (phương pháp phần tử đứng)
- Phương pháp phần tử hữu hạn
Phần mềm ReSSA của công ty ADAMA – Engineering – Hoa Kỳ áp dụng mô hình vật lý “Cân bằng giới hạn” cùng với mặt trượt trụ tròn hoặc phức hợp, sử dụng phương pháp lát cắt theo Bishop để kiểm tra ổn định cho khối đắp có cốt trên nền đất yếu.
Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc thường dùng khi chưa có cốt
Bài toán tính ổn định mái dốc là một vấn đề phức tạp với nhiều giả thuyết chưa được xác định rõ ràng Thông thường, các nghiên cứu chỉ tập trung vào mặt phẳng và giả thiết khối đất trượt theo một mặt nhất định, như mặt trượt trụ tròn, gãy khúc, hoặc hỗn hợp Hiện nay, mặt trượt trụ tròn là loại được sử dụng phổ biến nhất trong các phân tích ổn định mái dốc.
2.5.1 Phương pháp phân mảnh của W.Fellenius
Xét mái dốc AB với mặt trượt là cung trượt BC có tâm O và bán kính R Việc cắt lăng thể trượt ABC bằng những mặt thẳng đứng sẽ giúp chia nó thành nhiều mảnh n tùy ý.
Xét một mảnh i bất kỳ, các lực tác dụng lên mảnh này bao gồm trọng lượng Wi, tổng các lực tiếp tuyến Ti, tổng các lực pháp tuyến Ni, và tổng các lực thủy động Ui Bên cạnh đó, còn có tổng các lực tương tác giữa các mảnh i với mảnh i-1 và mảnh i+1, được ký hiệu là Ei và E i+1, cùng với tải trọng tác dụng lên đỉnh mảnh nếu có pi Theo W Fellenius, tổng hình chiếu của tất cả các lực tương tác giữa các mảnh trên phương pháp tuyến phải bằng không, và lực Ni chỉ do trọng lượng Wi gây ra.
Hình 2.9 Sơ đồ tính toán theo phương pháp W.Fellenius
+Hệ số ổn định của mái dốc trong trường hợp có ngoại tải tính theo công thức:
M gt - mô men gây trượt do trọng lượng bản thân của đất và do ngoại tải.
Mô men giữ M gl được xác định bởi cường độ chống cắt của đất, trong đó c là lực dính kết đơn vị của đất và ϕ là góc ma sát trong của đất Thêm vào đó, α i là góc hợp bởi đường nối từ điểm giữa đáy cung trượt của mảnh thứ i với tâm.
O so với đường thẳng đứng;
Trọng lượng của mảnh đất thứ i được tính bằng công thức Wi = bi.hi.γi, trong đó bi là bề rộng, hi là chiều cao trung bình, và γi là dung trọng tự nhiên của đất Ngoài ra, áp lực nước lỗ rỗng tại mảnh thứ i được ký hiệu là ui, và chiều dài cung trượt của mảnh thứ i là li.
Nếu mái dốc được cấu tạo gồm nhiều lớp đất có tính chất khác nhau, thì công thức ổn định của mái dốc là:
∑ (2.24) ϕi, c i - góc ma sát trong; lực dính đơn vị của lớp đất mà đáycung trượt đi qua; γ i - dung trọng tự nhiên trung bình của lớp đất ở mảnh thứ i; γi n i 1 j j i z h
; n- số lớp đất; γ j - dung trọng tự nhiên của lớp đất j trong mảnh i có chiều cao tương ứng Zj
2.5.2 Phương pháp phân mảnh của W.Bishop đơn giản
Phương pháp của W Bishop cũng mang tính phân mảnh, với giả thiết rằng tổng lực tác dụng tương hỗ giữa mảnh i và các mảnh liền kề (i+1) và (i-1) bằng không, do nguyên tắc cân bằng trên phương nằm ngang.
Hình 2.10 Sơ đồ tính theo phương pháp W.Bishop đơn giản + Hệ số ổn địnhmái dốc có tải trọng ngoài tác dụng:
M gt - mô men gây trượt do trọng lượng bản thân của đất và do ngoại tải.
M gl - mô men giữ do cường độ chống cắt của đất. i ( ) i i i tg tg
Nếu mái đất cấu tạo nhiều lớp có tính chất khác nhau, thì công thức tính hệ số ổn định của mái dốc là:
Góc ma sát trong và lực dính đơn vị của lớp đất đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính ổn định của đáy cung trượt Chiều cao trung bình của mảnh đất i và dung trọng tự nhiên trung bình của lớp đất cũng là những yếu tố cần xem xét để đánh giá tình trạng địa chất.
; n- số lớp đất; ;γ j - dung trọng tự nhiên của lớp đất j trong mảnh i có chiều cao tương ứng Zj.
Trong phương pháp này, hệ số ổn định K xuất hiện ở cả hai vế (2.27) và (2.28), do đó cần áp dụng phương pháp thử đúng dần để xác định giá trị chính xác của K cho cung trượt tâm O với bán kính R Giá trị khởi đầu K0 có thể được lấy từ kết quả của phương pháp Fellenius.
Các phương pháp phân tích ổn định mái đắp có cốt trên nền đất yếu
Mái dốc và khối đắp được thiết kế dựa trên các tính toán ổn định, trong đó hai phương pháp chính là phương pháp cân bằng giới hạn (CBGH) và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) Mặc dù PTHH là một phương pháp phức tạp và ít được áp dụng thực tế, Rowe và Soderman đã chỉ ra rằng kết quả tính toán giữa CBGH và PTHH không có sự chênh lệch lớn Do đó, CBGH được nhiều tác giả lựa chọn và phát triển rộng rãi để đảm bảo tính ổn định cho mái dốc khối đắp và các công trình khác.
Phương pháp cân bằng giới hạn dựa trên giả định khối trượt như một thể thống nhất và phân tích trạng thái cân bằng tới hạn của các yếu tố đất trên mặt trượt Sự ổn định được đánh giá qua tỷ số giữa lực kháng trượt và lực gây trượt Mặc dù đã có nghiên cứu cho bài toán 3 chiều, nhưng trong luận văn này, chỉ tập trung vào bài toán phẳng do đặc điểm chiều dài nền đường đắp lớn hơn nhiều so với mặt cắt ngang Nghiên cứu ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn đã được thực hiện từ thế kỷ 19, với nhiều phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, như Fellenius, đã đạt được kết quả đáng kể.
Phân tích ổn định tổng thể của mái dốc được thực hiện thông qua phương pháp cân bằng giới hạn, với giả thiết mặt phẳng phá hoại dạng cung tròn, dựa trên phương trình xác định hệ số an toàn Các phương trình này liên quan đến ứng suất toàn phần và ứng suất có hiệu quả khi mái dốc được gia cố bằng vải.
2.6.1 Các trạng thái giới hạn về ổn định mái dốc có cốt
Các trạng thái giới hạn bao gồm: Ổn định ngoài
- Phá hoại sức chịu tải và phá hoại nghiêng lệch (hình 2.11a);
- Trượt về phía trước (hình 2.11b);
- Phá hoại trượt trong khối đất có cốt (hình 2.11c)
Hình 2.11 Các trạng thái giới hạn phá hoại về ổn định ngoài Ổn định nội bộ
- Kéo đứt các đơn nguyên cốt riêng rẽ (hình 2.12a);
- Phá hoại neo bám gây tuột cốt đối với mỗi đơn nguyên cốt riêng rẽ (hình 2.12b)
Hình 2.12 Các trạng thái giới hạn phá hoại về ổn định nội bộ Ổn định hỗn hợp
- Phá hoại kéo đứt các đơn nguyên cốt riêng rẽ (hình 2.13a);
- Phá hoại neo bám gây tuột cốt đối với mỗi đơn nguyên cốt riêng rẽ (hình
Hình 2.13 minh họa các trạng thái giới hạn phá hoại liên quan đến ổn định hỗn hợp, bao gồm: a Kéo đứt cốt và b Phá hoại neo bám cốt Trong trạng thái giới hạn, lực kéo lớn nhất mà cốt có thể chịu đựng cần phải đáp ứng điều kiện nhất định.
T j - lực kéo lớn nhất trong cốt ở mức j trong mái dốc;
T D - cường độ chịu kéo tính toán của cốt; f n - hệ số riêng phần xét đến hậu quả phá hoại về mặt kinh tế (tra bảng).
2.6.2 Tính toán sơ bộ chiều cao ổn định của mái dốc khi chưa bố trí cốt
Khi đất đắp là đất dính (C≠ 0), hiện tượng trượt xảy ra khi chiều của đất đắp H vượt quá chiều cao giới hạn, được tính theo công thức cụ thể.
N s - Hệ số ổn định, tùy thuộc vào góc mái dốc α và góc ma sát trong của đất ϕ
C, γ - Lực dính kết đơn vị và dung trọng của đất đắp.
Nếu chiều cao của đất đắp lớn hơn Hgh, cần gia cố mái dốc bằng cốt địa kỹ thuật để đảm bảo phần đất không bị trượt vào khu vực bên ngoài.
2.6.3 Phương pháp phân mảnh để tính toán mặt trượt tròn trong mái dốc đắp có cốt
Có nhiều phương pháp để đánh giá sự ổn định của mái dốc trong đất có cốt, bao gồm phương pháp phân tích khối nêm hai phần, phương pháp phân mảnh cho mặt trượt tròn, và phương pháp tính toán ứng suất kết hợp Trong bài viết này, tác giả sẽ tập trung vào phương pháp phân mảnh với mặt trượt tròn để tính toán sự ổn định của mái dốc đắp trong đất có cốt.
Phương pháp phân mảnh được sử dụng để phân tích và tính toán ổn định cho các mái dốc có cốt hoặc không cốt, áp dụng cho nhiều hình dạng và tầng đất khác nhau Đối với mái dốc có cốt, giả thiết rằng lực tương tác giữa các mảnh không được xem xét do cốt ảnh hưởng phức tạp đến lực và làm giảm xáo trộn của khối đất trượt Trong quá trình tính toán, giả định rằng các lớp cốt nằm ngang và chỉ xem xét các điểm giao cắt với mặt trượt tại từng mảnh Mômen giữ từ tác động của đất và cốt phải lớn hơn hoặc bằng mômen trượt do trọng lượng đất, và tất cả các mômen này cần được tính toán dựa trên tâm quay của khối trượt.
Hình 2.14 Phương pháp phân mảnh với mặt trượt tròn để tính ổn định mái đốc trong đất có cốt Để cân bằng, cần phải thoả mãn điều kiện:
M gt - mô men gây trượt do trọng lượng bản thân của đất và do ngoại tải;
M g1 - mô men giữ do cường độ chống cắt của đất;
M g2 - mô men giữ do sự có mặt của cốt trong mái dốc;
K- hệ số ổn định mái dốc;
[K]- hệ số ổn định cho phép đối với các công trình thiết kế (do qui phạm qui định)
2.6.3.1 Sử dụng phương pháp phân mảnh của W.Fllenius để kiểm tra ổn định mái dốc có cốt
Xét mái dốc AB với mặt trượt là cung trượt BC có tâm O và bán kính R Việc cắt lăng thể trượt ABC bằng những mặt thẳng đứng sẽ tạo ra một số mảnh n tùy ý.
Xét một mảnh i bất kỳ, các lực tác dụng lên mảnh này bao gồm trọng lượng Wi, tổng các lực tiếp tuyến Ti, tổng các lực pháp tuyến Ni và tổng các lực thủy động Ui trên phương pháp tuyến với đáy mảnh Ngoài ra, còn có tổng các lực tương tác giữa các mảnh i với mảnh i-1 và mảnh i+1, được ký hiệu là Ei và E i+1, cùng với tải trọng tác dụng lên đỉnh mảnh nếu có pi W Fellenius đề xuất rằng tổng hình chiếu của tất cả các lực tương tác giữa các mảnh trên phương pháp tuyến là bằng không và lực Ni chỉ do Wi gây ra.
+ Mô men gây trượt do trọng lượng bản thân của đất và do ngoại tải.
+ Mô men giữdo cương độ chống cắt của đất.
M g [ ( w f P f ) Cos U ] R f tg f c l n i n i i fs i q i i ms ip ms i i
M g [ ( w f b q f ) Cos u l ] R f tg f c l n i n i i fs i i q i i i ms ip ms i i
(2.34) + Mô men chống trượt do sự có mặt của cốt trong mái dốc. j n j j g T Y
Hệ số riêng phần f fs được áp dụng cho trọng lượng đơn vị của đất, trong khi f q là hệ số tải trọng riêng phần cho ngoại tải Cường độ tải trọng trung bình q i tác động lên mảnh i được tính bằng công thức ngoại tải Pi=q i b i Ngoài ra, lực dính c’ của vật liệu đắp được xác định trong điều kiện ứng suất hữu hiệu.
Trọng lượng bản thân của cột phân tố i được tính bằng công thức Wi = γb i h i, trong đó γ là dung trọng tự nhiên của đất đắp và h i là chiều cao trung bình của cột đất thứ i Áp lực nước lỗ rỗng trung bình tác dụng lên mặt trượt tại mảnh li được xác định bằng U i = u i l i, với u i là áp lực nước lỗ rỗng trên đoạn l i Góc kháng cắt lớn nhất của vật liệu đắp được ký hiệu là ϕ’ p, trong khi các hệ số riêng phần áp dụng cho tgϕ’p và c’ được tham khảo từ bảng Chiều dài cung trượt thuộc mảnh i được ký hiệu là l i.
Cánh tay đòn Y j là khoảng cách từ tâm cung trượt 0 đến mặt phẳng ngang, nơi hợp lực của tổng các lực kéo tác động lên cốt trong mái dốc Cần lưu ý rằng ở các vị trí biến dạng theo chiều rộng, cánh tay đòn momen này có thể trở thành bằng R, thường là một giá trị biến dạng theo chiều rộng.
Tổng số lực kéo lớn nhất trong cốt ở mức j trong mái dốc được ký hiệu là ∑T j Để tính sức chịu kéo cần thiết của cốt cho trường hợp mái dốc đồng nhất, có thể áp dụng phương pháp phân mảnh của W Fllenius.
Sau khi xác định tâm trượt và bán kính của cung trượt nguy hiểm nhất trong trường hợp mái dốc không có cốt mềm, cần dựa vào kết quả này để tìm sức chịu kéo cần thiết của cốt (∑Tj) trong mái dốc Cần lưu ý rằng trọng lượng của cốt là rất nhỏ, vì vậy ảnh hưởng của cốt mềm đến dung trọng tự nhiên của đất trong toàn khối là không đáng kể Do đó, có thể sử dụng dung trọng tự nhiên của khối đất đắp có cốt chính bằng dung trọng tự nhiên của đất đắp.
Mô men giữ do các lực tác động tổ hợp của đất và cốt phải không được nhỏ hơn mô men trượt do trọng lượng đất gây ra.
Theo điều kiện (2.31) ta có:
Từ điều kiện trên ta có:
+ Mô men gây trượt do trọng lượng bản thân của đất và do ngoại tải (theo 2.32)
+ Mô men giữ do cương độ chống cắt của đất (theo 2.33)
+ Mô men chống trượt do sự có mặt của cốt trong mái dốc (theo 2.35) j n j j g T Y
(2.41) b) Sử dụng phương pháp phân mảnh của W.Fllenius để tính sức chịu kéo cần thiết của cốt đối với trường hợp mái dốc không đồng nhất:
