Bài giảng Thiết kế đường - Phần 2: Thiết kế nền đường và các công trình trên đường - Th.S Võ Hồng Lâm

Bài giảng Thiết kế đường - Phần 2: Thiết kế nền đường và các công trình trên đường cung cấp cho người học những kiến thức như: Thiết kế nền đường thông thường; Thiết kế và tính toán ổn định nền đường đắp trên đất yếu;Các công trình chống đỡ nền đường

PHẦN II THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG

CHƯƠNG 1

THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG THÔNG THƯỜNG

1.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI NỀN ĐƯỜNG - CHIỀU SÂU HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẤT NỀN ĐƯỜNG

1.1.1 Những yêu cầu chung đối với nền đường

Nền đường ô tô là một công trình bằng đất (đá) có tác dụng:

- Khắc phục địa hình thiên nhiên nhằm tạo nên một dải đất đủ rộng dọc theo tuyến đường có các tiêu chuẩn về bình đồ, trắc dọc, trắc ngang đáp ứng được điều kiện chạy xe an toàn, êm thuận và kinh tế

- Làm cơ sở cho áo đường: lớp phía trên của nền đường cùng với áo đường chịu tác dụng của tải trọng xe cộ và của các nhân tố thiên nhiên do đó có ảnh hưởng rất lớn đến cường độ và tình trạng khai thác của cả công trình đường

Để đảm bảo các yêu cầu nói trên, khi thiết kế và xây dựng nền đường cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau đây:

1 Nền đường phải đảm bảo luôn ổn định toàn khối, nghĩa là kích thước hình học và hình dạng của nền đường không bị phá hoại hoặc biến dạng gây bất lợi cho việc thông xe

Hình 1.1 Các hiện tượng nền đường mất ổn định toàn khối

a) Trượt ta luy đắp; b) Trượt nền đường đắp trên sườn dốc; c) Lún sụt trên đất yếu

d) Trượt trồi trên đất yếu e) Sụt lở ta luy đào; f) Trượt ta luy đào

Các hiện tượng mất ổn định toàn khối đối với nền đường thường là: trượt lở mái ta luy nền đường đào hoặc đắp, trượt nền đường đắp trên sườn dốc, trượt trồi

và lún nền đất đắp trên đất yếu,… (Hình 1.1)

2 Nền đường phải đảm bảo có đủ cường độ nhất định, tức là đủ độ bền khi chịu cắt trượt và không được biến dạng quá nhiều (hay không được tích luỹ biến dạng) dưới tác dụng của tải trọng bánh xe

3 Nền đường phải luôn đảm bảo ổn định về mặt cường độ, nghĩa là cường độ của nền đường không được thay đổi theo thời gian, theo điều kiện khí hậu, thời tiết một cách bất lợi

Nền đường thường bị phá hoại do các nguyên nhân sau đây:

- Sự phá hoại của thiên nhiên như mưa làm tích nước hai bên đường, làm giảm cường độ của đất nền đường, gây sạt lở mái dốc ta luy

- Điều kiện địa chất thủy văn tại chỗ không tốt về cấu tạo tầng lớp và mức độ phong hoá đất đá, đặc biệt là sự phá hoại của nước ngầm (nước ngầm chảy lôi theo đất gây hiện tượng xói ngầm và giảm cường độ của đất)

- Do tác dụng của tải trọng xe chạy

- Do tác dụng của tải trọng bản thân nền đường khi nền đường đắp quá cao hoặc đào quá sâu, ta luy quá dốc thường hay bị sạt lở

- Do thi công không đảm bảo chất lượng: đắp không đúng quy cách, loại đất đắp, lu lèn không chặt,…

Trong số các nguyên nhân nói trên, tác dụng phá hoại của nước đối với nền đường là chủ yếu nhất (gồm nước mặt, nước ngầm và cả hơi nước)

1.1.2 Chiều sâu hoạt động của đất nền đường

Cường độ và độ ổn định của nền đường chủ yếu là do các lớp đất tầng trên quyết định, như vậy cần phải xác định chiều sâu hoạt động của tải trọng

Hình 1.2 Sơ đồ xác định chiều sâu khu vực tác dụng của nền đường

Chiều sâu hoạt động của đất nền đường hay phạm vi hoạt động của đất nền đường là khu vực chịu tác dụng của tải trọng động (tải trọng xe cộ đi trên đường

Trên hình vẽ, ứng suất tại mỗi điểm trong đất do trọng lượng bản thân nền đắp gây nên là: (xét trường hợp đất đồng nhất)

sg= g.z

g - dung trọng của đất đắp (t/m3); z – chiều sâu tính ứng suất, m

Ứng suất thẳng đứng do tải trọng động của bánh xe P gây ra sẽ phân bố tắt dần theo chiều sâu theo công thức của Bussinet:

sz =k.P/z2

k – hệ số Bussinet

2

5 2 1

1 2

3

ú

ú û

ù ê

ê ë

é

÷ ø

ö ç è

æ +

×

=

Z r

k

Đầm nén chặt đất nền đường: là một biện pháp tăng được cường độ và cải

thiện được chế độ thủy nhiệt của nền đường tương đối đơn giản, phổ biến và có hiệu quả cao

đặc trưng cho độ chặt của đất được đầm nén thông qua hệ số đầm nén:

là dung trọng khô của loại đất đó nhưng được nén chặt trong điều kiện tiêu chuẩn (độ chặt lớn nhất – xác định bằng cối Proctor)

1.1.3 Nguyên tắc thiết kế nền đường

1 Phải đảm bảo khu vực tác dụng của nền đường (khi không có tính toán đặc biệt, khu vực này có thể lấy tới 80 cm kể từ dưới đáy áo đường trở xuống) luôn đạt được các yêu cầu sau:

- Không bị quá ẩm (độ ẩm không lớn hơn 0,6 giới hạn nhão) và không chịu ảnh hưởng các nguồn ẩm bên ngoài (nước mưa, nước ngầm, nước bên cạnh nền đường)

- 30 cm trên cùng phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu bằng 8 đối với đường cấp I, cấp II và bằng 6 đối với đường các cấp khác

- 50 cm tiếp theo phải đảm bảo sức chịu tải CBR tối thiểu bằng 5 đối với đường cấp I, cấp II và bằng 4 với đường các cấp khác

Ghi chú: CBR xác định theo điều kiện mẫu đất ở độ chặt đầm nén thiết kế và được ngâm bão hòa 4 ngày đêm

2 Để hạn chế tác hại xấu đến môi trường và cảnh quan, cần chú trọng các nguyên tắc:

- Hạn chế phá hoại thảm thực vật Khi có thể nên gom đất hữu cơ trong nền đào để phủ xanh lại các hố đất mượn, các sườn taluy

- Hạn chế phá hoại cân bằng tự nhiên Đào đắp vừa phải Chú ý cân bằng đào đắp Gặp địa hình hiểm trở nên so sánh nền đường với các phương án cầu cạn, hầm, nền ban công Chiều cao mái dốc nền đường không nên cao quá 20 m

- Trên sườn dốc quá 50% nên xét phương án tách thành hai nền đường độc lập

- Nền đào và nền đắp thấp nên có phương án làm thoải (1:3 ~ 1:6) và gọt tròn

để phù hợp địa hình và an toàn giao thông

- Hạn chế các tác dụng xấu đến đời sống kinh tế và xã hội của cư dân như gây ngập lụt ruộng đất, nhà cửa Các vị trí và khẩu độ công trình thoát nước phải đủ để không chặn dòng lũ và gây phá nền ở chỗ khác, tránh cản trở lưu thông nội bộ của địa phương, tôn trọng quy hoạch thoát nước của địa phương

1.2 CÁC LOẠI ĐẤT ĐẮP NỀN ĐƯỜNG – TIÊU CHUẨN ĐẦM NÉN ĐẤT NỀN ĐƯỜNG

1.2.1 Các loại đất đắp nền đường

Đất, đá là vật liệu chủ yếu để xây dựng nền đường, kết cấu của nền mặt đường

và sự làm việc của công trình đường phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của đất Trong xây dựng nền đường, để hạ giá thành xây dựng thường dùng đất tại chỗ để đắp nền đường Cường độ và độ ổn định của nền đường phụ thuộc vào loại đất và cường độ của đất

Cỡ hạt đất càng lớn thì đất có cường độ càng cao, tính mao dẫn càng thấp, tính thấm và thoát nước tốt, ít hoặc không nở khi gặp nước cũng như ít hoặc không co khi khô Những tính chất này khiến cho loại đất chứa nhiều cỡ hạt lớn có tính ổn định nước tốt, tuy nhiên nó có nhược điểm lớn là tính dính và tính dẻo kém

Cỡ hạt đất càng nhỏ thì các tính chất trên ngược lại

Phân loại đất đắp nền đường:

1 Đá : Là loại vật liệu xây dựng nền đường rất tốt Nền đường đắp bằng đá thì

đảm bảo cường độ và độ ổn định, chống được xói bào mòn và va đập của dòng nước

2 Đất lẫn đá: Gồm các hạt đá có kích cỡ lớn hay nhỏ lẫn với cát và sét Đá

trong đất lẫn đá là đá rắn chắc, không bị phong hoá, có cường độ cao và không bị mềm trong nước Loại này dùng đắp nền đường rất tốt

3 Sỏi cuội: Là loại vật liệu đá dưới tác dụng của dòng nước bị chuyển chỗ và

bào mòn, trong thành phần có lẫn cả cát và sét Loại này đắp nền đường khá tốt, khi đắp ở nơi khô và quá ẩm ướt cường độ không thay đổi nhiều Nhược điểm là sức chống xói mòn kém nên mặt ngoài của mái dốc cần được gia cố

4 Cát : Là loại đất vụn, rời rạc, ít dính, kích thước hạt khoảng <2-3mm, nước

thấm qua dễ, độ cao mao dẫn thấp, khi bão hoà nước thì cường độ ít thay đổi Vì vậy cát là vật liệu tốt để đắp nền đường, đặc biệt ở các vùng ẩm ướt, nước đọng hoặc ở nền đường bãi sông Tuy vậy, do tính dính kém nên dễ bị xói lở và bào mòn

do nước và gió, cho nên ta luy nền đường cần được gia cố bảo vệ

5 Đất cát bột: Cỡ hạt từ 0,25-0,05mm chiếm từ 15-50%, ít dính, khi no nước

cường độ giảm nhiều, không thích hợp để đắp nền đường

6 Đất á cát: Là loại đất tốt để đắp nền đường (lượng cát >50% khối lượng) có

cường độ ổn định, tính dính cao, có khả năng thoát nước nhanh

7 Đất sét: Là loại đất có tính dính lớn và tính thấm nước rất kém, lâu bão hoà

nước và lâu khô, chỉ dùng đắp nền đường ở những nơi khô ráo Ở trạng thái ẩm ướt đất sẽ mềm nhão và không nén chặt được

8 Đất á sét: Là loại đất tốt để đắp nền đường, có tính dính lớn chống được xói

lở và làm cho ta luy nền đường ổn định Cần chú ý nền đường đắp qua bãi sông bằng loại đất này khi nước rút không thoát ra ngay làm tăng áp lực thuỷ động và gây mất ổn định mái ta luy

9 Đất bột: Là loại đất có những hạt rất nhỏ, cường độ thấp khi khô thì bong,

khi ướt thì nhão không thích hợp để đắp nền đường

10.Đất hữu cơ: Loại này có cường độ thấp, tính trương nở lớn, không nên đắp

nền đường

Cần nắm vững các loại đất và tính chất của đất được phân tích ở trên để tìm cách xử lý, cải thiện hoặc đề xuất các biện pháp cấu tạo khác (như thoát nước, đắp cao, gia cố, ) để khắc phục các nhược điểm của mỗi loại đất nhằm thoả mãn các yêu cầu đối với nền đường một cách tốt nhất

Phân loại đất theo TCVN 5747-1993 theo các bảng 1.1, 1.2 và 1.3 sau:

Một số yêu cầu đối với đất đắp nền đường

1 Đất đắp nền đường lấy từ nền đào, từ mỏ đất, từ thùng đấu Việc lấy đất phải tuân thủ nguyên tắc hạn chế tác động xấu đến môi trường Thùng đấu phải thiết kế có hình dáng hình học hoàn chỉnh, không làm xấu cảnh quan và khi có thể phải tận dụng được sau khi làm đường

Đất từ các nguồn phải có thí nghiệm, không được đắp hỗn độn mà đắp thành từng lớp

Các lớp được đắp xen kẽ nhau nhưng khi lớp bằng đất có tính thoát nước tốt ở trên lớp đất có tính khó thoát nước thì mặt của lớp dưới phải làm dốc ngang 2 đến 4% để thoát nước

2 Không dùng các loại đất lẫn muối và lẫn thạch cao (quá 5%), đất bùn, đất than bùn, đất phù sa và đất mùn (quá 10% thành phần hữu cơ) để làm nền đường Trong khu vực tác dụng không được dùng đất sét nặng có độ trương nở tự do vượt quá 4%

Không nên dùng đất bụi và đá phong hoá để đắp các phần thân nền đường trong phạm vi bị ngập nước

Tại chỗ sau mố cầu và sau lưng tường chắn nên chọn vật liệu đắp hạt rời có góc nội ma sát lớn

Khi sử dụng vật liệu đắp bằng đá thải, bằng đất lẫn sỏi sạn thì kích cỡ hạt (hòn) lớn nhất cho phép là 10cm đối với phạm vi đắp nằm trong khu vực tác dụng 80cm kể từ đáy áo đường và 15cm đối với phạm vi đắp phía dưới; tuy nhiên, kích

cỡ hạt lớn nhất này không được vượt quá 2/3 chiều dầy lớp đất đầm nén (tuỳ thuộc công cụ đầm nén sẽ sử dụng)

3 Không được dùng các loại đá đã phong hoá và đá dễ phong hoá (đá sít ) để đắp nền đường

4 Khi nền đường đắp bằng cát, nền đường phải được đắp bao cả hai bên mái dốc và cả phần đỉnh nền phía trên để chống xói lở bề mặt và để tạo thuận lợi cho việc đi lại của xe, máy thi công áo đường Đất đắp bao hai bên mái dốc phải có chỉ

số dẻo lớn hơn hoặc bằng 7; còn đất đắp bao phía trên đỉnh nền phải có chỉ số dẻo

từ 6 đến 10 và nên sử dụng cấp phối sỏi đồi Đất đắp bao phần trên đỉnh nền không được dùng vật liệu rời rạc để hạn chế nước mưa, nước mặt xâm nhập vào phần đắp cát

Bề dầy đắp bao hai bên mái dốc tối thiểu là 1,0m và bề dầy đắp bao phía đỉnh nền (đáy áo đường) tối thiểu là 0,30m

1.2.2 Tiêu chuẩn đầm nén đất nền đường

Theo tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô TCVN 4054-05 và tiêu chuẩn đầm nén đất TCVN 4201-1995, tiêu chuẩn đầm nén đất quy định như sau:

Bảng 1.4 Độ chặt quy định của nền đường

Độ chặt k Loại công trình

Độ sâu tính

từ đáy áo đường xuống (cm)

Đường ôtô

từ cấp IV trở lên

Đường ôtô

từ cấp V trở xuống

Khi áo đường dày trên

(**) Nếu nền tự nhiên không đạt độ chặt yêu cầu quy định ở bảng 1.4 thì phải đào phạm vi không đạt rồi đầm nén lại để đạt yêu cầu

1.3 SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN THIÊN NHIÊN ĐẾN NỀN ĐƯỜNG - CHẾ ĐỘ THUỶ NHIỆT CỦA NỀN ĐƯỜNG

1.3.1 Sự ảnh hưởng của các điều kiện thiên nhiên đến nền đường

Nền đường trực tiếp chịu ảnh hưởng của các điều kiện thiên nhiên như nhiệt

độ, mưa, gió, bốc hơi, Trong thiết kế và xây dựng đường cần phải lưu ý hạn chế những ảnh hưởng bất lợi đó

1.3.1.1 Ảnh hưởng của nước

Nền đường ô tô có thể chịu ảnh hưởng của các nguồn ẩm như hình 1.3

Hình 1.3 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 thùng đấu, rãnh dọc, nước ngập hay kênh

mương, ao hồ sát đường,… Nước đọng có thể tồn tại lâu dài hoặc từng thời kỳ, nước đọng 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

1.3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ

Sự thay đổi của nhiệt độ có ảnh hưởng tới độ ẩm của đất, khi nhiệt độ cao nước trong đất có khả năng bốc hơi nhiều do độ ẩm của không khí giảm

1.3.1.3 Ảnh hưởng của gió

Độ bốc hơi càng lớn khi lực gió càng lớn vì khi gió mạnh, không khí chuyển động, lớp không khí ở sát mặt đất không bị bão hoà hơi nước nữa

Qua các phân tích trên ta thấy độ ẩm là nhân tố có ảnh hưởng rất lớn đến nền đường Độ ẩm càng lớn thì cường độ của nền đường càng giảm và đất càng biến dạng nhiều Nói chung người ta thường tìm cách hạn chế tác hại của độ ẩm và luôn giữ cho đất nền đường ở trạng thái dẻo cứng

1.3.2 Chế độ thủy nhiệt của nền đường

1.3.2.1 Chế độ thủy nhiệt của nền đường

Chế độ thủy nhiệt của nền đường hay quy luật tác động của môi trường thiên nhiên đối với nền đường là quy luật thay đổi và phân bố độ ẩm của các điểm khác nhau trong khối đất nền đường theo thời gian

Chế độ thuỷ nhiệt của nền đường phụ thuộc vào quy luật chung của thời tiết, khí hậu cũng như các yếu tố thiên nhiên địa hình, địa mạo, quang cảnh, của vùng xây dựng đường

Chế độ thuỷ nhiệt của nền đường còn phụ thuộc vào kết cấu nền đường và mặt đường, cụ thể như biện pháp thoát nước nền mặt đường, chiều cao đào đắp của nền đường, độ chặt của đất nền đường và loại mặt đường

Nội dung nghiên cứu chế độ thủy nhiệt của nền đường là nhằm xác định được quy luật thay đổi và phân bố độ ẩm của đất nền đường theo thời gian đối với các kết cấu nền mặt đường khác nhau ở các vùng thiên nhiên khác nhau Nhờ đó có thể nắm được quy luật phân bố độ ẩm trong thời gian bất lợi nên có thể đề xuất được các biện pháp thay đổi tình trạng phân bố đó như ngăn chặn các nguồn ẩm, tăng cường độ của đất nền đường

1.3.2.2 Các biện pháp cải thiện chế độ thủy nhiệt của đất nền đường

Cải thiện chế độ thuỷ nhiệt là áp dụng các biện pháp thiết kế hạn chế tác hại của của các nguồn ẩm như đắp cao nền đường, mở rộng lề đường, thoát nước mặt, thay đất hoặc đầm nén chặt đất Các biện pháp cải thiện chế độ thuỷ nhiệt trước hết cần phải thực hiện đối với khu vực tác dụng của nền đường

1 Đầm nén chặt đất nền đường: là một biện pháp tăng được cường độ và cải thiện

được chế độ thủy nhiệt của nền đường tương đối đơn giản, phổ biến và có hiệu quả cao

2 Biện pháp đắp cao nền đường:

Đắp cao nền đường trên mức nước ngầm hoặc mức nước đọng thường xuyên

là một biện pháp gần như bắt buộc để cải thiện trạng thái phân bố ẩm bất lợi trong thân nền đường

Chiều cao nền đắp cần thiết kể từ mức nước ngầm tính toán hoặc mức nước đọng thường xuyên đến bề mặt của mặt đường có thể xác định theo công thức:

Hđắp = zmax + za

3 Biện pháp thoát nước và ngăn chặn các nguồn ẩm:

- Thoát nước mặt: Làm các độ dốc ngang mặt đường, lề đường, bố trí hệ thống rãnh dọc, rãnh tháo

- Ngăn chặn, khống chế ảnh hưởng của nước ngầm

- Dùng các lớp cách nước, cách hơi để ngăn chặn nước ngầm mao dẫn hoặc hơi nước

- Đắp lề đường đủ rộng để ngăn chặn nước ngập hai bên nền đường di chuyển vào khu vực tác dụng của nền đường

- Chọn và thiết kế kết cấu áo đường và lề đường hợp lý cũng là một biện pháp hạn chế tác dụng của các nguồn ẩm Như dùng loại vật liệu lớp mặt không (ít) thấm nước hoặc dùng các lớp móng cát dễ thoát nước ngang

Tần suất thiết kế nền đường được quy định:

- Cao độ đáy áo đường phải cao hơn mực nước ngầm tính toán (hay mực nước đọng thường xuyên) một trị số cao độ ghi trong bảng 1.5 (theo TCVN 4054-05)

Bảng 1.5 Chiều cao tối thiểu tính từ mực nước ngầm tính toán (hoặc mức nước đọng thường xuyên) tới đáy áo đường

1.5 CẤU TẠO NỀN ĐƯỜNG TRONG TRƯỜNG HỢP THÔNG THƯỜNG

Các loại trắc ngang nền đường thường gặp bao gồm:

- Nền đắp hoàn toàn

- Nền đào hoàn toàn

- Nền nửa đào nửa đắp

- Nền đào hình chữ L (Là loại nền đào đặc biệt)

- Nền đắp rất cao (h≥12m) và nền đường đắp qua bãi sông

Các dạng trắc ngang định hình nền đắp như hình 1.4

Hình 1.4 Các trắc ngang định hình nền đường đắp

a) Nền đắp dưới 1m; b) nền đắp từ 1 – 6m;

c) Nền đắp từ 6 – 12m; d) Nền đường đầu cầu và nền đắp dọc sông

Bề rộng bậc thềm bảo vệ k=0÷4m tuỳ thuộc chiều cao nền đắp

Đối với loại đất đắp thông thường, bằng kinh nghiệm thường cấu tạo mái dốc

ta luy là 1:1,5 Trường hợp chiều cao mái dốc đắp lớn hơn 6-12m thì phải phân tích, kiểm toán ổn định để quyết định hình dạng nền đường và độ dốc ta luy Chiều cao mái dốc đắp đất không nên quá 16.0m và đắp đá không nên quá 20m

Tuỳ theo độ cao của mái đắp và loại vật liệu đắp, độ dốc mái đắp theo qui định trong bảng 1.6 (theo TCVN 4054-05)

Hình 1.5 Cấu tạo nền đắp trên sườn dốc có độ dốc 20 – 50%

- Nếu độ dốc của sườn dốc lớn hơn 50% thì không thể đắp đất với mái dốc ta luy 1:1,5 được nữa mà phải dùng các giải pháp chống đỡ để tăng ổn định (kè chân,

kè vai, xếp khan, xây vữa, bê tông xi măng) (Hình 1.6 a, b)

Hình 1.6 Cấu tạo các biện pháp chống đỡ nền đường trên sườn dốc

a) Xếp đá; b) Xây tường chắn

Các chỗ lấy đất để đắp nền đường phải được quy hoạch trước và được sự chấp nhận của địa phương theo nguyên tắc sau:

- Tận dụng các chỗ hoang hoá, có chất lượng đất và điều kiện khai thác thích hợp;

- Không ảnh hưởng môi trường, tiết kiệm đất đai;

- Kết hợp việc khai thác đất với nông, ngư nghiệp (tạo nơi chứa nước, nuôi trồng thủy sản )

1.5.2 Các trắc ngang định hình nền đường đào

Bao gồm nền đường đào hoàn toàn (Hình 1.7a) và đào chữ L (Hình 1.7b)

Hình 1.7 Cấu tạo nền đường đào

a) Nền đào hoàn toàn; b) Nền đào chữ L Nền đào khi xây dựng sẽ phá vỡ thế cân bằng của các tầng đất, đá thiên nhiên,

vì vậy mái dốc ta luy đào cần phải có độ dốc nhất định để đảm bảo ổn định cho ta luy và sườn dốc

Quyết định độ dốc ta luy đào cần quan sát, phân tích các yếu tố sau:

- Thành phần và tính chất cơ lý của các lớp đất đá

- Thế nằm và sự phát triển các mặt nứt, kẽ nứt

- Nguyên nhân hình thành địa chất (sườn tích, đồi tích đá, trầm tích, )

- Tính chất kết cấu và mức độ phong hoá của đất đá

- Chiều cao mái dốc,

Độ dốc của mái dốc ta luy nền đường đào được lấy như sau (theo TCVN 4054-05):

Bảng 1.7 Độ dốc ta luy đào

Ghi chú bảng 1.7: Với nền đào đất, chiều cao mái dốc không nên vượt quá 20 m

thì mái dốc thiết kế nên lấy bằng góc dốc mặt tầng đá và chiều cao mái dốc cũng nên hạn chế dưới 30m

Khi chiều cao mái dốc cao hơn 12m thì phải tiến hành phân tích, kiểm toán ổn định bằng các phương pháp thích hợp tương ứng với trạng thái bất lợi nhất (đất, đá phong hoá bão hoà nước) Với mái dốc bằng vật liệu rời rạc, ít dính thì nên áp dụng phương pháp mặt trượt phẳng; với đất có dính kết thì nên dùng phương pháp mặt trượt tròn Hệ số ổn định nhỏ nhất phải bằng hoặc lớn hơn 1,25

Khi mái dốc qua các tầng, lớp đất đá khác nhau thì phải thiết kế có độ dốc khác nhau tương ứng, tạo thành mái dốc đào kiểu mặt gẫy hoặc tại chỗ thay đổi độ dốc bố trí thêm một bậc thềm rộng 1¸3,0 m có độ dốc 5 – 10 % nghiêng về phía trong rãnh; trên bậc thềm phải xây rãnh thoát nước có tiết diện chữ nhật, tam giác đảm bảo đủ thoát nước đủ thoát nước từ tầng ta luy phía trên

Hình 1.8 Cấu tạo nền đào qua các lớp đất khác nhau

Khi mái dốc đào không có các tầng lớp

đất, đá khác nhau nhưng chiều cao lớn thì

cũng nên thiết kế bậc thềm như trên với

khoảng chiều cao giữa các bậc thềm từ 6 –

12m

Khi đào qua lớp đá cứng chưa bị phong

hoá thì có thể dùng dạng đào nửa hầm

Khi mái dốc có cấu tạo dễ bị lở, rơi thì

giữa mép ngoài của rãnh biên tới chân mái dốc

nên có một bậc thềm rộng tối thiểu 1,0m Khi

đã có tường phòng hộ, hoặc khi mái dốc thấp

hơn 12m thì không phải bố trí bậc thềm này

Hình 1.9 Cấu tạo nền đào nửa hầm

Phải thiết kế quy hoạch đổ đất thừa từ nền đào, không được tuỳ tiện đổ đất xuống sườn dốc phía dưới gây mất ổn định sườn dốc tự nhiên, không được đổ xuống ruộng, vườn, sông suối phía dưới Chỗ đổ đất phải được san gạt thành bãi Trồng cây cỏ phòng hộ và có biện pháp thoát nước thích hợp

1.5.3 Cấu tạo nền đường nửa đào nửa đắp

Thường gặp khi nền đường qua các vùng sườn dốc nhẹ (dưới 50%) Lúc này

có thể vận dụng các cấu tạo nói riêng cho phần đào và phần đắp Khi thi công cần tận dụng vận chuyển ngang đất từ nửa đào sang nửa đắp (Hình 1.10)

Hình 1.10 Cấu tạo nền đường nửa đào nửa đắp

1.5.4 Cấu tạo nền đường cao tốc (TCVN 5729-97)

Do các yêu cầu đảm bảo xe chạy an toàn, thuận tiện với tốc độ cao, chống đất,

đá lở ở đoạn đường đào và yêu cầu về thiết kế cảnh quan, nền đường cao tốc nên được thiết kế với mái dốc thoải như bảng 1.8 Trường hợp bị hạn chế về diện tích chiếm đất thì có thể dùng tường chắn hoặc đắp đá thay cho mái dốc đắp Đối với ta luy đào trên các sườn núi có độ dốc ngang lớn, địa hình quá khó khăn và với các ta luy đào đá, đắp đá thì có thể dùng tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô công cộng TCVN 4054-05

Bảng 1.8 Độ dốc ta luy đất nền đường cao tốc

Ghi chú : Các trị số trong ngoặc áp dụng cho các trường hợp địa hình khó khăn

hoặc hạn chế về diện tích chiếm đất cho phép

Đỉnh mái dốc đắp nên được gọt tròn với bán kính R=2,5m, chân mái dốc đắp với R=8,0m; đỉnh mép vai ta luy đào với R=2,5m, đỉnh mái dốc nền đào với R=2H với H là chiều cao ta luy đào, m

Để hình dạng nền đường phối hợp tốt với cảnh quan, ở đoạn nền đào sâu chuyển sang nền đắp nên thiết kế độ dốc ta luy đào thoải dần kể từ giữa đoạn ra đến chỗ bắt đầu chuyển sang đắp (ví dụ từ độ dốc 1:2 ở giữa chuyển dần thành 1:3 rồi 1:5)

1.6 PHÒNG HỘ VÀ GIA CỐ TA LUY NỀN ĐƯỜNG

Mục đích của việc gia cố mái ta luy là để đề phòng ta luy bị phá hoại do tác dụng của nước mưa, nước mặt, sóng, gió, và các tác dụng khác (như tác dụng phong hoá bề mặt), Mùa mưa mái ta luy rất dễ bị xói thành các vệt xói sâu làm

bề mặt mái ta luy bị phá hoại, mái đất lở xuống làm tắc rãnh dọc, xói hổng chân ta luy dẫn đến sụt lở lớn Những đoạn nền đường đắp qua bãi sông, ven biển, ven hồ, qua các các cánh đồng chiêm, thì mái ta luy thường bị sóng vỗ hoặc nước chảy với tốc độ lớn gây xói lở, sạt cả đoạn dài Ở vùng núi, các mái ta luy cao có diện

hở lớn càng dễ bị phong hoá nặng, càng dễ bị ngấm nước nhiều dẫn đến phá hoại

Những mái ta luy đất ít dính còn có thể bị phá hoại do gió thổi hoặc do súc vật trèo qua Do đó, tuỳ trường hợp cần phải có các biện pháp gia cố mái ta luy thích đáng, nhất là nhiều trường hợp do bị phá hoại bề mặt lâu dài sẽ dẫn đến cả mái ta luy mất

ổn định toàn khối

Các hình thức gia cố mái ta luy thông thường gồm có:

- Đầm nén chặt và gọt nhẵn mái ta luy

- Trồng cỏ trên mái ta luy: có thể trồng bằng cách đánh các vầng cỏ găm có

hàng lối lên mái ta luy để cỏ lan dần ra khắp mái, hoặc gieo hạt cỏ giống Cũng có thể trồng các loại cây bụi

Trồng cỏ hoặc cây bụi có tác dụng làm chặt mái ta luy (rễ cỏ), cản trở dòng chảy, điều tiết độ ẩm của đất, phủ xanh tạo cảnh quan, do đó nên áp dụng với mọi trường hợp (trừ những mái ta luy thường xuyên bị ngập nước)

Một số công trình như QL18, đường Hồ Chí Minh đã sử dụng các loại cỏ nhập phù hợp với khí hậu Việt Nam, gia cố ta luy, bước đầu cho kết quả tốt

Hình 1.11 Gia cố ta luy nền đường bằng lát cỏ

- Gia cố lớp đất: mặt mái ta luy bằng chất liên kết vô cơ (vôi, xi măng, )

hoặc chất liên kết hữu cơ

- Làm lớp bảo hộ cục bộ hoặc tường hộ: để ngăn ngừa tác dụng phong hoá

phát triển, nhất là đối với những đường vùng núi Tường hộ có thể làm bằng đá xây 25-30cm, đặt trên lớp đá dăm hoặc sỏi dày 10-15cm

- Làm lớp đất dính đắp bao ta luy: đối với nền đường đắp bằng cát Đất đắp

bao hai bên ta luy phải có chỉ số dẻo lớn hơn hoặc bằng 7 và nên sử dụng cấp phối sỏi đồi Bề dầy đắp bao hai bên ta luy tối thiểu là 1,0m và ngoài vẫn trồng cỏ

- Làm lớp bảo hộ cục bộ có cấu tạo tầng lọc ngược: tại các vị trí trên mặt ta

luy có vết lộ nước ngầm chảy ra Tác dụng của tầng lọc ngược là để nước ngầm chảy ra không xói cả đất ta luy theo (xói ngầm) do đó góp phần làm cho mái ta luy

ổn định Cấu tạo của tầng lọc ngược thường dày tổng cộng 30-50cm, ở sát mặt đất

bố trí lớp cát, rồi đến lớp đá dăm, đá sỏi và ngoài cùng là đá hộc xếp khan

- Những đoạn nền đắp chịu tác dụng của nước chảy và sóng vỗ: thì có thể

gia cố ta luy bằng đá xếp khan trên lớp dăm cát đệm (hoặc thay bằng các lớp vải địa kỹ thuật, lưới kỹ thuật), rọ đá, bỏ đá, xây đá hoặc các tấm bê tông (đổ tại chỗ hoặc lắp ghép),

Hình 1.12 Gia cố ta luy nền đường bằng đá hộc xây

Hình 1.13 Gia cố ta luy nền đường bằng lát đá 1 lớp 1.7 TÍNH KHỐI LƯỢNG CÔNG TÁC NỀN ĐƯỜNG

Khi thiết kế phải xác định được khối lượng công tác nền đường để lập dự toán,

tổ chức thi công hay lập luận chứng so sánh các phương án tuyến

Khi tính khối lượng công tác nền đường, mặt đường, phải căn cứ vào diện tích (hoặc chiều rộng mặt đường, lề đường, chiều dày các lớp kết cấu, ) trên các mặt cắt ngang và người ta giả thiết giữa các mặt cắt ngang, sự thay đổi của các yếu tố trên theo quy luật đường thẳng, bỏ qua phần gồ ghề của mặt đất (nếu có thay đổi lớn thì đã rải chèn thêm các cọc địa hình)

Hiện nay, việc tính toán các diện tích đào, đắp, các bề rộng, chiều dày, nói trên được thực hiện bằng các chương trình máy tính (Nova, Alpha Group, Huy Hoàng…) Khối lượng công tác giữa các mặt cắt ngang được tính đơn giản bằng công thức sau:

Hình 1.14 Tính toán khối lượng nền đường

Các khối lượng công tác cần tính trên mặt cắt ngang phụ thuộc vào giải pháp thi công, có thể là:

- Diện tích đào hữu cơ, vét bùn, đánh cấp, đào rãnh,

- Diện tích đào, đắp đất đá (lại phân chi tiết thành các cấp đất đá, hệ số đầm chặt K của các lớp đất, )

- Diện tích, chiều dày và loại vật liệu lớp bù vênh

- Chiều rộng các phần mặt đường (các loại kết cấu khác nhau trên mặt cắt ngang, kết cấu trên mặt đường cũ, kết cấu mở rộng, ) lề đường (lề gia cố, lề

đất, ) chiều rộng lớp vải địa kỹ thuật,

- Chiều dày các lớp vật liệu đặc biệt,

Bảng khối lượng thường được lập cho riêng từng Km và lập bảng tổng hợp khối lượng cho toàn tuyến

1.8 TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN SƯỜN DỐC

Khi xây dựng nền đường trên sườn dốc, để đảm bảo điều kiện ổn định toàn khối, việc thiết kế, tính toán cần đáp ứng được hai yêu cầu sau:

- Nền đường phải đặt trên một sườn dốc ổn định và bản thân sườn dốc đó vẫn

ổn định sau khi xây dựng nền đường

- Trên cơ sở một sườn dốc chắc chắn ổn định, nền đắp phải không bị trượt trên mặt dốc đó và bản thân mái ta luy của nền đường phải đảm bảo ổn định

Như vậy cần phải kiểm toán điều kiện ổn định theo hai nội dung trên

1.8.1 Đánh giá sự ổn định của sườn dốc

1.8.1.1 Trường hợp mặt trượt tương đối phẳng

Trường hợp này có thể xảy ra khi tầng đất phủ trên tầng đá gốc phẳng

Xét một phân tố đất có kích thước hx1x1:

Chia cả 2 vế cho Q.cosa và thay Q=V.g= h.1.1.g=h.g ta có

Hình 1.16 Mặt trượt tương đối phẳng

Điều kiện ổn định sườn dốc về mặt cơ học được xác định:

Trong đó: i – độ dốc của sườn dốc

f – hệ số ma sát giữa khối trượt trên mặt trượt

h – chiều dày trung bình của khối trượt, m

c – lực dính giữa khối trượt và mặt trượt, kPa

a - góc nghiên của mặt trượt so với mặt phẳng nằm ngang

1.8.1.2 Trường hợp mặt trượt gãy khúc

Trình tự tính toán như sau:

- Tại các chỗ thay đổi dốc của mặt trượt, kẻ các đường thẳng đứng phân khối trượt thành các đoạn như hình vẽ Trên mỗi đoạn tính toán trọng lượng bản thân

Hình 1.17 Mặt trượt gãy khúc phẳng

- Xác định các hệ số an toàn cho các phần khối trượt

(i+1) giữ nên tại các mặt tiếp xúc sẽ phát sinh các vết nứt

Cũng có thể tính toán theo hệ số truyền như sau:

thức:

Fi = Qi(K.sinai - cosai.tgji) + Fi-1.cos(ai -ai-1) – c.Li

ma sát của khối trượt, t/m2; K – hệ số ổn định (1,0 – 1,5)

1.8.1.3 Trường hợp mái sườn dốc có khả năng phát sinh theo mặt trượt quay (mặt trượt tròn)

Trường hợp này thường xảy ra đối với các sườn dốc đất sét đồng nhất ở trạng thái dẻo mềm, tính toán ổn định theo phương pháp phân mảnh, xét ở phần dưới

1.8.2 Đánh giá sự ổn định của bản thân nền đắp

Trên cơ sở một sườn dốc ổn định, đánh giá ổn định của bản thân nền đắp với điều kiện đảm bảo nền đường không bị trượt trên mặt tiếp xúc giữa nền đắp và sườn dốc

Trong đó: Q là trọng lượng nền đắp; f là hệ số ma sát giữa nền đắp và sườn dốc

Hình 1.18 Đánh giá ổn định của nền đắp trên sườn dốc

Hệ số ổn định

Như vậy để nâng cao mức độ ổn định của nền đắp trên sườn dốc phải dùng các biện pháp cấu tạo đã nêu ở các phần trước

1.9 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA MÁI DỐC TA LUY NỀN ĐƯỜNG

Trong trường hợp chiều cao ta luy nền đường lớn hơn 12m thì khi thiết kê cần phải kiểm toán ổn định mái dốc ta luy nền đường

1.9.1 Đánh giá ổn định của mái dốc thẳng đứng

Xét một vách đất thẳng đứng, khối đất trên nó sẽ bị mất ổn định và trượt theo một mặt trượt nào đó (Hình 1.19)

Chia khối đất trượt thành nhiều mảnh nhỏ 1,2, i (mảnh có chiều rộng 1-2m)

Hình 1.19 Đánh giá ổn định của mái dốc thẳng đứng

Ta có:

- Lực gây trượt: Ti = Qi.sinai

- Lực giữ:

Tức là:

luôn phù hợp với điều kiện (*) thì về mặt cơ học, ta luy nền đường sẽ ổn định toàn khối Phân tích từ điều kiện (*):

- Với đất cát có C = 0, muốn ổn định thì ta luy phải có góc dốc bằng góc nghỉ

tự nhiên (a= j), điều này hoàn toàn được chứng thực trên thực tế

với đất dính cấu tạo mái ta luy nên có dạng trên dốc dưới thoải

Từ điều kiện (*) Maslop đơn giản hoá và thêm vào hệ số an toàn K (1-1,5), ta có:

(**) thì sẽ ổn định

Phương pháp này chỉ có thể áp dụng với các mái dốc nền đắp hoặc nền đào nhưng trên đỉnh ta luy là mặt đất nằm ngang, còn trong trường hợp khác thì phải dùng phương pháp phân mảnh xét ở dưới đây

1.9.2 Phương pháp phân mảnh

Nền đường là một kết cấu trải dài theo tuyến, nên thường cắt 1m dài theo dọc tuyến để phân tích tính toán ổn định mà không xét đến lực trên hai mặt cắt thẳng đứng trước và sau (như vậy là thiên về an toàn)

Phương pháp phân mảnh là dùng n-1 mặt thẳng đứng cắt khối đất trượt thành n mảnh (hình 1.20a) Các lực tác dụng lên mảnh thứ i (hình 1.20b) gồm có:

xe

Hình 1.20 Phương pháp phân mảnh

a) Cách phân mảnh b) Tình hình chịu lực Lấy cùng một hệ số an toàn K giống nhau cho các phân mảnh, tức là giả định cường độ kháng cắt ở đáy các phân mảnh đều đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn

Từ điều kiện cân bằng giới hạn (định nghĩa của hệ số an toàn) ta được

(1)

mặt trượt; K là hệ số an toàn cần tìm

Đồng thời mỗi phân mảnh có ba điều kiện cân bằng (lực và mômen) Tuỳ theo

sự khác nhau của giả thiết và phương pháp xử lý mà dẫn đến các phương pháp khác nhau Dưới đây giới thiệu các lời giải tĩnh định của phương pháp phân mảnh thường gặp

1 Phương pháp phân mảnh giản đơn: (Còn gọi là phương pháp phân mảnh cổ

điển; phương pháp theo Fellenius, phương phápThuỵ Điển hoặc Ordinary Method)

Phương pháp này do W.Fellenius người Thụy Điển đề xuất từ năm 1926 với giả thiết khối đất trên ta luy khi mất ổn định sẽ trượt theo mặt trượt hình trụ tròn nhưng không xét đến tác dụng của các lực giữa các phân mảnh Như vậy n phân

đại lượng chưa biết

Xét bài toán phẳng như hình 1.21a, phân khối đất trượt hình trụ tròn thành các mảnh

Căn cứ vào giả thiết là các phân mảnh đồng thời đạt tới sự cân bằng giới hạn (trượt tổng thể) có thể chỉ cần xét tới điều kiện cân bằng mômen của toàn khối trượt quanh tâm trượt O, bán kính R, tức là ΣM=0

Hình 1.21 Phương pháp phân mảnh

a) Theo Fellenius b) Theo Bishop

đất:

(3)

góc kẹp giữa phản lực pháp tuyến với trục tung y

Thay Ni = Qi.cosai –Wi.sinai vào (3) ta được:

(4)

Phương pháp này hoàn toàn không xét đến ảnh hưởng của các lực giữa các phân mảnh, về mặt lý thuyết đó là điều chưa hoàn chỉnh, sai số của kết quả tính toán vào khoảng 10-20% Nhưng việc tính toán bằng số đơn giản, sai số của K không lớn, do đó vẫn được sử dụng rộng rãi, nhưng chỉ thích hợp trong trường hợp mặt trượt là một cung tròn

2 Phương pháp Bishop (1955):

Theo phương pháp này, việc tính toán ổn định cũng giống như phương pháp

Từ phương trình cân bằng lực trên hướng của mặt trượt

(14)

Công thức trên suy ra từ phương trình cân bằng lực (không xét đến điều kiện cân bằng momen), thích hợp với mặt trượt hình dạng bất kỳ Nếu là mặt trượt tròn,

ta rút ra được hệ số an toàn K từ điều kiện cân bằng mô men như sau:

(15)

có thể dùng phương pháp tính thử dần để xác định trị số K

3 Các phương pháp khác:

Ngoài hai phương pháp nêu trên còn rất nhiều các phương pháp theo cách phân mảnh khác như phương pháp Janbu, Morgenstern-Price, Spencer, Corps of Engineers, hoặc phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn tổng quát GLE (General Limit Equilibrium),

Nhận xét: Với cùng một mái dốc, do các giả thiết dùng cho các phương pháp

phân mảnh khác nhau nên hệ số an toàn tính ra cũng sai khác nhau Thông thường phương pháp Fellenius do hoàn toàn bỏ qua các lực giữa các phân mảnh nên trị số

K tìm được là nhỏ nhất, phương pháp Bishop, Janbu, có xét đến các lực tác dụng giữa các phân mảnh nên giá trị K lớn hơn Như vậy dùng phương pháp phân mảnh giản đơn thì cho kết quả thiên về an toàn hơn

1.10 KIỂM TOÁN ĐỘ ỔN ĐỊNH

Trình tự cơ bản của việc kiểm toán độ ổn định của nền đường như sau:

1 Căn cứ vào hình dạng mặt trượt có khả năng xuất hiện của nền đường (bao gồm các địa tầng xung quanh) chọn phương pháp phân tích tính toán

2 Chia khối đất trên mặt trượt thành các phân mảnh thẳng đứng với số lượng hợp lý

3 Dựa vào các tổ hợp tải trọng khác nhau, tính toán trọng lượng bản thân của các phân mảnh và các lực tác dụng đã biết khác

4 Xét tới điều kiện làm việc của mái dốc, chọn chỉ tiêu cường độ kháng cắt trên mặt trượt, tính hệ số an toàn của mặt trượt đó

5 So sánh hệ số an toàn của mặt trượt nguy hiểm nhất tìm được trong từng trường hợp với trị số cho phép quy định để phân tích xem nền đường có ổn định hay không

Ta lần lượt nghiên cứu từng vấn đề trên

1.10.1 Tổ hợp tải trọng

Khi phân tích ổn định của nền đường thông qua việc xem xét ba trường hợp tổ hợp tải trọng bất lợi sau đây:

1 Tổ hợp chủ yếu: Bao gồm các lực tác dụng thường xuyên trên mái dốc như

trọng lượng bản thân của khối đất trượt, tải trọng ô tô trên đỉnh nền đường (tải trọng tính toán), với nền đường ngập nước phải xét tác dụng đẩy nổi của nước ở mực nước đọng thường xuyên

2 Tổ hợp tải trọng kiểm toán: Thay đổi tải trọng ô tô trong tổ hợp chủ yếu

bằng tải trọng kiểm toán xe xích hoặc xe nhiều bánh hoặc có xét đến tác dụng của lực chảy thấm (lực thuỷ động) gây ra do nước rút trong mùa lũ

3 Tổ hợp động đất: Bao gồm trọng lượng mái đất và lực động đất Đối với

nền đường ngập nước thì phải xét tác dụng đẩy nổi của nước ở mực nước đọng thường xuyên Do thời gian xuất hiện mực nước lũ cao nhất tương đối ngắn, khả năng phát sinh đồng thời với động đất rất nhỏ nên không xét đến lực chảy thấm Ngoài ra cũng không xét đến tác dụng của tải trọng ô tô

Căn cứ vào điều kiện làm việc của nền đường để tiến hành kiểm toán, nếu tất

cả đều thoả mãn yêu cầu mới có thể xem nền đường là ổn định

1.10.2 Hình dạng và vị trí của mặt trượt

Kết quả quan trắc nghiên cứu cho thấy là hình dạng và vị trí của mặt trượt khi nền đường mất ổn định có liên quan với hình dạng bên ngoài của mặt cắt ngang nền đường, tính chất của đất đá và cấu tạo địa tầng,

Với các mái dốc bằng đất thấm nước (đất hạt lớn kém dính) mặt trượt khi phá hoại thường là mặt phẳng, thường dùng phương pháp mặt trượt phẳng để kiểm toán ổn định Với các mái dốc bằng đất dính thường mặt trượt là mặt trượt tròn, dùng phương pháp phân mảnh giản đơn hoặc Bishop để phân tích đánh giá Mặt trượt khi mái dốc mất ổn định sẽ phát sinh ở chỗ yếu nhất, là chỗ mà ứng suất cắt lớn hơn sức kháng cắt Do đó khi ta luy nền đường đắp bằng đất đồng nhất bị sụt trượt thì mặt trượt thường đi qua chân ta luy hoặc qua chỗ đổi dốc trên mặt ta luy

Vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất có thể dùng phương pháp 4,5H hoặc phương pháp

và khoét sâu vào đất yếu Vị trí tâm trượt nguy hiểm nhất của nền đường đắp trên đất yếu thường nằm trong tứ giác EFDC như hình 1.23 Khi chiều sâu lớp đất yếu bằng và nhỏ hơn chiều cao nền đắp thì giới hạn dưới của mặt trượt nguy hiểm nhất thường tiếp tuyến với đáy của tầng đất yếu (đỉnh của lớp đất cứng), còn khi tầng đất yếu tương đối sâu thì độ sâu của mặt trượt thường từ (1-1,5)H Thông thường thì điểm dưới của cung trượt nguy hiểm nhất giao nhau với mặt đất thiên nhiên ở ngoài chân ta luy A còn điểm trên thì cắt qua xung quanh vai đường G

Hình 1.23 Quỹ tích tâm trượt nguy hiểm nhất nền đắp trên đất yếu

Các mái đất gồm nhiều loại đất đá hay có tầng đất kẹp mềm yếu thường bị phá hoại do trượt theo mặt giới hạn giữa các lớp đất đá hoặc theo tầng đất yếu

1.10.3 Phân mảnh và tính trọng lượng bản thân

Khi phân mảnh khối đất trượt phải chú ý chọn chỗ thay đổi mặt trượt và thay đổi mặt đất làm giới hạn của các mảnh Như vậy mới có thể xác định hướng mặt trượt ở đáy của từng phân mảnh, chỉ tiêu cường độ kháng cắt của nó cũng không thay đổi, tiện lợi cho việc phân tích tính toán Với mặt trượt tròn, chiều rộng của mỗi phân mảnh thường từ 1-2m, số mảnh thường khoảng ≥20-30, nếu ít quá thì độ chính xác thấp

Trọng lượng bản thân của các mảnh bằng thể tích của nó nhân với dung trọng của đất, với các mảnh có nhiều lớp đất thì phải chia lớp để tính trọng lượng mỗi lớp rồi cộng lại

1.10.4 Tính đổi tải trọng xe cộ

Tải trọng xe cộ được xem là tải trọng của số xe nặng tối đa cùng một lúc có thể đỗ kín khắp bề rộng nền đường (Hình 1.24) phân bố trên 1 m chiều dài đường;

xác định theo công thức sau:

(16)

Trong đó:

G - Trọng lượng một xe (chọn xe nặng nhất), kN

n - Số xe tối đa có thể xếp được trên phạm vi bề rộng nền đường (Hình 1.24) g- Dung trọng của đất đắp nền đường, kN/m3

l- Phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc, m (như Hình 1.24)

Có thể lấy l= 4,2m với xe G = 130 kN, lấy l= 6,6m khi xe có G = 300 kN, lấy l= 4,5 m với xe xích có G = 800 kN

Hình 1.24 Sơ đồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ

B là bề rộng phân bố ngang của các xe (mét) được xác định như ở sơ đồ hình

Trong đó thường lấy b = 1,8m với các loại ôtô, b = 2,7m với xe xích; d là khoảng cách ngang tối thiểu giữa các xe (thường lấy d = 1,3m); e là bề rộng lốp đôi hoặc vệt bánh xích (thường lấy e = 0,5-0,8m); còn n được chọn tối đa nhưng phải bảo đảm B tính được theo (17) vẫn nhỏ hơn bề rộng nền đường

Như vậy khi tính toán có xét đến tải trọng xe cộ thì tải trọng đắp xem như

được cao thêm một trị số hx

có điểm đặt là trọng tâm mảnh (hoặc khối trượt) và có phương nằm ngang từ phía trong nền đường ra phía ngoài mái ta luy nền đắp;

Phân vùng động đất của nước ta có thể tham khảo ở Quy chuẩn Xây dựng Việt Nam và chỉ những vùng có thể có động đất từ cấp 7 trở lên thì khi tính toán mới phải xét đến lực động đất Ngoài ra còn có thể tham khảo cách tính lực động đất ở tiêu chuẩn ngành 22 TCN 221-95

1.10.6 Xét đến lực đẩy nổi và lực chảy thấm

Sau khi nền đường thấm nước, khối đất ở dưới đường thấm nước (hoặc đường mực nước) chịu tác dụng của lực đẩy nổi (áp lực thuỷ tĩnh) và lực chảy thấm (áp lực thuỷ động) và sức chống cắt của đất cũng giảm xuống, những điều này đều ảnh hưởng đến sự ổn định của nền đường ngập nước, khi phân tích phải xét tới

Hình 1.25 Phân tích ổn định của nền đường thấm nước

a) Nước tĩnh b) Có thấm nước Trong điều kiện mức nước tĩnh, tất phải có sự cân bằng giữa hợp lực của áp lực nước lỗ rỗng (tức lực đẩy nổi) xung quanh mảnh với trọng lượng nước của phần thể tích thấm nước của phân mảnh (hình 1.25a) Khi phân tích ổn định trong trường hợp này chỉ cần dùng dung trọng đẩy nổi để tính trọng lượng đất của bộ phận thấm nước thì có thể không cần xét đến lực tác dụng của nước ở trên mặt giới hạn của mảnh

Dung trọng đẩy nổi của đất có thể tính theo công thức sau:

- n : Độ rỗng của đất (%)

Khi có chênh lệch mức nước trong và ngoài mái ta luy thì sẽ phát sinh sự chảy thấm Bộ phận ở dưới đường bão hoà ngoài việc chịu tác dụng của lực đẩy nổi còn chịu tác dụng của lực chảy thấm Nếu mực nước ở ngoài mái ta luy giảm đột ngột (Hình 1.25b) thì lực chảy thấm hướng ra mặt ngoài mái đất và đó là trường hợp bất lợi nhất với sự ổn định của nền đường Thường dùng áp lực nước trên chu vi khối đất trượt và trọng lượng nước của bộ phận thể tích thấm nước để thay thế cho tác dụng của lực chảy thấm

Xét phần thể tích ở dưới đường bão hoà trong phạm vi khối đất trượt để xét, ta

có các lực tác dụng vào phần khối nước lỗ rỗng này bao gồm: Áp lực nước U trên mặt trượt ab’c, áp lực nước U’ trên mặt ta luy bc, hợp lực của trọng lượng nước lỗ

đường bão hoà, hợp lực của ba lực trên (cộng véc tơ) là lực chảy thấm D

Với nền đường ngập nước, thường dùng phương pháp phân mảnh giản đơn để kiểm toán độ ổn định Dựa vào cân bằng mô men với tâm trượt O ta có hệ số an toàn K từ (6) :

Trong đó:

nước đối với bộ phận ở dưới đường bão hoà

- r : Cánh tay đòn của lực chảy thấm D với tâm O

Do lực U thẳng góc với cung trượt tròn nên phải đi qua tâm O, do đó mô men của nó đối với tâm O bằng không; Mô men của áp lực nước U’ và trọng lượng nước dưới mặt bb’ lấy đối với tâm trượt sẽ triệt tiêu nhau và do đó

với

trên mực nước thấp nhất bb

khi đó công thức (20) sửa lại thành:

(22) Trong đó :

và dưới đường bão hoà

bão hoà và trên mực nước thấp thì dùng dung trọng bão hoà, bộ phận ở dưới mực nước thấp nhất thì dùng dung trọng đẩy nổi

Gradien thuỷ lực của dòng thấm của các loại đất có thể lấy theo bảng 1.11 sau:

và mái dốc thiên nhiên thì lấy các số liệu thí nghiệm mẫu đất nguyên dạng, còn với nền đắp thì lấy số liệu thí nghiệm của mẫu đất đầm chặt (được chế bi theo yêu cầu

độ chặt quy định) Thường dùng các thí nghiệm cắt nhanh, hoặc cắt không thoát nước để xác định các chỉ tiêu C, φ

Mỗi chỉ tiêu thông thường phải có ít nhất 6 số liệu và trị số tính toán được xác định theo công thức :

mà không bị trượt) Nguyên nhân của tình trạng này chủ yếu là do việc chọn trị số

C, φ và phương pháp kiểm toán, phân tích không thật phù hợp với thực tế Do đó phải xét đến sự an toàn và tính kinh tế của công trình mà quy định hệ số an toàn cho phép (thấp nhất) thích hợp để đánh giá sự ổn định của nền đường Phải dựa vào mức độ quan trọng của công trình, sự gần đúng của phương pháp phân tích kiểm toán, sự hoàn chỉnh của tài liệu thu được, sai số của chỉ tiêu cường độ, sự hợp

lý về mặt kinh tế công trình, mà định ra hệ số an toàn cho phép Dựa vào kinh nghiệm thực tế giá trị hệ số an toàn cho phép thường thay đổi từ 1,10 đến 1,25 và

có thể lấy như sau:

1.11 CHƯƠNG TRÌNH KIỂM TOÁN ĐỘ ỔN ĐỊNH

Hiện nay có rất nhiều các phần mềm phân tích, kiểm toán độ ổn định của nền đường, nhưng thông dụng nhất là module Slope/w tính ổn định mái dốc trong bộ chương trình GEO-SLOPE của CANADA

1.11.1 Giới thiệu về Slope/w

Slope/w là một module phân tích ổn định mái dốc trong bộ chương trình GEOSLOPE của CANADA – Bộ chương trình được đánh giá mạnh nhất hiện nay trong việc giải các bài toán địa kỹ thuật và môi trường

Slope/w có các khả năng :

- Khả năng mô hình hoá: Mô hình hoá các phương pháp phân tích (Bishop,

Janbu, Ordinary, …), mô hình hoá mặt trượt, mô hình hoá các áp lực nước lỗ rỗng,

mô hình hoá tải trọng (phân bố, tập trung, neo…) và mô hình hoá đất không bão hoà

- Phân tích ổn định mái dốc theo quan điểm xác suất: Dùng phương pháp phân

tích Monte Carlo, giải quyết được bài toán về tính biến đổi ngẫu nhiên của các thông số đầu vào, dùng hàm phân bố với độ lệch, phương sai đã biết và xem kết quả phân tích theo xác suất

Slope/w sử dụng lý thuyết cân bằng các lực và mômen để tính hệ số an toàn chống lại sự phá huỷ Lý thuyết cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium- GLE) được trình bày và sử dụng xem như vấn đề liên quan tới hệ số

an toàn của tất cả các phương pháp nói chung cho bài toán ổn định trượt

Slope/w được sử dụng rộng khắp trên 100 nước, ở nước ta một số công ty tư vấn thiết kế công trình thuỷ lợi, xây dựng và giao thông cũng bắt đầu dùng Slope/w và thu được các kết quả khả quan

Phiên bản thông dụng nhất được sử dụng hiện nay là Slope/w 5.13 (2004), phiên bản mới nhất là Geo-Studio 2004 6.20 (xem thêm www.geo-slope.com)

1.11.2 Những khả năng của Slope/w trong thiết kế công trình giao thông

- Tính toán ổn định mái dốc nền đắp thông thường; nền đắp có neo, cốt

- Tính ổn định chống trượt sâu của nền đắp trên đất yếu

- Tính ổn định của nền đắp trên đất yếu có sử dụng vải địa kỹ thuật

- Tính ổn định chống trượt của cảng, kè, tường chắn,…

Slope/w có xét đến tất cả hệ số lực động đất, áp lực nước lỗ rỗng, áp lực khí lỗ rỗng, đất không bão hoà,… và đưa ra được hệ số ổn định theo nhiều phương pháp,

vẽ được đường đồng hệ số ổn định, có thể biểu diễn kết quả trên đồ thị, cho phép xem hệ số ổn định và phân tích lực của các mảnh chia với tâm trượt và mặt trượt bất kỳ

Slope/w sử dụng đơn giản, trực quan, kết quả chính xác, trình bày đẹp, hoàn toàn trong môi trường Window, có thể in trực tiếp, dán hoặc kết xuất kết quả sang các ứng dụng khác của Window

Kết quả tính toán ví dụ 2 1.12 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẮP THÔNG THƯỜNG

Khi thiết kế nền đường phải tính toán độ lún tổng cộng nhằm để biết được độ

dự trữ lún khi thi công, biết khối lượng đắp bù lún và nếu có công trình thoát nước

ở dưới thì phải biết độ lún để tiện xử lý

Với nền đường đắp trên đất thông thường (không phải là đất yếu) thì độ lún của nền đường đã được xét trong môn cơ học đất, dựa theo kết quả của đường cong nén lún ε~P Còn đối với nền đắp trên đất yếu thì độ lún cố kết theo đường cong nén cố kết ε~lgP được nghiên cứu ở chương 2

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU

2.1 ĐẤT YẾU VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT YẾU

2.1.1 Khái niệm và các loại đất yếu

Đất yếu là các loại đất có khả năng chịu tải nhỏ và tính biến dạng (nén lún) lớn, hầu như bão hòa nước, có hệ số rỗng lớn, cường độ chống cắt nhỏ, do vậy nền đắp trên đất yếu, nếu không có các biện pháp xử lý thích hợp thường dễ bị mất

ổn định toàn khối hoặc lún nhiều, lún kéo dài ảnh hưởng đến mặt đường, công trình trên đường và cả mố cầu lân cận

Tuỳ theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có thể có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ

- Loại có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vùng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu; loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10-12%) nên có thể có mầu nâu đen, xám đen, có mùi Đối với loại này, được xác định là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e ³1,5, á sét e ³1), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ

Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1,0 độ bão hoà G > 0,8)

- Loại có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân huỷ, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20-80%, thường

có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dư thực vật) Các chỉ

Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ có trong chúng:

+ Lượng hữu cơ có từ 20-30%: Đất nhiễm than bùn

+ Lượng hữu cơ có từ 30-60%: Đất than bùn

+ Lượng hữu cơ trên 60%: Than bùn

2.1.2 Phân loại trạng thái tự nhiên của đất yếu

- Đất yếu loại sét hoặc á sét được phân loại theo độ sệt B:

d nh

d

WW

WWB

nhão của đất yếu

+ Nếu B >1 thì được gọi là bùn sét (đất yếu ở trạng thái chảy)

+ Nếu 0,75 < B £1 là đất yếu dẻo chảy

- Về trạng thái tự nhiên, đất đầm lầy than bùn được phân thành 3 loại I, II, III:

+ Loại I: Loại có độ sệt ổn định; thuộc loại này nếu vách đất đào thẳng đứng

sâu 1m trong chúng vẫn duy trì được ổn định trong 1-2 ngày;

+ Loại II: Loại có độ sệt không ổn định; loại này không đạt tiêu chuẩn loại I

nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy;

+ Loại III: Đất than bùn ở trạng thái chảy

2.1.3 Phạm vi phân bố đất yếu ở Việt Nam

Các vùng đất yếu ở Việt Nam chủ yếu là những tầng trầm tích mới được thành tạo trong kỷ thứ tư Theo các kết quả nghiên cứu địa chất và địa lý, tầng trầm tích này chủ yếu là trầm tích tam giác châu, thường gặp ở các miền đồng bằng, trong đó hai đồng bằng lớn nhất là đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng Nam Bộ, ngoài ra còn phân bố ở vùng đồng bằng ven biển Trung Bộ

2.2 CÁC YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 2.2.1 Các yêu cầu về ổn định

Nền đắp trên đất yếu phải đảm bảo ổn định, không bị lún trồi và trượt sâu trong quá trình thi công đắp nền và trong suốt quá trình đưa vào khai thác sử dụng sau đó, tức là phải đảm bảo cho nền đường luôn ổn định

Theo tiêu chuẩn thiết kế nền đường đắp trên đất yếu 22 TCN 262-2000 thì:

- Khi áp dụng phương pháp nghiệm toán ổn định theo cách phân mảnh cổ điển

(riêng trường hợp dùng kết quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước ở trong

- Khi áp dụng phương pháp Bishop để nghiệm toán ổn định thì hệ số ổn định

Các yêu cầu trên đây chủ yếu căn cứ vào các số liệu của quy trình thiết kế nền đường đắp trên đất yếu JTJ 017-96 của Trung Quốc và đều thấp hơn hệ số ổn định

quan trắc chuyển vị ngang trong quá trình đắp nền đường để phán đoán sự ổn định của nền đường và khống chế tốc độ đắp đất Nếu thấy chuyển vị ngang tăng nhanh thì phải đình chỉ việc đắp đất hoặc dỡ bỏ phần đất đã đắp để tránh hiện tượng lún trồi hoặc trượt sâu có thể xảy ra Theo kinh nghiệm tốc độ di động ngang không được lớn hơn 5mm/ngày

2.2.2 Các yêu cầu và tiêu chuẩn tính toán lún

Phải tính toán dự báo được độ lún tổng cộng S Độ lún tuy tiến triển chậm hơn nhưng cũng rất bất lợi – Khi độ lún lớn mà không được xem xét ngay từ khi bắt đầu xây dựng thì có thể làm biến dạng nền đắp nhiều, không đáp ứng được yêu cầu

sử dụng

Ngoài ra khi nền đường lún có thể phát sinh các lực đẩy lớn làm hư hỏng các kết cấu chôn trong đất ở xung quanh (các mố cọc, cọc ván)