Bài giảng Thiết kế đường ô tô

143 trang vanle 3680

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Thiết kế đường ô tô", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_thiet_ke_duong_o_to.pdf

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế đường ô tô

Tr•êng §¹i häc giao th«ng vËn t¶i Khoa c«ng tr×nh – bé m«n ®•êng bé NguyÔn quang phóc Bµi gi¶ng ThiÕt kÕ ®•êng « t« Häc phÇn 2 thiÕt kÕ nÒn mÆt ®•êng « t« Hµ néi, 2007
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG phÇn i ThiÕt kÕ nÒn ®•êng
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG CHƯƠNG 1 THIẾTKẾNỀN 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 cơsở 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 tốthiên nhiên do đó có ảnh hưởng rất lớn đến cường độvà tình trạng khai thác của cảcông 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. a) b) c) d) e) f) 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 lởta luy đào; f) Trượt ta luy đào 10/21/2007 I - 1
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 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 đủđộbền khi chịu cắt trượt và không được biến dạng quá nhiều (hay không được tích luỹbiến 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 độcủa 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 nhưmưa 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 vềcấu tạo tầng lớp và mức độ phong hoá đất đá, đặc biệt là sựphá hoại của nước ngầm (nước ngầm chảy lôi theo đất gây hiện tượng xói ngầm và giảm cường độcủa 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 độvà độổn định của nền đường chủyếu là do các lớp đất tầng trên quyết định, nhưvậy cần phải xác định chiều sâu hoạt động của tải trọng. P p 0 Z +z M a r z z z  Hình 1.2 Sơđồ xác định chiều sâu khu vực tác dụng của nền đường 10/21/2007 I - 2
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN 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 truyền xuống). Phạm vi này được xác định bằng chiều sâu za ở hình 1.2. 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) = .z - 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: P  k. z z2 3 1 k – hệ số Bussinet k . 5 ( Điểm nằm trên trục Z thì r=0 và k≈0,5) 2 2 r 2 1 Z Giả thiết khi = nz là có thể bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng động thì ta có thể xác định được chiều sâu za của khu vực tác dụng theo quan hệ: P k.n.P = n 3  z za nk 2 za z a  Thường giả thiết n = 5 – 10 và với các tải trọng bánh xe thông thường sẽ tính được za = 0,9 – 1,5m. Nhưvậy, đểnền đường có cường độvà độổn định nhất định cần đầm nén chặt đất nền đường bằng các phương tiện đầm nén. 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. Hiện nay người ta thường dùng đại lượng dung trọng khô (g/cm3) của đất để đặc trưng cho độ chặt của đất được đầm nén thông qua hệ số đầm nén: K = /0 Trong đó - là dung trọng khô của đất sau khi được nén chặt trên thực tế và 0 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: 10/21/2007 I - 3
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG  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 cơtrong 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 cưdân nhưgây ngập lụt ruộng đất, nhà cửa. Các vị trí và khẩu độ công trình thoát nước phải đủ để không chặn dòng lũvà 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 chủyếu đểxây dựng nền đường, kết cấu của nền mặt đường và sựlàm việc của công trình đường phụthuộc rất nhiều vào tính chất của đất. Trong xây dựng nền đường, đểhạgiá thành xây dựng thường dùng đất tại chỗđểđắp nền đường.Cường độvà độổn định của nền đường phụthuộc vào loại đất và cường độ của đất. Cỡhạt đất càng lớn thì đất có cường độcàng cao, tính mao dẫn càng thấp, tính thấm và thoát nước tốt, ít hoặc không nởkhi gặp nước cũng nhưít hoặc không co khi khô. Những tính chất này khiến cho loại đất chứa nhiều cỡhạt lớn có tính ổn định nước tốt, tuy nhiên nó có nhược điểm lớn là tính dính và tính dẻo kém. Cỡhạt đất càng nhỏthì các tính chất trên ngược lại 10/21/2007 I - 4
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 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 độvà độổn định, chống được xói bào mòn và va đập của dòng nước. 2. Đất lẫn đá: Gồm các hạt đá có kích cỡlớn hay nhỏlẫn với cát và sét. Đá trong đất lẫn đá là đá rắn chắc, không bịphong hoá, có cường độcao và không bịmềm trong nước. Loại này dùng đắp nền đường rất tốt 3. Sỏi cuội: Là loại vật liệu đá dưới tác dụng của dòng nước bịchuyển chỗvà bào mòn, trong thành phần có lẫn cảcát và sét. Loại này đắp nền đường khá tốt, khi đắp ởnơi khô và quá ẩm ướt cường độkhông thay đổi nhiều. Nhược điểm là sức chống xói mòn kém nên mặt ngoìa của mái dốc cần được gia cố. 4. Cát : Là loại đất vụn, rời rạc, ít dính, kích thước hạt khoảng 50% khối lượng) có cường độổn định, tính dính cao, có khảnăng 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, chỉdùng đắp nền đường ởnhững nơi khô ráo. Ởtrạng thái ẩm ướt đất sẽmềm nhão và không nén chặt được. 8. Đất á sét: Là loại đất tốt đểđắp nền đường, có tính dính lớn chống được xói lởvà 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 độthấp khi khô thì bong, khi ướt thì nhão không thích hợp đểđắp nền đường 10.Đất hữu cơ: Loại này có cường độthấp, tính trương nởlớn, không nên đắp nền đường. Cần nắm vững các loại đất và tính chất của đất được phân tích ởtrên đểtìm cách xửlý, cải thiện hoặc đềxuất các biện pháp cấu tạo khác (nhưthoát nước, đắp cao, gia cố, ) đểkhắc phục các nhược điểm của mỗi loại đất nhằm thoảmãn các yêu cầu đối với nền đường một cách tốt nhất 10/21/2007 I - 5
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Phân loại đất theo TCVN 5747-1993 theo các bảng 1.1, 1.2 và 1.3 sau: Bảng 1.1 Phân loại hạt đất theo kích cỡ Tên hạt Kích cỡ hạt (mm) Tên hạt Kích cỡ hạt (mm) Cuội 100-40 Cát : To 2-1 Sỏi :Rất to 40-20 Vừa 1-0,5 To 20-10 Nhỏ 0,5-0,25 Vừa 10-4 Rất nhỏ(mịn) 0,25-0,05 Bé 4-2 Bụi : To 0,05-0,01 Nhỏ 0,01-0,005 Sét 2mm chiếm 25-50% 0,5mm chiếm > 50% 0,25mm chiếm > 50% 0,10mm chiếm > 75% 0,05mm chiếm > 75% 50 1-7 Rất thích hợp Á cát nhẹ > 50 1-7 Thích hợp Á cát bụi 20-50 1-7 Ít thích hợp Á cát bụi nặng 40 7-12 Thích hợp Á sét nhẹbụi 40 12-17 Thích hợp Á sét nặng bụi 40 17-27 Thích hợp Sét bụi Không quy định 17-27 Ít thích hợp Sét béo - nt - > 27 Không thích hợp 10/21/2007 I - 6
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 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 nhưnói ở điểm 4 điều 6.1.2. 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 phân 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 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 kếđường ô tô TCVN 4054-05 và tiêu chuẩn đầm nén đất TCVN 4201-1995, tiêu chuẩn đầm nén đất quy định nhưsau: 10/21/2007 I - 7
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG B¶ng 1.4 §é chÆt quy ®Þnh cña nÒn ®•êng §é s©u tÝnh §é chÆt k tõ ®¸y ¸o §•êng «t« tõ §•êng «t« Lo¹i c«ng tr×nh ®•êng xuèng cÊp V trë tõ cÊp IV trë lªn (cm) xuèng Khi ¸o ®•êng dµy trªn 60cm 30 0,98 0,95 Khi ¸o ®•êng dµy d•íi 60cm 50 NÒn 0,98 0,95 ®¾p Bªn d•íi §Êt míi ®¾p 0,95 0,93 chiÒu s©u kÓ §Êt nÒn tù trªn nhiªn (*) cho ®Õn 80 0,93 0,90 NÒn ®µo vµ nÒn kh«ng ®µo kh«ng ®¾p 30 0,98 095 (®Êt nÒn tù nhiªn) ( ) 30 - 80 0,93 0,90 Ghi chó b¶ng 1.1: (*) Tr•êng hîp nµy lµ tr•êng hîp nÒn ®¾p thÊp, khu vùc t¸c dông 80cm, mét phÇn n»m vµo ph¹m vi ®Êt nÒn tù nhiªn. Trong tr•êng hîp ®ã, phÇn nÒn ®Êt tù nhiªn n»m trong khu vùc t¸c dông ph¶i cã ®é chÆt tèi thiÓu lµ 0,90; ( ) NÕu nÒn tù nhiªn kh«ng ®¹t ®é chÆt yªu cÇu quy ®Þnh ë b¶ng 23 th× ph¶i ®µo ph¹m vi kh«ng ®¹t råi ®Çm nÐn l¹i ®Ó ®¹t yªu cÇu. 1.3 SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC ĐIỀU KIỆN THIÊN NHIÊN ĐẾN NỀN ĐƯỜNG - CHẾ ĐỘ THUỶ NHIỆT CỦA NỀN ĐƯỜNG. 1.3.1 Sựảnh hưởng của các điều kiện thiên nhiên đến nền đường Nền đường trực tiếp chịu ảnh hưởng của các điều kiện thiên nhiên nhưnhiệt độ, mưa, gió, bốc hơi, Trong thiết kếvà 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 nhưhình 1.3 1 2 4 Möùc nöôùc ngaàm 3 Hình 1.3 Các nguồn ẩm ảnh hưởng đến nền đường 1. Nước mưa; 2. Nước mặt; 3. Nước ngầm; 4. Hơi nước 10/21/2007 I - 8
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 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 hồsát đường, Nước đọng có thểtồn 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 Sựthay đổi của nhiệt độcó ảnh hưởng tới độẩm của đất, khi nhiệt độcao nước trong đất có khảnăng bốc hơi nhiều do độẩm 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 ởsát mặt đất không bịbão hoà hơi nước nữa Qua các phân tích trên ta thấy độẩm là nhân tốcó ảnh hưởng rất lớn đến nền đường. Độẩm càng lớn thì cường độcủa nền đường càng giảm và đất càng biến dạng nhiều.Nói chung người ta thường tìm cách hạn chếtác hại của độẩm và luôn giữcho đất nền đường ởtrạng 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 độthủy 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. Chếđộthuỷnhiệt của nền đường phụthuộc vào quy luật chung của thời tiết, khí hậu cũng nhưcác yếu tố thiên nhiên địa hình, địa mạo, quang cảnh, của vùng xây dựng đường. Chếđộthuỷnhiệt của nền đường còn phụthuộc vào kết cấu nền đường và mặt đường, cụthểnhưbiện pháp thoát nước nền mặt đường, chiều cao đào đắp của nền đường, độchặt 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 10/21/2007 I - 9
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG các biện pháp thay đổi tình trạng phân bố đó nhưngăn 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 chếđộthuỷnhiệt là áp dụng các biện pháp thiết kếhạn chếtác hại của của các nguồn ẩm nhưđắp cao nền đường, mởrộng lềđường, thoát nước mặt, thay đất hoặc đầm nén chặt đất.Các biện pháp cải thiện chếđộthuỷnhiệt 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 nhưbắt 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 Trong đó: zmax – chiều cao mao dẫn lớn nhất của mức nước ngầm. za – chiều sâu khu vực tác dụng của nền đường. 3. Biện pháp thoát nước và ngăn chặn các nguồn ẩm: - Thoát nước mặt :Làm các độdốc ngang mặt đường, lềđường, bốtrí hệ thống rãnh dọc, rãnh tháo - Ngăn chặn, khống chếảnh hưởng của nước ngầm - Dùng các lớp cách nước, cách hơi đểngăn chặn nước ngầm mao dẫn hoặc hơi nước - Đắp lề đường đủ rộng đểngăn 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. Nhưdùng loại vật liệu lớp mặt không (ít) thấm nước hoặc dùng các lớp móng cát dễthoát nước ngang. 1.4 CAO ĐỘ NỀN ĐƯỜNG Đểđảm bảo nền đường luôn khô ráo, đảm bảo ổn định và đủcường độthì nền đường phải đảm bảo có cao độnhất định. Cao độ thiết kế của nền đường là cao độ ở tim đường. Khi có hai nền đường độc lập sẽ có hai cao độ thiết kế trên hai mặt cắt dọc riêng biệt. 10/21/2007 I - 10
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG - Cao độ thiết kế mép nền đường ở những đoạn ven sông, đầu cầu nhỏ, cống, các đoạn qua các cánh đồng ngập nước phải cao hơn mức nước ngập theo tần suất tính toán (có xét đến mức nước dềnh và chiều cao sóng vỗ) ít nhất là 0,5. Tần suất thiết kếnền đường được quy định : + Đường cao tốc : 1% + Đường cấp I, II : 2% + Đường các cấp khác : 4% - Cao độ nền đường đắp tại vị trí cống tròn phải đảm bảo chiều cao đất đắp tối thiểu là 0,5m để cống không bị vỡ do lực va đập của lốp xe ô tô. Khi chiÒu dÇy ¸o ®•êng dÇy h¬n 0,5 m, ®é chªnh cao nµy ph¶i ®ñ ®Ó thi c«ng ®•îc chiÒu dÇy ¸o ®•êng. Nếu không thỏa mãn yêu cầu trên thì dùng cống chịu lực nhưcống bản, cống hộp, - 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 Bảng 1.5 Chiều cao tối thiểu tính từ mực nước ngầm tính toán (hoặc mức nước đọng thường xuyên) tới đáy áo đường Số ngày liên tục duy trì mức nước trong Loại đất đắp nền đường 1 năm Trên 20 ngày Dưới 20 ngày Cát bụi, cát nhỏ, cát pha sét nhẹ. 50 30 Cát bột, cát pha sét nặng 70 40 Cát pha sét bụi 120 – 80 50 Sét pha cát bột, sét pha cát nặng, sét béo, sét nặng 100 – 120 40 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 chữL (Là loại nền đào đặc biệt) 1.5.1 Các trắc ngang định hình nền đường đắp: Tuỳchiều cao đắp và loại đất đắp mà có các dạng trắc ngang điển hình cho nền đắp, nhưsau: - Nền đắp thấp có rãnh biên (h≤0,5÷0,6m) - Nền đắp vừa (h=1÷6m) - Nền đắp cao (h=6÷12m) - Nền đắp rất cao (h≥12m) và nền đường đắp qua bãi sông Các dạng trắc ngang định hình nền đắp nhưhình 1.4. 10/21/2007 I - 11
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG a) Thuøng ñaáu 1:5 2-3% b) ,5 1 Thuøng ñaáu 1: 2-3% K c) 5 , 1 :1 1 h 75 :1, 2 1 h d) ,5 1 1: 2 1: 5 , 0 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 Bềrộng bậc thềm bảo vệk=0÷4m tuỳthuộc 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 đểquyết định hình dạng nền đường và độdốc 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 Bảng 1.6 Độ dốc mái đường đắp Chiều cao mái dốc Chiều cao mái dốc Loại đất đá nền đắp dưới 6m nền đắp từ 6 đến 12m Các loại đá phong hoá nhẹ 1: 1 1: 1,3 1: 1,3 1,5 Đá khó phong hoá cỡ lớn hơn 25cm xếp khan 1: 0,75 1: 1,0 Đá dăm, đá sỏi, sạn, cát lẫn sỏi sạn, xỉ quặng. 1: 1,3 1: 1,3 1,5 Cát to và cát vừa, đất sét và cát pha, đá dễ 1: 1,5 1: 1,75 phong hoá Đất bụi, cát nhỏ 1: 1,75 2 1: 1,75 2 10/21/2007 I - 12
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Khi mái dốc nền đắp đất tương đối cao thì cứ 8 – 10m cao phải tạo một bậc thềm rộng 1 3,0m; trên bậc thềm có cấu tạo dốc ngang và rãnh . Khi xây dựng nền đường trên sườn dốc, tùy theo độ dốc của sườn dốc mà có các biện pháp xử lý nhưsau: - Khi độ dốc của sườn dốc nhỏ hơn 20% thì chỉ cần dãy cỏ hoặc đào bỏ lớp đất hữu cơphía trên rồi đắp trực tiếp nền đường trên sườn dốc. - Khi độ dốc của sườn dốc từ 20 – 50% thì phải đánh cấp (bậc) nhưhình 1.5.Nếu thi công bằng thủ công thì chiều rộng bậc a = 1m; nếu thi công bằng máy thì chiều rộng bậc là a = 3~4 m (bằng chiều rộng lưỡi máy ). Bản chất của đánh cấp là thay lực ma sát nhỏgiữa nền đắp và sườn dốc bằng sức chống cắt cao hơn của đất đắp. 2-3% a 20-50% 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). a) b) Töôøng chaén Xeáp ñaù khan > 50% 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, ngưnghiệp (tạo nơi chứa nước, nuôi trồng thủy sản ) 10/21/2007 I - 13
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 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). a) b) 1 :m 1 : :m m 1 Raõnh doïc Raõnh doïc Hình 1.7 Cấu tạo nền đường đào a) Nền đào hoàn toàn; b) Nền đào chữ L Nền đào khi xây dựng sẽphá vỡthếcân bằng của các tầng đất, đá thiên nhiên, vì vậy mái dốc ta luy đào cần phải có độdốc nhất định đểđảm bảo ổn định cho ta luy và sườn dốc. Quyết định độdốc ta luy đào cần quan sát, phân tích các yếu tốsau: - Thành phần và tính chất cơlý của các lớp đất đá - Thếnằm và sựphát triển các mặt nứt, kẽnứt - Nguyên nhân hình thành địa chất (sườn tích, đồi tích đá, trầm tích, ) - Tính chất kết cấu và mức độphong hoá của đất đá - Chiều cao mái dốc, Độ dốc của mái dốc ta luy nền đường đào được lấy nhưsau (TCVN 4054-05): Bảng 1.7 Độ dốc ta luy đào ChiÒu cao m¸i dèc (m) Lo¹i vµ t×nh tr¹ng ®Êt ®¸ 12m - §Êt lo¹i dÝnh hoÆc kÐm dÝnh nh•ng ë tr¹ng th¸i chÆt võa ®Õn chÆt 1: 1,0 1: 1,25 - §Êt rêi 1: 1,50 1: 1,75 - §¸ cøng phong ho¸ nhÑ 1: 0,3 1: 0,5 - §¸ cøng phong ho¸ nÆng 1: 1,0 1: 1,25 - §¸ lo¹i mÒm phong ho¸ nhÑ 1: 0,75 1: 1,0 - §¸ lo¹i mÒm phong ho¸ nÆng 1: 1,00 1: 1,25 Ghi chú bảng 1.7: Với nền đào đất, chiều cao mái dốc không nên vượt quá 20 m. Với nền đào đá mềm, nếu mặt tầng đá dốc ra phía ngoài với góc dốc lớn hơn 25o 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. 10/21/2007 I - 14
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 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. Taàng ñaát 1 1: 2 Taàng ñaù goác , 0 : 1 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 nhưtrên với khoảng chiều cao Taàng ñaù goác giữa các bậc thềm từ 6 – 12m. Khi đào qua lớp đá cứng chưa bịphong hoá thì có thểdùng 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 1 các vùng sườn dốc nhẹ (dưới :1 50%). Lúc này có thểvận dụng 1: 1,5 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 10/21/2007 I - 15
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 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 độcao, chống đất, đá lởởđoạn đường đào và yêu cầu vềthiết kếcảnh quan, nền đường cao tốc nên được thiết kếvới mái dốc thoải nhưbảng 1.8. Trường hợp bịhạn chếvềdiện tích chiếm đất thì có thểdùng tường chắn hoặc đắp đá thay cho mái dốc đắp. Đối với ta luy đào trên các sườn núi có độdốc ngang lớn, địa hình quá khó khăn và với các ta luy đào đá, đắp đá thì có thểdùng tiêu chuẩn thiết kếđường ô tô công cộng TCVN 4054-05. Bảng 1.8 Độ dốc ta luy đất nền đường cao tốc Chiều cao đắp hoặc chiều Mái dốc nền đắp Mái dốc nền đào sâu đào đến 1,2m 1:4 (1:3) 1:3 ≥1,2 ÷ 3,0m 1:3 (1:2) 1:2,5 (1:2) ≥3,0 ÷ 4,5m 1:2,5 (1:1,75) 1:2,0 (1:1,5) ≥4,5 ÷ 6,0m 1:2 (1:1,5) 1:1,75 (1:1,5) Trên 6m 1:2 (1:1,5) 1:1,5 Ghi chú : Các trị số trong ngoặc áp dụng cho các trường hợ đại 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 Đểhình dạng nền đường phối hợp tốt với cảnh quan, ởđoạn nền đào sâu chuyển sang nền đắp nên thiết kếđộdốc ta luy đào thoải dần kểtừgiữa đoạn ra đến chỗ bắt đầu chuyển sang đắp (ví dụtừđộdốc 1:2 ởgiữa chuyển dần thành 1:3 rồi 1:5) 1.6 PHÒNG HỘ VÀ GIA CỐ TA LUY NỀN ĐƯỜNG Mục đích của việc gia cốmái ta luy là đểđềphòng ta luy bịphá hoại do tác dụng của nước mưa, nước mặt, sóng, gió, và các tác dụng khác (nhưtác dụng phong hoá bềmặt), Mùa mưa mái ta luy rất dễbịxói thành các vệt xói sâu làm bềmặt mái ta luy bịphá hoại, mái đất lởxuống làm tắc rãnh dọc, xói hổng chân ta luy dẫn đến sụt lởlớn. Những đoạn nền đường đắp qua bãi sông, ven biển, ven hồ, qua các các cánh đồng chiêm, thì mái ta luy thường bịsóng vỗhoặc nước chảy với tốc độlớn gây xói lở, sạt cảđoạn dài. Ởvùng núi, các mái ta luy cao có diện hởlớn càng dễ bịphong hoá nặng, càng dễbịngấm nước nhiều dẫn đến phá hoại. Những mái ta luy đất ít dính còn có thểbịphá hoại do gió thổi hoặc do súc vật trèo qua. Do đó, tuỳtrường hợp cần phải có các biện pháp gia cốmái ta luy thích đáng, nhất là nhiều trường hợp do bịphá hoại bềmặt lâu dài sẽdẫn đến cảmái ta luy mất ổn định toàn khối. Các hình thức gia cốmái ta luy thông thường gồm có: - Đầm nén chặt và gọt nhẵn mái ta luy 10/21/2007 I - 16
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG - Trồng cỏ trên mái ta luy : có thểtrồng bằng cách đánh các vầng cỏgăm có hàng lối lên mái ta luy đểcỏlan dần ra khắp mái, hoặc gieo hạt cỏgiống.Cũng có thểtrồng các loại cây bụi. Trồng cỏhoặc cây bụi có tác dụng làm chặt mái ta luy (rễcỏ), cản trởdòng chảy, điều tiết độẩm của đất, phủxanh tạo cảnh quan, do đó nên áp dụng với mọi trường hợp (trừnhững mái ta luy thường xuyên bịngập nước) Một sốcông trình nhưQL18, đường HồChí Minh đã sửdụng các loại cỏnhập phù hợp với khí hậu Việt Nam, gia cốta luy, bước đầu cho kết quảtốt. Mùc n•íc lò thiÕt kÕ §µo cÊp TÊm cá kÝch th•íc 25cm x 40cm, dÇy 10cm 1 nÕu i>20% / 1 ,5 §¾p ®Êt K>0,95 chi tiÕt a Ghim tre 2.5x2.5cm, dµi 30cm chi tiÕt A 5 :1 . 1 §µo h÷u c¬ nÕu i<20% chi tiÕt tÊm cá s¬ ®å bè trÝ vÇng cá gia cè ta luy Ghim tre 2.5cmx2.5cm, dµi 30cm mÆt ®øng mÆt b»ng Hình 1.11 Gia cố ta luy nền đường bằng lát cỏ - Gia cốlớp đất mặt mái ta luy bằng chất liên kết vô cơ(vôi, xi măng, ) hoặc chất liên kết hữu cơ - Làm lớp bảo hộcục bộhoặc tường hộđể ngăn ngừa tác dụng phong hoá phát triển, nhất là đối với những đường vùng núi.Tường hộcó thểlàm 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 đồi. Bề dầy đắp bao hai bên ta luy tối thiểu là 1,0m và ngoài vẫn trồng cỏ . 10/21/2007 I - 17
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG - Làm lớp bảo hộcục bộcó cấu tạo tầng lọc ngược tại các vịtrí trên mặt ta luy có vết lộnước ngầm chảy ra. Tác dụng của tầng lọc ngược là đểnước ngầm chảy ra không xói cảđất 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, ởsát mặt đất bốtrí 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 vỗthì có thểgia cốta luy bằng đá xếp khan trên lớp dăm cát đệm (hoặc thay bằng các lớp vải địa kỹthuật, lưới kỹthuật), rọđá, bỏđá, xây đá hoặc các tấm bê tông (đỏtại chỗhoặc lắp ghép), 100 §¸ héc x©y v÷a XM M100 dµy 25cm trªn líp ®¸ d¨m ®Öm dµy 10cm §µo cÊp nÕu i>20% 1 / 1 ,0 §¾p ®¸ 100 0 6 §µo h÷u c¬ nÕu i<20% 40 Hình 1.12 Gia cố ta luy nền đường bằng đá hộc xây h MNTT 5 , 0 1:2 2m h 3 , 1 0.5 Hình 1.13 Gia cố ta luy nền đường bằng lát đá 1 lớp 10/21/2007 I - 18
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 1.7 TÍNH KHỐI LƯỢNG CÔNG TÁC NỀN ĐƯỜNG Khi thiết kếphải xác định được khối lượng công tác nền đường đểlập dựtoán, 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 cứvào diện tích (hoặc chiều rộng mặt đường, lềđường, chiều dày các lớp kết cấu, ) trên các mặt cắt ngang và người ta giảthiết giữa các mặt cắt ngang, sựthay đổi của các yếu tố trên theo quy luật đường thẳng, bỏqua phần gồghềcủa 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 bềrộng, chiều dày, nói trên được thực hiện bằng các chương trình máy tính. Khối lượng công tác giữa các mặt cắt ngang được tính đơn giản bằng công thức sau: F F V 1 2 .L 1,2 2 12 Trong đó :V12 là khối lượng cần tính giữa hai mặt cắt 1, 2; F1 và F2 là diện tích (bề rộng, chiều dày, ) của mặt cắt 1 và 2; L12 là khoảng cách giữa hai cọc 1, 2 F2 2 1 L F1 Hình 1.14 Tính toán khối lượng nền đường Các khối lượng công tác cần tính trên mặt cắt ngang phụthuộc vào giải pháp thi công, có thểlà - 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, hệsó 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 cạp mởrộng, ) lềđường (gia cốlề, lề đất, ) chiều rộng lớp vải địa kỹthuật, - 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. 10/21/2007 I - 19
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 900 100 100 700 1.5% 1.5% 1.5% 1.5% 1/1.5 1/1.5 §Êt ®¾p K >= 0.98 KC I-4 KC II-2 ®¾p ®Êt ®¸ tËn dông k=95 §µo cÊp §µO h÷u c¬ Hình 1.15 Ví dụcác loại khối lượng trên mặt cắt ngang nền đường 1.8 TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN SƯỜN DỐC. Khi xây dựng nền đường trên sườn dốc, đểđảm 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 cơsởmột sườn dốc chắc chắn ổn định, nền đắp phải không bịtrượt trên mặt dốc đó và bản thân mái ta luy của nền đường phải đảm bảo ổn định Nhưvậy 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 h 1 Trường hợp này có thểxảy ra khi tầng đất phủtrên tầng đá gốc phẳng. Q .s in Xét một phân tốđất có kích thước hx1x1: - Lực gây trượt F =Q.sin  tr Q .c os - Lực giữ Fg=Q.cos .f+c.1 Q Điều kiện ổn định Fg ≥Ftr hay ta có Q.cos .f+c.1 ≥Q.sin  Chia cả2 vếcho Q.cos và thay Q=V.= h.1.1.=h.ta có Hình 1.16 Mặt trượt tương đối phẳng 10/21/2007 I - 20
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Điều kiện ổn định sườn dốc về mặt cơhọc được xác định: c i f h cos trong đó: i – độ dốc của sườn dốc. f – hệsố ma sát giữa khối trượt trên mặt trượt.  - dung trọng đất khối trượt ở trạng thái chứa ẩm lớn nhất, kN/m3. h – chiều dày trung bình của khối trượt, m. c – lực dính giữa khối trượt và mặt trượt, kPa.  - 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 nhưsau: - Tại các chỗ thay đổi dốc của mặt trượt, kẻ các đường thẳng đứng phân khối trượt thành các đoạn nhưhình vẽ. Trên mỗi đoạn tính toán trọng lượng bản thân khối trượt Qi và chiều dài mặt trượt tương ứng Li. Fi-1 Fi-1 i in i-1 .s Qi Fi+1 Qi.cos i i Qi i+1 Li Hình 1.17 Mặt trượt gãy khúc phẳng - Xác định các hệsốan toàn cho các phần khối trượt F g Qi .cos i .tan i ci .Li K i Ftr Qi .sin i Fi 1.cos( i i 1 ) với Fi-1 là lực đẩy của khối thứ(i-1) vào khối i - Qua các trịsốKi của các đoạn khối trượt đánh giá sựổn định của từng đoạn, nếu Ki < 1 thì khối có khảnăng bịđẩy trôi xuống phía dưới, nhưng bịkhối thứ(i+1) giữnên tại các mặt tiếp xúc sẽphát sinh các vết nứt. 10/21/2007 I - 21
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Cũng có thểtính toán theo hệsốtruyền nhưsau: -Lần lượt tính toán lực gây trượt Fi đối với từng đoạn của khối trượt theo công thức: Fi = Qi(K.sin i - cos i.tg i) + Fi-1.cos( i - i-1) – c.Li trong đó: i – độ dốc nghiêng của mặt trượt đoạn i; c, - lực dính và góc nội ma sát của khối trượt, t/m2;K – hệ số ổn định (1,0 – 1,5) . - Cuối cùng tính được lực gây trượt của đoạn khối trượt dưới chân dốc Fi+1.Nếu Fi+1 0 thì khối trượt ổn định trên sườn dốc và ngược lại. 1.8.1.3 Trường hợp mái sườn dốc có khảnăng phát sinh theo mặt trượt quay (mặt trượt tròn) : trường hợp này thường xảy ra đối với các sườn dốc đất sét đồng nhất ởtrạng 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 cơsởmột sườn dốc ổn định, đánh giá ổn định của bản thân nền đắp với điều kiện đảm bảo nền đường không bịtrượt trên mặt tiếp xúc giữa nền đắp và sườn dốc - Lực gây trượt F =Q.sin tr .sin - Lực giữ Q Fg=Q.cos .f Q.cos Qi Trong đó Q là trọng lượng nền đắp, f là hệsốma sát giữa nền đắp và sườn dốc Hình 1.18 Đánh giá ổn định của nền đắp trên sườn dốc Fg Q.cos f f Hệsốổn định K 1 i f Ftr Q.sin i Nhưvậy đểnâng cao mức độổn định của nền đắp trên sườn dốc phải dùng các biện pháp cấu tạo đã nêu ỏcác 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 nhỏ1,2, i (mảnh có chiều rộng 1-2m) 10/21/2007 I - 22
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Xét điều kiện cân bằng cơhọc mảnh thứi bất kỳcó chiều cao hi và rộng di di 1 2 i h i h Maët tröôït di Qicos i i Qi li Hình 1.19 Đánh giá ổn định của mái dốc thẳng đứng Ta có: - Lực gây trượt: Ti = Qi.sin i - Lực giữ: d i Ni Qi cos i .tg C cos i trong đó: Qi – trọng lượng mảnh đất i, Qi = di.hi.1.  C, - dung trọng, lực dính và góc nội ma sát của đất. Khi Ti > Ni thì vách đất mất ổn định và ngược lại. Ở trạng thái cân bằng giới hạn, ta có Ti = Ni Tức là: di Qi sin i Qi cos i tg C cos i Chia hai vế cho Qi.cos i, ta có: C tg i tg 2 (*) hay =f(h) h i cos i Nếu ta luy nền đường đảm bảo cho góc mái i của nó thay đổi theo hi và luôn luôn phù hợp với điều kiện (*) thì vềmặt cơhọc, ta luy nền đường sẽổn định toàn khối. Phân tích từđiều kiện (*) - Với đất cát có C = 0, muốn ổn định thì ta luy phải có góc dốc bằng góc nghỉ tự nhiên ( = ), điều này hoàn toàn được chứng thực trên thực tế. - Với đất dính có C 0: điều kiện ổn định cơhọc của mái dốc phụ thuộc vào chiều o cao mái ta luy hi, khi hi 0 thì i 90 , khi hi thì i . Nhưvậy với đất dính cấu tạo mái ta luy nên có dạng trên dốc dưới thoải. 10/21/2007 I - 23
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Từđiều kiện (*) Maslop đơn giản hoá và thêm vào hệsốan toàn K (1-1,5), ta có 1 C ( ) tg i tg K hi Góc mái dốc ta luy i được thiết kếthay đổi theo từng lớp đất theo điều kiện ( ) thì sẽổn định. Phương pháp này chỉcó thểáp 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 ởdưới 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 đểphân tích tính toán ổn định mà không xét đến lực trên hai mặt cắt thẳng đứng trước và sau (nhưvậy là thiên vềan 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 thứi (hình 1.20b) gồm có - Lực thẳng đứng đã biết Qi: Trọng lượng bản thân của phân mảnh và tải trọng xe - Lực nằm ngang Wi :Lực quán tính động đất - Lực tương hỗgiữa các mảnh chưa biết có thểphân thành lực đẩy ngang Ei và lực cắt thẳng đứng Ti - Phản lực ởđáy của phân mảnh: Phản lực pháp tuyển Ni và phản lực chống trượt Si với giảthiết là tác dụng của Ni là điểm giữa của mặt đáy phân mảnh B A B A i Ti-1 Wi Ei-1 Ei Qi i Ti C C li D Ni Si a) b) D Hình 1.20 Phương pháp phân mảnh a) Cách phân mảnh b) Tình hình chịu lực Lấy cùng một hệsốan toàn K giống nhau cho các phân mảnh, tức là giảđịnh cường độkháng cắt ởđáy các phân mảnh đều đạt tới trạng thái cân bằng giới hạn. Từđiều kiện cân bằng giới hạn (định nghĩa của hệsốan toàn) ta được 10/21/2007 I - 24
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 1 S C .l N .tg (1) i K i i i i Trong đó :Ci, φi là lực dính và góc nội ma sát của mảnh thứi; li là chiều dài mặt trượt; K là hệsốan toàn cần tìm. Đồng thời mỗi phân mảnh có ba điều kiện cân bằng (lực và mômen). Tuỳtheo sự khác nhau của giảthiết và phương pháp xửlý 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 phápThuỵĐiển 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. Nhưvậy n phân mảnh có 2n đại lượng chưa biết (Ni và Si) và một hệsốan toàn K, cộng lại có 2n+1 đại lượng chưa biết. Xét bài toán phẳng nhưhình 1.21a, phân khối đất trượt hình trụ tròn thành các mảnh. Căn cứvào giảthiết là các phân mảnh đồng thời đạt tới sựcân bằng giới hạn (trượt tổng thể) có thểchỉcần xét tới điều kiện cân bằng mômen của toàn khối trượt quanh tâm trượt O, bán kính R, tức là ∑M=0. Ta có ∑Si.R = ∑Qi.xi + ∑Wi.zi (2) Với xi và zi là cánh tay đòn của Qi và Wi (chú ý là dấu của xi có thể“+” hoặc “-“ 0 x i di i B C Z Xi R i i Y Wi Ei-1 Ei Wi Qi Qi i li D A li i S Ni i i N i S i i y a) Fellenius b) Bishop Hình 1.21 Phương pháp phân mảnh a) Theo Fellenius b) Theo Bishop Thay Si từ(1) vào (2) và rút gọn ta có công thức tính hệsốan toàn của mái đất 10/21/2007 I - 25
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG C l N .tg . K  i i i i (3) Zi  Qi sin i Wi R Trong đó i = arc sin(xi/R) là góc nghiêng của mặt trượt của phân mảnh tức là góc kẹp giữa phản lực pháp tuyến với trục tung y. Thay Ni = Qi.cos i – Wi.sin i vào (3) ta được Ci li Qi cos i Wi sin i .tg i  K  (4) Z i  Qi sin i Wi R Trong nhiều trường hợp Wi rất bé so với Qi hoặc chênh lệch giữa zi và yi là không lớn do đó có thểcoi gần đúng (zi/R≈yi/R=cos i) và có thểsửa lại (4) là C l Q cos W sin .tg  K  i i i i i i i (5)  Qi sin i Wi cos i Nếu không xét đến lực quán tính động đất Wi thì ta có công thức Q cos .tg C l  K  i i i i i (6) Q sin  i i và trường hợp nếu đất đồng nhất có c, φvà γ nhưnhau, ta có tg . (Q cos ) c.L K  i i (7) (Q sin )  i i với L=∑li – chiều dài cung trượt của cả khối trượt. Phương pháp này hoàn toàn không xét đến ảnh hưởng của các lực giữa các phân mảnh, vềmặt lý thuyết đó là điều chưa hoàn chỉnh, sai sốcủa kết quảtính toán vào khoảng 10-20%. Nhưng việc tính toán bằng sốđơn giản, sai sốcủa K không lớn, do đó vẫn được sửdụng rộng rãi, nhưng chỉthích 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 giông nhưphương pháp Fellenius chỉkhác là ởmỗi mảnh trượt Bishop có xét đến các lực đẩy ngang Ei và Ei-1 tác dụng từhai phía (không quan tâm đến điểm đặt lực) hình 1.21b Lấy một phân mảnh i bất kỳcó các lực : Trọng lượng Qi ; lực quán tính động đất Wi ; phản lực đáy phân mảnh pháp tuyến Ni; lực chống trượt Si và Ei và Ei-1 Từphương trình cân bằng lực trên hướng của mặt trượt Si + (Ei - Ei-1) cos i = Qi.sin i + Wi.cos i (8) Ta được 10/21/2007 I - 26
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 1 Ei Ei Ei 1 Qi tg i Wi S i . (9) cos i Do khối đất ởtrạng thái cân bằng ∑ Ei = 0 nên ta có: 1 (Qi tg i Wi ) S i . (10) cos i Thay Si từ(1) vào công thức trên và rút K ra ta có: 1 C .l N .tg .  i i i i cos K i (11)  Qi tg i Wi Lại dùng phương trình cân bằng lực trên hướng thẳng đứng của phân mảnh Ni.cos i + Si.sin i = Qi (12) Thay (1) vào (12) và rút Ni ra ta có: 1 Qi Ci li sin i N K (13) i 1 cos tg sin i K i i Thay vào (11) sau khi chỉnh lý ta được: 1 1  C i li Qi tg i .mi . 1 cos i cos i 1 K ; với mi 1 tg i tg i (14)  Qi tg i Wi K Công thức trên suy ra từphương 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 hệsốan toàn K từđiều kiện cân bằng mô men nhưsau: Thay Ni từ(13) vào (3) và rút gọn ta có công thức xác định K tg C l Q . i .m  i i i cos i K i (15) Zi  Qi sin i Wi R Do mi trong công thức hệsốan toàn trên bao gồm cảK trong đó, nhưvậy chỉcó thểdùng phương pháp tính thửdần đểxác định trịsốK. 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), 10/21/2007 I - 27
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Nhận xét:Với cùng một mái dốc, do các giảthiết dùng cho các phương pháp phân mảnh khác nhau nên hệsốan toàn tính ra cũng sai khác nhau. Thông thường phương pháp Fellenius do hoàn toàn bỏqua các lực giữa các phân mảnh nên trịsố K tìm được là nhỏnhất, phương pháp Bishop, Janbu, có xét đến các lực tác dụng giữa các phân mảnh nên giá trịK lớn hơn. Nhưvậy dùng phương pháp phân mảnh giản đơn thì cho kết quảthiên vềan toàn hơn. 1.10 KIỂM TOÁN ĐỘ ỔN ĐỊNH Trình tựcơbản của việc kiểm toán độổn định của nền đường nhưsau: 1. Căn cứvào hình dạng mặt trượt có khảnăng 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 sốlượng hợp lý. 3. Dựa vào các tổhợp 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 chỉtiêu cường độkháng cắt trên mặt trượt, tính hệsốan toàn của mặt trượt đó 5. So sánh hệsốan toàn của mặt trượt nguy hiểm nhất tìm được trong từng trường hợp với trịsốcho phép quy định đểphân tích xem nền đường có ổn định hay không. Ta lần lượt nghiên cứu từng vấn đềtrên. 1.10.1 Tổ hợp tải trọng: Khi phân tích ổn định của nền đường thông qua việc xem xét ba trường hợp tổhợp 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 tổhợp chủyếu bằng tải trọng kiểm toán xe xích hoặc xe nhiều bánh hoặc có xét đến tác dụng của lực chảy thấm (lực thuỷđộng) 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 ởmực nước đọng thường xuyên. Do thời gian xuất hiện mực nước lũcao nhất tương đối ngắn, khảnăng phát sinh đồng thời với động đất rất nhỏnên không xét đến lực chảy thấm. Ngoài ra cũng không xét đến tác dụng của tải trọng ô tô. Căn cứvào điều kiện làm việc của nền đường đểtiến hành kiểm toán, nếu tất cả đều thoảmãn yêu cấu mới có thểxem nền đường là ổn định. 10/21/2007 I - 28
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 1.10.2 Hình dạng và vịtrí của mặt trượt: Kết quảquan trắc nghiên cứu cho thấy là hình dạng và vịtrí 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 đểkiểm 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 đểphân tích đánh giá. Mặt trượt khi mái dốc mất ổn định sẽphát sinh ởchỗyếu nhất, là chỗmà ứng suất cắt lớn hơn sức kháng cắt. Do đó khi ta luy nền đường đắp bằng đất đồng nhất bịsụt trượt thì mặt trượt thường đi qua chân ta luy hoặc qua chỗđổi dốc trên mặt ta luy. Vịtrí tâm trượt nguy hiểm nhất có thểdùng phương pháp 4,5H hoặc phương pháp 360. 4 min 3 4 3 2 Ñöôøng quyõ tích taâm tröôït  1 2 1   H H  4,5H Hình 1.22 Quỹ tích tâm trượt nguy hiểm nhất nền đắp Các giá trị và tra bảng 1.9 Bảng 1.9 Giá trị và  1:m (độ) (độ) 1:m (độ) (độ) 1:0,58 29 40 1:2 25 35 1:1 28 37 1:3 25 35 1:1,5 26 35 1:5 25 31 Với nền đường đắp trên đất yếu, khi chiều cao nền đắp lớn hơn chiều cao giới hạn thì nền đắp và nền thiên nhiên cùng trượt, mặt trượt thường là mặt trượt tròn và 10/21/2007 I - 29
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG khoét sâu vào đất yếu.Vịtrí tâm trượt nguy hiểm nhất của nền đường đắp trên đất yếu thường nằm trong tứgiác EFDC nhưhình 1.23. Khi chiều sâu lớp đất yếu bằng và nhỏhơn 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 độsâu 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. E Quyõ tích taâm tröôït C O ° 6 G 3 F D B R M H A 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 bịphá 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 chỗthay đổi mặt trượt và thay đổi mặt đất làm giới hạn của các mảnh. Nhưvậy mới có thểxác định hướng mặt trượt ởđáy của từng phân mảnh, chỉtiêu cường độkháng 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 từ1-2m, sốmảnh thường khoảng ≥20-30 , nếu ít quá thì độ chính xác thấp. Trọng lượng bản thân của các mảnh bằng thểtích của nó nhân với dung trọng của đất, với các mảnh có nhiều lớp đất thì phải chia lớp đểtính 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; tải trọng này được quy đổi tương đương thành một lớp đất đắp có chiều cao là hx xác định theo công thức sau: n.G h x (16) .B. trong đó: G - Trọng lượng một xe (chọn xe nặng nhất), kN 10/21/2007 I - 30
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG n - Số xe tối đa có thể xếp được trên phạm vi bề rộng nền đường (Hình 1.24). - Dung trọng của đất đắp nền đường, kN/m3 - Phạm vi phân bố tải trọng xe theo hướng dọc, m (nhưHình 1.24) Có thể lấy = 4,2m với xe G = 130 kN, lấy = 6,6m khi xe có G = 300 kN, lấy = 4,5 m với xe xích có G = 800 kN. L e/2 b d b e/2 B Hình 1.24 Sơđồ xếp xe để xác định tải trọng xe cộ B là bề rộng phân bố ngang của các xe (mét) được xác định nhưở sơđồ hình 1.24 theo công thức sau: B = n.b + (n-1)d+e (17) 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. Nhưvậy khi tính toán có xét đến tải trọng xe cộ thì tải trọng đắp xem nhưđược cao thêm một trị số hx. 1.10.5 Tính toán lực động đất Tải trọng động đất được kể đến khi tính toán kiểm tra mức độ ổn định của nền đường chính là lực quán tính do động đất của bản thân khối trượt, lực này xem như tỷ lệ thuận với trọng lượng bản thân khối trượt: Wi = Kc.Qi (18) trong đó: Wi - Lực động đất tác dụng trên một mảnh trượt i (hoặc khối trượt i) (kN), Wi 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; Qi - Trọng lượng của mảnh trượt i (hoặc khối trượt i), kN; Kc - Hệ số tỷ lệ được lấy tuỳ thuộc cấp động đất nhưở Bảng 1.10 10/21/2007 I - 31
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Bảng 1.10 Hệ số tỷ lệ Kc Cấp động đất 7 8 9 10 11 12 Hệ số Kc 0,025 0,05 0,1 0,25 0,5 0,5 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 ởdưới đường thấm nước (hoặc đường mực nước) chịu tác dụng của lực đẩy nổi (áp lực thuỷtĩnh) và lực chảy thấm (áp lực thuỷđộng) và sức chống cắt của đất cũng giảm xuống, những điều này đều ảnh hưởng đến sựổn định của nền đường ngập nước, khi phân tích phải xét tới. x' O R MÆt tr•ît Mùc n•íc cao Mùc n•íc r a §•êng b·o hoµ n•íc Q'w Mùc n•íc thÊp b b' U'i-1 U' D Qwi U'i U c Ui a) b) 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 sựcân bằng giữa hợp lực của áp lực nước lỗrỗng (tức lực đẩy nổi) xung quanh mảnh với trọng lượng nước của phần thểtích thấm nước của phân mảnh (hình 1.25a). Khi phân tích ổn định trong trường hợp này chỉcần dùng dung trọng đẩy nổi đểtính trọng lượng đất của bộ phận thấm nước thì có thểkhông cần xét đến lực tác dụng của nước ởtrên mặt giới hạn của mảnh . Dung trọng đẩy nổi của đất có thểtính theo công thức sau: γ’ = γm - γw = γđ– (1- n)γw (19) Trong đó : 10/21/2007 I - 32
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG - γ’ , γm , γđ: Dung trọng đẩy nổi, dung trọng bão hoà và dung trọng khô của đất (kN/m3) 3 - γw : Dung trọng của nước bằng 10 kN/m - n : Độrỗng của đất (%) Khi có chênh lệch mức nước trong và ngoài mái ta luy thì sẽphát sinh sựchảy thấm.Bộphận ởdưới đường bão hoà ngoài việc chịu tác dụng của lực đẩy nổi còn chịu tác dụng của lực chảy thấm.Nếu mực nước ởngoài 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 sựổn định của nền đường. Thường dùng áp lực nước trên chu vi khối đất trượt và trọng lượng nước của bộphận thểtích thấm nước đểthay thếcho tác dụng của lực chảy thấm. Xét phần thểtích ởdưới đường bão hoà trong phạm vi khối đất trượt đểxét, ta có các lực tác dụng vào phần khối nước lỗrỗng 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 lỗrỗng và lực đẩy nổi bằng trọng lượng nước Qw của thểtích khối đất trượt nằm dưới 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 độổn định.Dựa vào cân bằng mô men với tâm trượt O ta có hệsốan toàn K từ(6) : R Q cos .tg C l  K  i i i i i (20) Q x D.r  i i Trong đó: - Qi : Trọng lượng bản thân của mảnh có xét đến tác dụng của lực đẩy nổi của nước đối với bộphận ởdưới đường bão hoà - r : Cánh tay đòn của lực chảy thấm D với tâm O Do lực U thảng 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 sẽtriệt tiêu nhau và do đó D.r = Q’w.x’ (21) với - Q’w : trọng lượng nước của bộphận thểtích nằm dưới đường bão hoà và nằm trên mực nước thấp nhất bb - x’: cánh tay đòn của Q’w lấy đối với tâm trượt O Cũng có thểdùng phương pháp phân mảnh tính toán Q’w.x’ cho từng mảnh i, khi đó công thức (20) sửa lại thành Q cos .tg C l  Q cos .tg C l  K  i i i i i  i i i i i (22) '  Qi Qwi sin i Q'i sin i 10/21/2007 I - 33
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Trong đó : - Q’wi : Trọng lượng nước của bộphận thểtích nằm trên mực nước thấp nhất và dưới đường bão hoà - Q’i : Biểu thịtrọng lượng của phân mảnh tính toán với bộphận ởdưới đường bão hoà và trên mực nước thấp thì dùng dung trọng bão hoà, bộphận ởdưới mực nước thấp nhất thì dùng dung trọng đẩy nổi. Gradien thuỷlực của dòng thấm của các loại đất có thểlấy theo bảng 1.11 sau Bảng 1.11 Gradien thuỷ lực dòng thấm Loại đất Gradien thuỷ lực Mùc n•íc cao Cát hạt lớn 0,003-0,006 Cát 0,006-0,020 D Á cát 0,020-0,050 Mùc n•íc thÊp Á sét 0,050-0,100  tg =I) Sét 0,100-0,150 §•êng b·o hoµ n•íc Sét nặng 0,150-0,200 Than bùn 0,020-0,120 Hình 1.26 Xác định đường thấm nước Đường thấm nước khi mức nước lũrút đột ngột được xác định gần đúng nhưhình 1.26 phụthuộc vào Gradien thuỷlực I của dòng thấm. 1.10.7 Chọn các tham sốtính toán: Khi kiểm toán ổn định của nền đường cần phải xác định các tham sốcủa đất như dung trọng γ của khối đất trượt, chỉtiêu cường độkháng cắt C, φtrên mặt trượt. Khi xác định các chỉtiêu cơlý này thì phương pháp lấy mẫu và thí nghiệm phải giống nhưtình hình làm việc thực tếcủa nền đường. Đối với nền đường đào và mái dốc thiên nhiên thì lấy các sốliệu thí nghiệm mẫu đất nguyên dạng, còn với nền đắp thì lấy sốliệu thí nghiệm của mẫu đất đầm chặt (được chếbi theo yêu cầu độchặt quy định). Thường dùng các thí nghiệm cắt nhanh, hoặc cắt không thoát nước đểxác định các chỉtiêu C, φ. Mỗi chỉtiêu thông thường phải có ít nhất 6 sốliệu và trịsốtính toán được xác định theo công thức : 2 (Ai Abq ) At = Abq + δ với  (23)  n Trong đó: - At : Trịsốtính toán - Abq : Trịsốbình quân - δ: Độlệch bình phương trung bình - n : Sốthí nghiệm 10/21/2007 I - 34
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 1.10.8 Hệsốan toàn cho phép: Hệsốan toàn tìm được K>1,0 nếu xét vềmặt lý thuyết thì nền đường ổn định, nhưng trong thực tếvẫn phát sinh hiện tượng mất ổn định (cũng có thểkhi K<1,0 mà không bịtrượt). Nguyên nhân của tình trạng này chủyếu là do việc chọn trịsố C, φvà phương pháp kiểm toán, phân tích không thật phù hợp với thực tế. Do đó phải xét đến sựan toàn và tính kinh tếcủa công trình mà quy định hệsốan toàn cho phép (thấp nhất) thích hợp đểđánh giá sựổn định của nền đường. Phải dựa vào mức độquan trọng của công trình, sựgần đúng của phương pháp phân tích kiểm toán, sựhoàn chỉnh của tài liệu thu được, sai sốcủa chỉtiêu cường độ, sựhợp lý vềmặt kinh tếcông trình, mà định ra hệsốan toàn cho phép.Dựa vào kinh nghiệm thực tếgiá trịhệsốan toàn cho phép thường thay đổi từ1,10 đến 1,25 và có thểlấy nhưsau: - Đối với tổhợp chủyếu Kmin ≥1,25 - Đối với tổhợp kiểm toán Kmin ≥1,15 - Đối với tổhợp động đất Kmin ≥1,10 (Kmin ≥1,15 nếu ta luy cao hơn 20m) Và theo kinh nghiệm thì khi dùng phương pháp phân mảnh giản đơn Kmin ≥1,20 và khi dùng phương pháp Bishop Kmin ≥1,40 thì đảm bảo ổn định. 1.11 CHƯƠNG TRÌNH KIỂM TOÁN ĐỘ ỔN ĐỊNH Hiện nay có rất nhiều các phần mềm phân tích, kiểm toán độổn 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 GEO- SLOPE 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 nhưvấn đề liên quan tới hệ số an toàn của tất cả các phương pháp nói chung cho bài toán ổn định trượt. 10/21/2007 I - 35
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Slope/w được sử dụng rộng khắp trên 100 nước, ở nước ta một số công ty tưvấn thiết kế công trình thuỷ lợi, xây dựng và giao thông cũng bắt đầu dùng Slope/w và thu được các kết quả khảquan. 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. 1.11.3 Một số ví dụ minh hoạ. 1. Ví dụ 1 : Tính toán ổn định của mái ta luy cao 5m độ dốc 1/1.5. Đất á sét có các chỉ tiêu γ=18.62 kN/m3, C=14.70 kPa, φ=170. Sau khi tính toán được các hệ số an toàn nhỏ nhất theo Bishop Kmin=1.842, theo Janbu Kmin=1.719 , theo Ordinary (Fellenius) Kmin=1.755. 25 Description: Example 1 Comments: Tinh on dinh mai ta luy Analysis Method: Bishop Direction ofSlip Movement: Left to Right Slip Surface Option: Grid and Radius 20 2 . 6 2 . 2 2 . 2 4 1.842 ) 15 2 m ( n o i t a v e l Description: Nen dap E 10 Soil Model: Mohr-Coulomb Unit Weight: 18.62 Cohesion: 14.7 Phi: 17 5 0 0 10 20 30 40 Distance (m) Kết quả tính ổn định theo Bishop ví dụ 1 10/21/2007 I - 36
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 2. Ví dụ 2 : Tính toán ổn định nền đắp cao 5m, rộng 13.25m, độ dốc 1/2.0. Đất đắp có các chỉ tiêu γ=18.00 kN/m3, C=0 kPa, φ=300. Các lớp đất phía dưới có chiều dày và các chỉ tiêu cơlý : - Lớp 1 : h=2.5m, γ=18.50 kN/m3, C=31.25 kPa, φ=00. - Lớp 2 : h=3.0m, γ=18.70 kN/m3, C=12.70 kPa, φ=00. - Lớp 3 : h=4.5m, γ=18.00 kN/m3, C= 0 kPa, φ=280. Sau khi tính toán được các hệ số an toàn nhỏ nhất theo Bishop Kmin=1.113, theo Janbu Kmin=1.037 , theo Ordinary (Fellenius) Kmin=1.02, Từ kết quả tính toán đề ra được các biện pháp nâng cao mức độ ổn định như: Làm bệ phản áp, rải vải địa kỹ thuật, làm thoải mái ta luy, sau đó kiểm toán lại. TÝnh æn ®Þnh nÒn ®¾p trªn ®Êt yÕu 30 Description: National Highway No.18 Comments: NB-BN STA. Km19+00-Km19+145 28 Analysis Method: Bishop Direction of Slip Movement: Left to Right 26 24 1 . 2 22 Description: Nen dap 2 . Soil Model: Mohr-Coulomb 1 20 Unit Weight: 18 1 .113 Cohesion: 0 18 Phi: 30 ) m ( 16 o a c 14 o D 12 Unit Weight: 18.5 10 Cohesion: 31.25 Phi: 0 8 Unit Weight: 18.7 Cohesion: 12.7 6 Phi: 0 Unit Weight: 18 4 Cohesion: 0 2 Phi: 28 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 Khoangcach(m) Kết quả tính toán ví dụ 2 1.12 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐẮP THÔNG THƯỜNG Khi thiết kếnền đường phải tính toán độlún tổng cộng nhằm đểbiết được độdự trữlún khi thi công, biết khối lượng đắp bù lún và nếu có công trình thoát nước ở dưới thì phải biết độlún đểtiện xửlý. Với nền đường đắp trên đất thông thường (không phải là đất yếu) thì độlún của nền đường đã được xét trong môn cơhọc đất, dựa theo kết quảcủa đường cong nén lún ε~P. Còn đối với nền đắp trên đất yếu thì độlún cốkết theo đường cong nén cốkết ε~lgP được nghiên cứu ởchương 2. o0o 10/21/2007 I - 37
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG CHƯƠNG 2 THIẾTKẾ VÀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤTYẾU 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, có tính nén lún lớn, hầu nhưbão hòa nước, có hệ số rỗng lớn, cường độ chống cắt nhỏ, Nếu không có biện pháp xử lý đúng đắn thì việc xây dựng công trình trên nền đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện được. 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 cơcó 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 1,5, á sét e 1), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát từ 0-10o hoặc lực dính từ kết quả thí 2 nghiệm cắt cánh hiện trường Cu 0,35 daN/cm . 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 cơthường 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 cơlẫn với các trầm tích khoáng vật. Loại này thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơchiếm tới 20-80%, thường có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dưthực vật). Các chỉ tiêu chính của than bùn e=3-15, C=0,01-0,04 daN/cm2 , tgφ=0,03-0,07. Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơcó trong chúng: + Lượng hữu cơcó từ 20-30%: Đất nhiễm than bùn + Lượng hữu cơcó từ 30-60%: Đất than bùn + Lượng hữu cơtrên 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: W W B d (2.1-1) Wnh Wd 10/21/2007 II - 1
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG trong đó : W, Wd,Wnh - Độ ẩm ở trạng thái tự nhiên, giới hạn dẻo và giới hạn 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 với mặt trượt tròn khoét xuống vùng đất yếu thì hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin = 1,20 (riêng trường hợp dùng kết quả thí nghiệm cắt nhanh không thoát nước ở trong phòng thí nghiệm để nghiệm toán thì Kmin =1,10); - Khi áp dụng phương pháp Bishop để nghiệm toán ổn định thì hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin=1,40; 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 Kmin=1,50 theo quy định của các nước phương Tây, vì vậy cần đặc biệt chú ý việc 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 10/21/2007 II - 2
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 2.2.2 Các yêu cầu và tiêu chuẩn tính toán lún Phải tính chính xác độ lún. Độ lún tuy tiến triển chậm hơn nưng 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 hưhỏng các kết cấu chôn trong đất ở xung quanh (các mố cọc, cọc ván) Yêu cầu phải tính được độ lún tổng cộng kể từ khi bắt đầu đắp nền đường đến khi lún kết thúc để xác định chiều cao phòng lún và chiều rộng phải đắp thêm ở hai bên nền đường. Khi tính toán độ lún tổng cộng nói trên thì tải trọng gây lún phải xét đến chỉ gồm tải trọng nền đắp thiết kế bao gồm cả phần đắp phản áp (nếu có), không bao gồm phần đắp gia tải trước (nếu có) và không xét đến tải trọng xe cộ. Sau khi hoàn thành công trình nền mặt đường xây dựng trên vùng đất yếu, phần độ lún cố kết còn lại S tại trục tim của nền đường được cho phép nhưở Bảng 2.1 Bảng 2.1 Độ lún cố kết cho phép còn lại tại trục tim nền đường Vị trí đoạn nền đắp trên đất yếu Loại cấp đường Trên cống hoặc Các đoạn nền đắp Gần mố cầu đường chui dân sinh thông thường 1. Đường cao tốc và đường cấp 80 10cm 20cm 30cm 2. Đường cấp 60 trở xuống có tầng mặt 20cm 30cm 40cm cấp cao A1 Đối với các đường cấp 20; 40 và đường chỉ sử dụng kết cấu áo đường mềm cấp cao A2 trở xuống thì không cần đề cập đến vấn đề độ lún cố kết còn lại khi thiết kế. 2.3 XÁC ĐỊNH CÁC TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN Các tải trọng tính toán khi kiểm tra ổn định và dự báo lún của nền đắp trên đất yếu bao gồm: - Tải trọng đắp nền và đắp gia tải trước, - Tải trọng xe cộ, - Tải trọng động đất Vì việc tính toán đều đưa về bài toán phẳng, do vậy các tải trọng tính toán đều được xác định tương ứng với phạm vi phân bố trên 1m dài nền đường. Tổ hợp tải trọng tính toán giống nhưtính toán ổn định mái ta luy nền đường (xem ở phần 1.10 chương 1) 10/21/2007 II - 3
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 1. Tải trọng đắp nền và đắp gia tải trước : được xác định đúng theo hình dạng đắp trên thực tế (hình thang với mái dốc có độ dốc thiết kế, có thể có thêm phản áp hoặc trong trường hợp đào bớt đất yếu trước khi đắp thì có thêm hai dải tải trọng phản áp vô hạn ở hai bên). L 1 /1 .5 NÒn ®¾p H h 5 1. BÖ ph¶n ¸p 1/ §Êt yÕu Hình 2.1 Tải trọng nền đắp và bệ phản áp 2. Tải trọng xe cộ: Nhưphần 1.10 chương 1 3. Tải trọng động đất : Nhưphần 1.10 chương 1 2.4 CÁC YÊU CẦU VỀ KHẢO SÁT PHỤC VỤ THIẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU. Để phục vụ cho việc thiết kế và xây dựng nền đắp trên đất yếu cần phải tiến hành công tác điều tra khảo sát và làm các thí nghiệm cần thiết ở hiện trường và trong phòng nhằm: - Xác định phạm vi phân bố vùng đất yếu, chiều sâu các lớp và độ dốc ngang đáy lớp đất yếu dưới cùng, vị trí mực nước ngầm, - Nhận biết loại đất yếu và xác định các chỉ tiêu cần thiết phục vụ cho việc tính toán thiết kế xử lý và kiểm tra chất lượng thi công Muốn vậy phải tiến hành công tác khảo sát địa hình, địa chất, khoan thăm dò và lấy các mẫu nguyên dạng để thí nghiệm ở trong phòng thí nghiệm để xác định các đặc trưng địa kỹ thuật và cơhọc của đất yếu. * Các chỉ tiêu phục vụ cho việc tính toán kiểm tra mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu phải được xác định riêng cho mỗi lớp đất yếu khác nhau, cụ thể là: - Sức chống cắt (Cu, φu) không thoát nước được xác định bằng phương pháp cắt cánh tại hiện trường (hoặc được xác định bằng phương pháp cắt nhanh trong phòng thí nghiệm, nếu không có thiết bị cắt cánh tại hiện trường); - Dung trọng tự nhiên và mức nước ngầm (để xác định vùng đất yếu chịu tác dụng của lực đẩy nổi). 10/21/2007 II - 4
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Ngoài ra, cũng phải xác định các chỉ tiêu lực dính Cđ, góc nội ma sát φđvà dung trọng đđối với đất dùng để đắp nền đường (ứng với trạng thái chặt và ẩm của đất đắp); * Các chỉ tiêu phục vụ cho việc tính toán dự báo độ lún tổng cộng và độ lún cố kết theo thời gian cũng phải được xác định riêng cho mỗi lớp đất yếu khác nhau . Được xác định thông qua thí nghiệm xác định nén lún trong điều kiện không nở hông, hệ số rỗng ban đầu eo, chỉ số nén lún Cr và Cc, hệ số cố kết theo phương 2 thẳng đứng Cv (cm /giây) và áp lực tiền cố kết p. Các chỉ tiêu này cũng phải được xác định riêng cho mỗi lớp đất yếu khác nhau . 2.4.1 Các quy định về khảo sát địa hình: - Khi tiến hành lập dự án đầu tưxây dựng, đối với vùng đất yếu phải đo đạc lập được bình đồ tỷ lệ 1:500 1:1000 với chênh lệch các đường đồng mức 0,50m dọc theo các phương án tuyến qua vùng đất yếu. - Trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật và thiết kế lập bản vẽ thi công phải đo đạc mặt cắt dọc và mặt cắt ngang theo tuyến đường thiết kế với các cọc chi tiết có cự ly tương ứng với quy định ở mỗi giai đoạn, ngoài ra có bổ sung các cọc tại vị trí khoan thăm dò, lấy mẫu thí nghiệm đất yếu. 2.4.2 Các quy định về khảo sát và thí nghiệm địa kỹ thuật Để đạt được các yêu cầu nói ở trên phải kết hợp thăm dò không lấy mẫu (bằng các thiết bị khoan xoắn, xuyên tĩnh hoặc cắt cánh tại hiện trường) và thăm dò có lấy mẫu (bằng thiết bị khoan lấy mẫu nguyên dạng đem về thí nghiệm trong phòng) sao cho tiết kiệm nhất. . Khi thăm dò bằng khoan, xuyên, cắt cánh nên tham khảo các quy trình hữu quan dưới đây: + Quy trình khoan thăm dò địa chất 22TCN 259-2000 + Cắt cánh: ASTM D2573 và TCXD 205-1998 của Bộ Xây dựng + Xuyên: ASTM D1586 2.4.2.1 Quy định về khảo sát 1. Bước lập dự án đầu tư: Sau khi đã tiến hành khoan thông thường mà phát hiện đất yếu thì tiến hành khoanh vùng và bố trí lỗ khoan trên tim tuyến với khoảng cách từ 250 đến 500 mét (nếu cần thiết có thể bổ sung các điểm thăm dò như: cắt cánh, xuyên vv để phát hiện phạm vi đất yếu, những việc bổ sung thăm dò này không lấy mẫu thí nghiệm). 2. Bước thiết kế kỹ thuật: Công tác thăm dò địa chất công trình bằng những lỗ khoan được bố trí cách nhau thông thường từ 50 đến 100 mét trên tim tuyến (trong đó kể cả khối lượng đã tiến hành ở bước trước). Trong trường hợp đặc biệt cự ly này có thể rút ngắn hơn. 10/21/2007 II - 5
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Cứ cách 100-150 mét tiến hành 1 mặt cắt địa chất công trình theo chiều ngang vuông góc tim tuyến, trên đó có 3 lỗ khoan. Mỗi khu vực đất yếu phải có tối thiểu hai mặt cắt ngang địa chất đại diện. Độ sâu khoan thăm dò phải đến dưới đáy lớp đất yếu, vào lớp đất không yếu thêm 2m hoặc nếu đất yếu có chiều dày lớn thì khoan đến hết phạm vi chịu ảnh hưởng của tải trọng đắp. Trong trường hợp phải tiến hành thí nghiệm cắt cánh hiện trường. Thí nghiệm này có thể được tiến hành độc lập hoặc trong lỗ khoan. 3. Bước khảo sát lập bản vẽ thi công: là sử dụng kết quả các lỗ khoan hoặc các thí nghiệm hiện trường đã tiến hành ở bước thiết kế kỹ thuật. Khối lượng khảo sát chỉ bổ sung cho bước thiết kế kỹ thuật chưa thực hiện hết theo quy định. 2.4.2.2 Quy định về lấy mẫu thí nghiệm: Trong mỗi lỗ khoan tuỳthuộc vào chiều dài đoạn đất yếu để lấy mẫu: + Chiều dài đoạn đất yếu đến 200m thì cứ 1-2m sâu lại phải lấy một mẫu đất yếu nguyên dạng. + Chiều dài đoạn đất yếu trên 200m thì khối lượng mẫu tối thiểu ở giữa mỗi lớp đất phải lấy một mẫu đất nguyên dạng. Phương pháp lấy mẫu, bao gói, vận chuyển và bảo quản mẫu nguyên dạng phải được thực hiện đúng nhưcác quy định ở Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2683-91. 2.4.2.3 Quy định về thí nghiệm: Việc thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơlý của đất yếu và đất đắp phải được thực hiện với tất cả các mẫu nguyên dạng đã lấy theo các quy định sau: + Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu sức chống cắt (lực dính C và góc ma sát ) phải tuân theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4199-95, trong đó phải xác định cả theo phương pháp cắt nhanh và cắt nhanh cố kết (chỉ tiêu cắt nhanh để kiểm toán mức độ ổn định của nền đắp trong quá trình đắp và chỉ tiêu cắt nhanh cố kết được dùng để kiểm toán ổn định của nền đắp khi đưa chúng vào sử dụng); + Thí nghiệm xác định tính nén lún trong điều kiện không nở hông được thực hiện theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4200-95. Riêng việc xác định trị số áp lực tiền cố kết pz được thực hiện từ kết quả thí nghiệm được thể hiện bằng đường cong e~lgP hoặc lge~lgP + Các chỉ tiêu khác được xác định theo các Tiêu chuẩn Việt Nam tương ứng. + Việc thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơlý của đất hoặc cát đắp nền đường cũng được thực hiện theo các tiêu chuẩn tương ứng nói trên với các mẫu chế bị bằng vật liệu đắp lấy từ mỏ đất hoặc cát có độ chặt và độ ẩm tương ứng nhưthực tế. Riêng với chỉ tiêu sức chống cắt thì chỉ áp dụng phương pháp cắt nhanh. 10/21/2007 II - 6
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 2.5 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU. Khi đắp nền đường trên đất yếu thì sẽ làm tăng ứng suất trong đất. Nếu sự tăng ứng suất này vượt quá một ngưỡng giới hạn nào đó, phụ thuộc vào các tính chất cơhọc của đất, thì nền đất yếu sẽ bị phá hoại khi xây dựng khiến cho nền đắp bị lún nhiều và đột ngột. Cùng với sự lún sụp của nền đắp, nền đất yếu xung quanh cũng bị trồi lên tương ứng. Nhưvậy, phải tính ổn định cho hai trường hợp là ổn định chống lún trồi và ổn định chống trượt sâu. Hệ số an toàn Kat (Fs) ≥1,5 , các giá trị dưới 1,5 (cận dưới là 1,3) chỉ được chấp nhận trong những trường hợp cá biệt nhưviệc kiểm toán ổn định khi đang thi công. 2.5.1 Tính ổn định do lún trồi Việc tính toán được tiến hành bằng cách xem nền đắp tương tự một móng nông hình băng mà các mép được giới hạn bởi điểm giữa của ta luy nền đắp. Nền đất yếu bị phá hoại do lún xuống ở phần giữa, đồng thời bị trồi lên ở hai bên chân ta luy. Theo các kết qủa của Mandel và Salençon có hai trường hợp: 1. Khi B/h ≤1,49 : Trường hợp nền đường có chiều rộng bé đắp trên lớp đất yếu dày (B – chiều rộng nền đường; h – chiều dày lớp đất yếu, Hình 2.2). B NÒn ®¾p H §Êt yÕu h Hình 2.2 Sơđồ tính toán ổn định chống lún trồi Áp lực giới hạn qgh bất lợi nhất của nền đất yếu được xác định theo công thức: qgh = (2+ )Cu (2.5-1) trong đó: Cu – lực dính không thoát nước Ứng suất do nền đường gây ra ở dưới tim nền đắp là: q = đ.H (2.5-2) trong đó: γđ– trọng lượng thể tích đất nền đường; H – chiều cao nền đắp. Hệ số an toàn: qgh π 2 C F u (2.5-3) q γñ H 10/21/2007 II - 7
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 2. Khi B/h > 1,49: Nền đường có đáy rộng so với chiều dày lớp đất yếu. Áp lực giới hạn trên đất yếu được xác định theo công thức: qgh = Cu.Nc (2.5-4) trong đó: Nc – hệ số thay đổi theo tỉ số B/h, tra toán đồ hình 2.3. Và hệ số an toàn F được tính như Nc công thức (2.5-3) 9 8 7 Ngoài công thức tính tải trọng giới 6 hạn của Mandel và Salençon nêu  5 trên còn có các công thức tính tải B trọng giới hạn như: 4 H 1. Công thức tính tải trọng giới hạn 3 h dựa vào giả thiết đất là môi trường 2 biến dạng tuyến tính 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 B/h 1,49 Hình 2.3 Hệ số chịu tải Nc của nền đường qgh ≈3.Cu (Coi góc nội ma sát φ≈0) (2.5-5) 2. Công thức tính tải trọng giới hạn của GS. Đặng Hữu qgh = η1.Cu (2.5-6) Trong đó η1 là hệ số phụ thuộc vào tỷ số a/b và góc φtheo bảng 2.2 . Bảng 2.2 Hệ số η1 φ0 b 0 5 10 15 20 30 a/b H 1 3,59 4,05 4,62 5,29 6,13 8,49 2 3,82 4,31 4,90 5,65 6,50 9,01 a h 3 3,96 4,46 5,10 5,85 6,75 9,35 5 4,11 4,66 5,32 6,13 7,05 9,80 10 4,29 4,91 5,55 6,40 7,47 10,33 20 4,41 5,03 5,70 6,62 7,68 10,60 3. Và các công thức tính tải trọng giới hạn của : Frăngđơ-Taylo; L.K Iugenxon; Berezanxev 10/21/2007 II - 8
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 2.5.2 Tính ổn định chống trượt sâu: Trong quá trình này sử dụng phương pháp phân mảnh cổ điển hoặc phương pháp Bishop với mặt trượt tròn khoét xuống vùng đất yếu làm phương pháp cơbản để tính toán đánh giá mức độ ổn định của nền đắp trên đất yếu. Nguyên tắc, trình tự tính toán và các ký hiệu giống nhưphần 1.10 chương 1 Phương pháp phân mảnh cổ điển được tính theo sơđồ hình 2.4a và hệ số ổn định K ứng với một mặt trượt tròn có tâm O được xác định theo công thức 2.5-7: C l Q cos W sin .tg  K  i i i i i i i (2.5-7) Z i  Qi sin i Wi R 0 x i i i R d Z Xi i i i Y W Ei-1 H Wi Qi Ei Qi i l i li i i i S i N N Si i y a) Fellenius b) Bishop Hình 2.4 Sơđồ tính toán ổn định chống trượt sâu Phương pháp phân mảnh Bishop được tính theo sơđồhình 2.4b và hệ số ổn định K ứng với một mặt trượt tròn có tâm O được xác định theo công thức 2.5-8 và 2.5-9: 1 1 C l Q tg .m .  i i i i i 1 cos i cos i 1 K ; với mi 1 tg i tg i (2.5-8)  Qi tg i Wi K Công thức trên thích hợp với mặt trượt hình dạng bất kỳ.Nếu là mặt trượt tròn, ta rút ra được hệsốan toàn K từđiều kiện cân bằng mô men nhưsau: tg C l Q . i .m  i i i cos i K i (2.5-9) Zi  Qi sin i Wi R Do mi trong công thức hệsốan toàn trên bao gồm cảK trong đó, nhưvậy chỉcó thểdùng phương pháp tính thửdần đểxác định trịsốK. 10/21/2007 II - 9
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Hiện nay phổ biến sử dụng các chương trình lập sẵn trên máy tính để kiểm toán ổn định như: Slope/w; Plaxis; Bishop, (xem phần 1.11 chương 1) Những chú ý khi vận dụng phương pháp tính toán phân mảnh cổ điển và Bishop - Bề rộng mảnh trượt di không được quá 2m và phải phân mảnh sao cho chiều dài cung trượt trong phạm vi mỗi mảnh li phải nằm trong cùng một lớp đất. Mỗi mảnh trượt bao gồm tất cả các lớp đất kể từ mặt trượt trở lên (có thể gồm cả tầng cát đệm, phần đắp chìm trong đất yếu, phần lớp đất không yếu, phần đắp phản áp, phần đắp gia tải trước và phần chiều cao đắp tương ứng với tải trọng xe cộ quy đổi). di - Xác định trọng lượng bản thân mỗi mảnh trượt Qi nhưsau: n n Qi S k .k d i .hk .k (2.5-10) 1 1 d 1 h trong đó: hk là chiều cao của mảnh i trong phạm vi mỗi lớp đất khác nhau có dung trọng thể tích k khác nhau (n là số các lớp 2 đất khác nhau trong phạm vi 2 h mảnh i). Đối với các lớp đất yếu nằm dưới mức nước ngầm thì trị số k phải dùng trọng lượng thể tích đẩy nổi . 3 3 h Chú ý rằng, đối với các mảnh trượt nằm trong phạm vi bề rộng của nền đường thì khi tính Qi phải kể đến thêm chiều cao quy ' 4 đổi tải trọng xe cộ hx . h 2.6 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU. Khi thiết kếnền đường phải tính toán độlún tổng cộng nhằm đểbiết được độdự trữlún khi thi công, biết khối lượng đắp bù lún và nếu có công trình thoát nước ở dưới thì phải biết độlún đểtiện xửlý. Đặc biệt với công trình nền đường đắp trên đất yếu thì độ lún tổng cộng quá lớn cũng xem là không cho phép, không đảm bảo ỏn định toàn khối. Ngoài ra cũng cần tính toán độlún theo thời gian hay tốc độ lún để khống chế tốc độ đắp nền và thời hạn cho phép xây dựng mặt đường cấp cao phía trên nền đường. Trong khi tính toán thường không xét đến biến dạng lún của bản thân nền đắp vì trị số này rất nhỏ nếu thi công đắp đảm bảo được độ chặt yêu cầu. 2.6.1 Tính độ lún tổng cộng S: Độ lún tổng cộng S gồm hai thành phần S = Si + Sc (2.6-1) Trong đó: - Si :Lún tức thời do biến dạng ngang không thoát nước, xét đến khả năng nở hông của đất yếu dưới nền đắp 10/21/2007 II - 10
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG - Sc : Lún cố kết do nước lỗrỗng thoát ra và đất yếu bị nén chặt dưới tải trọng nền đắp. Khi tính toán độ lún tổng cộng nói trên thì tải trọng gây lún phải xét đến chỉ gồm tải trọng nền đắp thiết kế bao gồm cả phần đắp phản áp (nếu có), không bao gồm phần đắp gia tải trước (nếu có) và không xét đến tải trọng xe cộ. Độ lún tổng cộng S được dự đoán theo quan hệ kinh nghiệm sau: S = m.Sc (2.6-2) Với m =1,1 1,4; nếu có các biện pháp hạn chế đất yếu bị đẩy trồi ngang dưới tải trọng đắp (nhưcó đắp phản áp hoặc rải vải địa kỹ thuật ) thì sử dụng trị số m=1,1; ngoài ra chiều cao đắp càng lớn và đất càng yếu thì sử dụng trị số m càng lớn. Độ lún tức thời Si cũng được dự tính theo quan hệ sau: Si = (m-1).Sc (2.6-3) H 1 i 1 2 Z h vzi zi   i i H H = a Z 2 v z h 3 h z Hình 2.5 Sơđồ tính độ lún cố kết Sc theo phương pháp phân tầng cộng lún 2.6.2 Tính độ lún cố kết Sc Độ lún cố kết Sc được dự tính theo phương pháp phân tầng lấy tổng với công thức sau: n i i Hi i i i i z vz Sc  Cr lg(pz / vz ) Cc lg 1 ei i i 1 o pz (2.6-4) Trong đó: - Hi : Bề dày lớp đất tính lún thứ i (phân thành n lớp có các đặc trưng biến dạng khác nhau), i từ 1 đến n lớp; Hi 2,0m; 10/21/2007 II - 11
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG i - eo : Hệ số rỗng của lớp đất i ở trạng thái tự nhiên ban đầu (chưa đắp nền bên trên). i - Cc : Chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún (biểu diễn dưới i i dạng e lg) trong phạm vi pz của lớp đất i. Ci - r : Chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún nói trên trong i i phạm vi pz (chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải ) i , i , i - vz pz z : Áp lực (ứng suất nén thẳng đứng) do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i, áp lực tiền cố kết ở lớp i và áp lực do tải trọng đắp gây ra ở lớp i (xác định các trị số áp lực này tương ứng với độ sâu z ởchính giữa lớp đất yếu i). Chú ý: i i - Khi vz pz (đất ở trạng thái chưa cố kết xong dưới tác dụng của trọng lượng i i bản thân) và khi vz pz (đất ở trạng thái cố kết bình thường) thì công thức Ci (2.6-4) chỉ còn một số hạng sau (không tồn tại số hạng có mặt r ). i i vz pz - Khi (đất ở trạng thái quá cố kết) thì tính độ lún cố kết Sc theo (2.6-4) sẽ có 2 trường hợp: i i i + Nếu z pz vz thì áp dụng đúng công thức (2.6-4) với cả hai số hạng. i i i + Nếu z pz vz thì áp dụng công thức sau: n H i i S i C i lg z vz c  i r i i 1 1 eo pz (2.6-4’) Xác định các thông số và trị số tính toán trong công thức dự tính lún (2.6-4). i i i - Các thông số Cr , Cc và pz được xác định thông qua thí nghiệm nén lún không nở hông đối với các mẫu nguyên dạng đại diện cho lớp đất yếu i theo hướng dẫn ở TCVN 4200-95 và các hướng dẫn bổ sung ở Phụ lục I . i - Trị số ứng suất (áp lực) vz được xác định theo công thức  .h vz  i i (2.6-5) Trong đó : i và hi - Trọng lượng thể tích và bề dày lớp đất i nằm trong phạm vi từ mặt tiếp xúc của đất yếu với đáy nền đắp (z=0) đến độ sâu z trong đất yếu; chú ý rằng đối với các lớp đất yếu nằm dưới mức nước ngầm thì trị số i phải dùng trọng lượng thể tích đẩy nổi. 10/21/2007 II - 12
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG i - Các trị số áp lực z được tính theo toán đồ Osterberg ở Phụ lục II nhưng chỉ ứng với tải trọng nền đắp thiết kế và có xét đến dự phòng lún Chiều sâu vùng đất yếu bị lún dưới tác dụng của tải trọng đắp hay phạm vi chịu ảnh hưởng của tải trọng đắp za được xác định theo điều kiện ứng suất do tải trọng gây ra tai đó bằng 0,15 ứng suất gây ra do trọng lượng bản thân các lớp đất ở trên 2.6.3 Trình tự tính toán lún của nền đắp trên đất yếu Để tính độ lún tổng cộng S theo công thức (2.6-2) thì phải tính được độ lún cố kết Sc theo (2.6-4) hoặc (2.6-4’), tức là phải xác định được các thông số và trị số tính i toán, trong đó trị số z phụ thuộc vào tải trọng đắp, tải trọng này bao gồm cả phần đắp lún vào trong đất yếu S. Vì lúc đầu chưa biết S, do vậy quá trình tính lún là quá trình lặp thử dần theo trình tự sau: k t k t NÒn ®¾p H ' H S §Êt yÕu Hình 2.6 Sơđồ tính toán độ lún nền đường - Giả thiết độ lún tổng cộng Sgt (thường giả thiết Sgt = 5-10% bề dày đất yếu hoặc chiều sâu vùng đất yếu chịu lún za; nếu là than bùn lún nhiều thì có thể giả thiết Sgt=20-30% bề dầy nói trên); i - Tính toán phân bố ứng suất z theo toán đồ Osterberg với chiều cao nền đắp thiết kế có dự phòng lún H tk = Htk + Sgt (Htk là chiều cao nền đắp thiết kế: nếu đắp trực tiếp thì kể từ mặt đất thiên nhiên khi chưa đắp đến mép vai đường; nếu có đào bớt đất yếu thì kể từ cao độ mặt đất yếu sau khi đào); - Với tải trọng đắp H tk tính toán độ lún cố kết Sc theo công thức trên Sgt + Nếu Sc tính được thoả mãn điều kiện Sc = m thì chấp nhận kết quả và như vậy đồng thời xác định được Sc và S = Sgt; + Nếu không thoả mãn điều kiện nói trên thì phải giả thiết lại S và lặp lại quá trình tính toán Chiều cao nền đắp thiết kế có dự phòng lún H tk được xác định là: H tk = Htk + S (2.6-6) 10/21/2007 II - 13
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Nhưvậy, cao độ nền đắp trên đất yếu phải thiết kế cao thêm một trị số S để dự phòng lún. Bề rộng nền đắp tại cao độ ứng với chiều cao H'tk phải bằng bề rộng nền đắp thiết kế. 2.6.4 Tính độ lún theo thời gian của nền đường đắp trên đất yếu Đất yếu thường bão hòa nước nên nền đắp trong một thời gian dài vẫn còn lún và tốc độ lún phụ thuộc hệ số cố kết của đất yếu. Tính lún theo thời gian dựa theo lý thuyết cố kết một hướng Độ lún cố kết của nền đắp trên đất yếu sau thời gian t St được xác định nhưsau: St = Sc.Uv (2.6-7) Phần độ lún cố kết còn lại sau thời gian t, S sẽ là: S = (1-Uv).Sc (2.6-8) Trong đó độ cố kết Uv = f(Tv) của đất yếu đạt được sau thời gian t kể từ lúc đắp xong nền đường thiết kế và đắp xong phần đắp gia tải trước (nếu có) được xác định tuỳ thuộc vào nhân tố thời gian Tv ; Thường dùng sơđồ phân bố ứng suất số 1 để xác định U nhưbảng 2.3. tb Cv Tv t H2 (2.6-9) trong đó: tb - Cv : Hệ số cố kết trung bình theo phương thẳng đứng của các lớp đất yếu trong phạm vi chiều sâu chịu lún za z2 Ctb a v 2 h  i C vi (2.6-10) Với hi là bề dày các lớp đất yếu nằm trong phạm vi za (za = hi) có hệ số cố kết khác nhau Cvi Cvi xác định thông qua thí nghiệm nén lún không nở hông đối với các mẫu nguyên dạng đại diện cho lớp đất yếu i theo TCVN 4200-95 tương ứng với i i 2vz z áp lực trung bình 2 mà lớp đất yếu i phải chịu trong quá trình cố kết. - H là chiều sâu thoát nước cố kết theo phương thẳng đứng, nếu chỉ có một mặt thoát nước ở trên thì H = za còn nếu hai mặt thoát nước cả trên và dưới (dưới lớp có đất cát hoặc thấu kính cát) thì H = 1/2 za. 10/21/2007 II - 14
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Bảng 2.3 Độcố kết đạt được tuỳ thuộc vào nhân tố Tv;Uv = f (T) (Sơđồ U1) Tv 0,004 0,008 0,012 0,020 0,028 0,036 0,048 Uv 0,080 0,104 0,125 0,160 0,189 0,214 0,247 Tv 0,060 0,072 0,100 0,125 0,167 0,200 0,250 Uv 0,276 0,303 0,357 0,399 0,461 0,504 0,562 Tv 0,300 0,350 0,400 0,500 0,600 0,800 1,000 Uv 0,631 0,650 0,698 0,764 0,816 0,887 0,931 Tv 2,000 Uv 0,994 2 Chú ý: nếu Cv tính bằng cm /sec thì hi và H phải tính bằng cm và t phải tính bằng sec (giây). Dựa vào các quan hệ (2.6-7 đến 2.6-10) và bảng 2.3 người thiết kế có thể xác định được thời gian cần thiết phải chờ sau khi đắp nền (bao gồm cả thời gian thi công kết cấu áo đường) để phần độ lún cố kết còn lại sau khi làm xong mặt đường nằm trong phạm vi cho phép, từ đó xem có cần áp dụng các giải pháp tăng nhanh lún hay không. 2.6.4 Dự tính lún cố kết theo thời gian trong trường hợp thoát nước 2 chiều (có sử dụng giếng cát hoặc bấc thấm) Trong trường hợp này độ cố kết U đạt được sau thời gian t kể từ lúc đắp xong được xác định theo công thức sau: U = 1 - (1 - Uv) (1 - Uh) (2.6-11) Trong đó: - Uv - Độ cố kết theo phương thẳng đứng . - Uh - Độ cố kết theo phương ngang do tác dụng của giếng cát hoặc bấc thấm . Độ cố kết theo phương ngang Uh được xác định nhưsau: 8T  U 1 exp h  h F(n) F F s r  (2.6-12) trong đó: Th - Nhân tố thời gian theo phương ngang: C T h t h 2  (2.6-13) Với là khoảng cách tính toán giữa các giếng cát hoặc bấc thấm: + Nếu bố trí giếng hoặc bấc thấm theo kiểu ô vuông = 1,13D (2.6-14) 10/21/2007 II - 15
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG + Nếu bố trí theo kiểu tam giác = 1,05D (2.6-15) D - Khoảng cách giữa các tim giếng hoặc bấc. 2 Hệ số cố kết theo phương ngang Ch (cm /sec) cũng có thể được xác định thông qua thí nghiệm nén lún không nở hông đối với các mẫu nguyên dạng lấy theo phương nằm ngang theo TCVN 4200-95. Nếu vùng đất yếu cố kết gồm nhiều lớp đất có Ch khác nhau thì trị số dùng để tính toán là trị số Ch trung bình gia quyền theo bề dày các lớp khác nhau đó. Ở giai đoạn lập dự án khả thi, cho phép tạm dùng quan hệ sau để xác định trị số Ch đưa vào tính toán: C tb Ch = (2 5) v (2.6-16) F(n) là nhân tố xét đến ảnh hưởng của khoảng cách bố trí giếng cát hoặc bấc thấm, được xác định tuỳ thuộc vào n / d(với d là đường kính của giếng cát hoặc đường kính tương đương của một bấc thấm) theo công thức: n2 3n2 1 F(n) ln(n) ; 2 2 n 1 4n (2.6-17) Fs - Nhân tố xét đến ảnh hưởng của vùng đất bị xáo động xung quanh bấc thấm (làm hệ số thấm trong vùng đó bị giảm đi). Fr - Nhân tố xét đến ảnh hưởng về sức cản của bấc thấm. Khi dùng giếng cát thì không xét đến 2 nhân tố này (tức là xem Fs = 0 và Fr =0) còn khi áp dụng bấc thấm thì chúng được xác định nhưsau: Trường hợp sử dụng bấc thấm làm phương tiện thoát nước thẳng đứng thì các nhân tố F(n), Fs và Fr được xác định nhưsau: Nhân tố F (n) vẫn theo công thức (2.6-17) với đường kính tương đương của một bấc thấm d tính nhưsau: a b d 2 (2.6-18) trong đó: a - Chiều rộng. b - Bề dày của tiết diện bấc thấm. Vì d nhỏ nên tỷ số n thường lớn và n2 >>1, do vậy có thể tính F (n) theo công thức đơn giản sau: F(n) = ln(n) - 3/4 (2.6-19) Nhân tố xét đến ảnh hưởng xáo động: Fs = (kh/ks - 1).ln(ds/d) (2.6-20) 10/21/2007 II - 16
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG Trong đó kh và ks là hệ số thấm theo phương nằm ngang của đất yếu khi chưa đóng bấc thấm (đất yếu không bị xáo động) và sau khi đóng bấc thấm; ks < kh và thường cho phép lấy ks = kv với kv là hệ số thấm của đất theo phương thẳng đứng. Trên thực tế tính toán thường cho phép áp dụng: k k C h h h 2 5 k k C s v v (2.6-21) Ch và Cv - Hệ số cố kết của đất yếu theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng. ds/d - Tỷ số giữa đường kính tương đương của vùng đất bị xáo động xung quanh bấc thấm và đường kính tương đương của chính bấc thấm. Thực tế tính toán cho phép áp dụng: d s 2 3 d ; (2.6-22) Nhân tố xét đến sức cản của bấc thấm: 2 k F L2 h r 3 q w (2.6-23) trong đó: L - Chiều dài tính toán của bấc thấm (m) nếu chỉ có một mặt thoát nước phía trên thì L bằng chiều sâu đóng bấc thấm, nếu có 2 mặt thoát nước (cả trên, dưới) thì lấy L bằng 1/2 chiều sâu đóng bấc thấm; kh - Hệ số thấm ngang (theo phương nằm ngang) của đất yếu, cho phép xác định gần đúng theo (2.6-21) từ hệ số thấm theo phương thẳng đứng kv hoặc thí nghiệm thấm trực tiếp với các mẫu thấm theo phương ngang (m/s). 3 qw (m /sec) - Khả năng thoát nước của bấc thấm tương ứng với gradien thuỷ lực bằng 1; lấy theo chứng chỉ xuất xưởng của bấc thấm. Thực tế tính toán cho 2 phép lấy tỷ số kh/qw = 0,00001 0,001m đối với đất yếu loại sét hoặc á sét; kh/qw = 0,001 0,01 đối với than bùn và 0,01 0,1 đối với bùn cát; * Trong trường hợp sử dụng giếng cát thì khi thiết kế có thể trực tiếp dùng toán đồ Hình 2.7 biểu thị mối quan hệ (2.6-12) với F (n) theo (2.6-17) và Fs = Fr = 0. Độ lún cố kết đạt được St và phần độ lún còn lại S sau thời gian t trong trường hợp thoát nước cố kết 2 chiều cũng vẫn được xác định nhưở công thức (2.6-7) và (2.6-8) nhưng thay Uv bằng U tính được tính (2.6-11). 10/21/2007 II - 17
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 0 % h U 10 g n a g n 20 t Õ n k = 8 è 30 c n é n = n = = 1 2 § 1 5 0 0 40 n = 10 50 n = 7 60 n = 5 70 80 90 100 -2 -1 1 5 6 7 8 910 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 Nh©n tè thêi gian T h Hình 2.7 Toán đồ xác định độ cố kết theo phương nằm ngang Uh theo Th và n 2.6.6 Những chú ý khi dự tính lún Để xét đến ảnh hưởng của thời gian thi công đắp (kéo dài trong một thời hạn nhất định chứ không phải đắp đột ngột xong ngay) đối với diễn biến lún của nền đắp trên đất yếu có thể dùng cách suy diễn đơn giản nhưhình 2.8 với giả thiết tải trọng đắp tăng tuyến tính. Trước hết vẽ đường cong lún cố kết theo thời gian St = Sc.U với trường hợp tải trọng đắp tác dụng ngay một lúc (đường cong chấm gạch, đường 2 ). Thêi gian ®¾p p ¾ ® B A H 0 R E 0 tc Thêi gian t 0 1/2 t k2 t1 t tc M n N ó l K é E § H I S 2 Sc Hình 2.8 Diễn biến lún theo thời gian có xét đến thời gian thi công đắp nền Độ lún ở cuối thời kỳ thi công (ở thời điểm tc lúc đắp xong) được xác định bằng độ lún của đường 2 ở thời điểm đắp được một nửa tc /2 trên hình vẽ từ điểm 1/2 tc dóng xuống gặp đường cong 2 ở H, từ H dóng ngang gặp đường dóng thẳng đứng từ tc ở E. Tương tự, độ lún ở thời điểm t được xác định xuất phát từ điểm K (lún ở thời điểm t/2 của đường cong 2) dóng ngang được N, nối -ON cắt đường dóng thẳng đứng từ t ở M. Kết quả là vẽ được đường cong dự báo lún có xét đến thời gian thi công đắp nền (đường cong 1 qua OME). 10/21/2007 II - 18
NGUY ỄN QUANG PHÚC THI ẾT KẾ NỀN ĐƯỜNG VÀ CÁC CÔNG TRÌNH TRÊN ĐƯỜNG 2.7 CÁC GIẢI PHÁP THƯỜNG ÁP DỤNG ĐỂ THIẾT KẾ NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 2.7.1 CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ ĐỒNG THỜI VỚI VIỆC XÂY DỰNG NỀN ĐẮP Đây là các biện pháp thường được sử dụng, khi áp dụng các biện pháp này phải nhằm đạt được 2 mục tiêu: - Bảo đảm sự ổn định của nền đắp trong khi xây dựng - Đạt được một tốc độ lún phù hợp với thời gian thi công Khi áp dụng các biện pháp này thì yêu cầu lớp trên nền đất yếu phải tiếp xúc với một lớp vật liệu thấm nước tốt. Nếu vật liệu đắp nền đường là đất dính thì phải làm một lớp đệm cát có chiều dày từ 0,5-1,0m để tăng nhanh thời gian cố kết. Trình tự tiến hành nhưsau: 1. Tính chính xác chiều cao phòng lún và xác định chiều cao đất đắp 2. Kiểm tra ổn định ứng với chiều cao đất đắp có xét đến phòng lún 3. Chọn biện pháp xử lý thích đáng để đạt được hai mục tiêu trên 2.7.1.1 Tính chiều cao phòng lún và xác định chính xác chiều cao đắp đất: Xem phần tính toán lún ở mục 2.6.3 2.7.1.2 Xây dựng nền đắp theo giai đoạn Khi cường độ ban đầu của nền đất yếu rất thấp, để đảm bảo cho nền đường ổn định cần áp dụng biện pháp tăng dần cường độ của nó bằng cách đắp đất từng lớp một, chờ cho đất nền cố kết, sức chống cắt tăng lên, có khả năng chịu được tải trọng lớn hơn thì mới đắp lớp tiếp theo p ¾ ® o a III c u II Ò i h I C u C 0 Thêi gian cu h III Cu2 u n Ý c d II c I Cu1 ô L z 0 Thêi gian 0 z1 z2 z ) % ( U t Õ 100% k è c a a r r t t é m m § Ó Ó i i K K a) C¸c giai ®o¹n x©y dông nÒn ®¾p b) Sóc chèng c¾t cña nÒn sÏ t¨ng thªm Hình 2.9 Xây dựng nền đắp theo giai đoạn 10/21/2007 II - 19