Ứng dụng bệ phản áp vào ổn định nền đường với kích thước tối ưu nhất

ng vùng đất yếu này, có nhiều biện pháp để xử lý vấn đề trên, trong đó, sử dụng bệ phản áp cũng là một trong những giải pháp đó. Ưu điểm của bệ phản áp là phân bố lại ứng suất trong nền, đảm bảo ổn định, chống trượt trồi, và hạn chế mức độ chuyển vị ngang của nền đất yếu dưới công trình nền đắp cao. ABSTRACT Our country has many regions formed from soft soil, especially in the areas of the Mekong Delta. Instability damage persists embankment on soft soil areas, there are many ways to handle this problem, which, using counterweight berm is one such solution. The advantage of counterweight berm is redistribution of stresses in the background, ensuring a stable, non-slip extrusion, and limit the extent of the horizontal displacement of soft ground under high embankment works. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của đất nước, mạng lưới đường giao thông được đầu tư xây dựng rất lớn. Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Vùng này dân cư đông đúc và chiếm một vị trí quan trọng. Sự mất ổn định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra trên những vùng đất yếu này, rõ ràng nguyên nhân chủ yếu từ nền đất yếu. Có thể nói rằng sự hiểu biết chưa đầy đủ về nền đất yếu và biện pháp gia cố là nguyên nhân thiết kế nền đường đắp bị mất ổn định hoặc gây lãng phí tốn kém. Nghiên cứu về bệ phản áp trong ổn định nền đường nói riêng hay nền đất nói chung, xác định việc tính toán để đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công là vấn đề đầu tiên quan trọng. Bệ phản áp là một giải pháp lâu đời được sử dụng nhiều, thực tế đã chứng minh hiệu quả tăng cường ổn định, đặc biệt làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu. Với công nghệ thi công đơn giản và tận dụng được vật liệu tại chỗ. Do đó, có thể dùng cách tính toán mới về tải trọng giới hạn của nền đất chịu tải trọng móng mềm để khảo sát ảnh hưởng của bệ phản áp, hợp lý hóa thiết kế kích thước. Từ những vấn đề nêu trên đặt ra việc nghiên cứu tính toán bệ phản áp trong nền đất yếu nói riêng, nền đất tự thiên nói chung với những giả thiết hợp lý hơn với thực tế làm việc của nền đất chịu tác dụng của TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 393 tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp sẽ góp phần bổ sung lý thuyết nghiên cứu, góp phần tích cực vào thực tế xây dựng nền đường đắp. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ¾ Cơ sở lý thuyết: Khảo sát quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu với tải trọng bệ phản áp. Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới tải trọng nền đường đắp. Nghiên cứu bệ phản áp rộng vô hạn để làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới nền đường đắp. Tính toán bệ phản áp trên nguyên lý làm tăng độ chôn sâu của nền đắp. Tính toán bệ phản áp theo dạng làm xoải taluy nền đường đắp. ¾ Tính toán và mô phỏng: Sử dụng phần mềm Geo Slope/W Ver2007 để tính toán ổn định trượt cho công trình đắp bằng việc gia cố bệ phản áp. Dựa vào kết quả mô phỏng, kiến nghị chiều cao và chiều rộng bệ phản áp là tối ưu nhất. 3. ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP VÀO TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG 3.1. Cấu tạo bệ phản áp 3.1.1. Bệ phản áp trên nguyên lý làm tăng độ chôn sâu của nền đắp Nguyên lý của phương pháp tính toán kích thước bệ phản áp là làm phân bố lại ứng suất tác dụng lên nền đất và đã được áp dụng trong tính toán các công trình thực tế. hp a B LL qpa q tt qH qpa H Hình 1. Bệ phản áp theo sơ đồ làm tăng độ chôn sâu nền đường 3.1.2. Bệ phản áp theo dạng làm xoải taluy nền đường đắp Trường hợp này thường dùng cho nền đắp có dạng gần với tải trọng phân bố hình tam giác. Tải trọng nền đắp thường phân bố theo dạng hình thang cân, để đơn giản trong tính toán có thể đưa về dạng phân bố tam giác cân bằng một diện tích tương đương có cùng bề rộng đáy. H 'n d H nd bb(pa) b' b b(pa) b' Hình 2. Bệ phản áp theo sơ đồ làm xoải chân taluy nền đường TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 394 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 3.2. Tính toán ổn định cho tuyến đường quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang Để tiến hành phân tích vai trò của bệ phản áp đối với công trình đắp, chúng tôi chọn lựa các đặc trưng cơ lý đất nền để tính toán theo bối cảnh thực tế của công trình ở khu vực, đó là quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang. Kích thước của khối đắp được tham khảo theo mặt cắt ngang đại diện đường cao tốc của khu vực. Ở đây, nền đắp có bề rộng ở mặt 2a = 24 m, chiều cao quy đổi là 3,0 m; độ dốc mái taluy 1:2 tương đương với bề rộng ở chân 2b=38 m. Vật liệu đắp bằng cát đầm chặt với các thông số như sau: dung trọng γ=19 kN/m3, c ≈ 0, ϕ = 350. Kết quả khảo sát và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý lớp đất yếu được thể hiện ở bảng 1 (CH) xám xanh đến xám đen, lẫn ít hữu cơ, vỏ sò và cát mịn. Lớp này gặp trong tất cả các lỗ khoan. Độ sâu đáy lớp thay đổi từ 13,8 m đến 14,2 m. Cao độ đáy lớp biến đổi từ -14,2 m đến -9,3 m. Bảng 1. Các chỉ tiêu cơ lý trung bình của lớp bùn sét. Các chỉ tiêu Đơn vị Giá trị trung bình Hàm lượng % hạt cát (%) 2,0 Hàm lượng % bột và sét (%) 98,0 Độ ẩmW (%) 82,4 Khối lượng thể tích ρ (g/cm3) 1,51 Tỷ trọng hạt Gs - 2,69 Hệ số rỗng eo - 2,104 Giới hạn chảy LL (%) 88,8 Giới hạn dẻo PL (%) 32,9 Độ sệt IL (%) 0,86 Góc ma sát trong ϕo (cắt phẳng) độ 5004’ Lực dính c (cắt phẳng) kG/cm2 0,073 Cường độ kháng cắt cuu (Nén 3 trục UU) kG/cm2 0,19 Chỉ số nén Cc - 1,020 Chỉ số nở Cs - 0,167 Hệ số thấm K (cm/s) x 10-6 (từ thí nghiệm thấm hiện trường) - 3,81 3.2.1. Xác định kích thước ban đầu của bệ phản áp Độ ổn định của công trình đắp thường được đánh giá thông qua hệ số ổn định bằng phương pháp cung trượt lăng trụ tròn. Nhờ sự trợ giúp của phần mềm Geoslope trên cơ sở phương pháp phân mảnh cổ điển, kết quả tính toán hệ số ổn định có xét đến TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 395 sự gia tăng của sức chống cắt không thoát nước theo độ sâu từ kết quả cắt cánh hiện trường cho thấy khi không có bệ phản áp, công trình bị mất ổn định do trượt sâu với hệ số ổn định Kmin = 0,815 < 1,2 (hình 3). Phạm vi cung trượt trong trường hợp này khoảng 2,0 m ngoài mép taluy. Hình 3. Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn khi không có bệ phản áp Khi không có bệ phản áp, với chiều cao đắp khá lớn (H=3,0 m), nền đất yếu không đủ khả năng chịu tải. Vùng biến dạng dẻo (vùng mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn ω ≥ 1) hình thành bên dưới taluy khối đắp đến độ sâu 10,0 m trong đất nền. Hình 4. Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn với bệ phản áp có kích thước (hpa=1,0 m & bpa=5,0 m). TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 396 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Chiều rộng bệ phản áp (bpa) theo các tài liệu đã có được xác định căn cứ vào phạm vi tồn tại mặt trượt nguy hiểm do tải trọng công trình đắp gây ra khi chưa bố trí bệ phản áp. Trong trường hợp này bề rộng bệ phản áp được chọn sơ bộ là bpa = 2+3 = 5,0 m. Khi bố trí bệ phản áp với các thông số về kích thước là (h=1 m, bpa= 5 m) với sức chống cắt không thoát nước được lấy bằng 8,081 kN/m2 từ bề mặt tăng tuyến tính đến 35,8 kN/m2 ở độ sâu 14m, hệ số ổn định của hệ sẽ có giá trị Κmin =1,115 (hình 4). Như vậy, khi có bố trí bệ phản áp với kích thước bệ phản áp hpa=1,0 m và bpa=5,0 m, khả năng chịu tải của nền đất yếu tăng lên 37% khi có sử dụng bệ phản áp. 3.2.2. Phân tích ảnh hưởng của bệ phản áp lên mức độ ổn định của công trình theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn và chọn lựa kích thước bệ phản áp hợp lý Để xác định nhanh kích thước tối ưu của bệ phản áp, điều cần thiết là phải thiết lập được mối tương quan giữa vùng biến dạng dẻo dưới nền đường đắp và hệ số ổn định tương ứng bằng phương pháp cung trượt lăng trụ tròn. Chọn phương pháp thử dần các kích thước của bệ phản áp theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn của vùng nền dưới công trình đắp do phương pháp này cho kết quả trực quan và rõ ràng. Đây là đề tài nghiên cứu thực hiện nhằm mục đích tìm kiếm kích thước bệ phản áp hợp lý nên hàng loạt tính toán được thực hiện để so sánh và phân tích. Giá trị hệ số ổn định được tổng hợp thể hiện ở bảng 2. Bảng 2. Các hệ số ổn định Κmin theo các kích thước bệ phản áp thay đổi. hpa (m) Bề rộng bệ phản áp (m) 5,0 5,5 6,0 7,0 7,5 8,0 9,0 0,80 1,044 1,064 1,046 1,145 1,040 1,035 1,223 1,0 1,060 1,081 1,069 1,188 1,186 1,183 1,212 1,20 1,069 1,094 1,134 1,222 1,218 1,210 1,308 1,40 1,075 1,103 1,147 1,232 1,221 1,224 1,326 1,60 1,077 1,107 1,156 1,235 1,225 1,230 1,330 1,80 1,076 1,094 1,140 1,229 1,182 1,216 1,315 Ngoài ra, kết quả tính toán cho thấy với bề rộng bệ phản áp lớn (≥7,0 m) chiều cao bệ phản áp 1,2 m thì độ chênh lệch tải trọng giữa khối đắp và bệ phản áp lớn hơn giá trị giới hạn chịu tải thì hệ số Κmin>1,2. Tức là chiều cao bệ phản áp có thể tính toán giảm hơn nhưng vẫn đảm bảo điều kiện ổn định. Theo tính toán, kích thước bệ phản áp tối ưu nhất cho công trình với chiều cao hpa=1,2 m và chiều rộng bpa=7,0 m. 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. Kết luận 1. Bệ phản áp có đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố lại ứng suất trong nền, đảm bảo điều kiện ổn định, làm giảm độ lún, chống trượt trồi và hạn chế mức độ chuyển vị ngang của nền đất yếu dưới công trình nền đắp cao. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 397 2. Thực tế xây dựng nền đường cho thấy bệ phản áp được sử dụng nhiều để tăng cường ổn định cho nền đường đắp, đặc biệt là tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu, trong khi đó phương pháp tính toán còn bỏ ngỏ. Do đó, cần sử dụng thêm về trạng thái ứng suất nền đất tự nhiên dưới tải trọng của nền đất đắp và bệ phản áp. 3. Chiều cao bệ phản áp thường được lấy bằng - 1/3 – 1/2 chiều cao nền đường và đảm bảo chiều cao này ổn định. Do đó, tổng chiều cao của nền đường đắp có dùng bệ phản áp không được lớn hơn 1,6 – 2 lần chiều cao giới hạn mà nền đất yếu chịu được. Chiều cao bệ phản áp không được lớn hơn giới hạn cho phép mà nền đất tự nhiên chịu được. Chiều rộng bệ phản áp do tính toán xác định không được bé hơn 2/3 – 3 /4 chiều dài trồi. 4.2. Kiến nghị Từ kết quả nghiên cứu và phân tích trên có thể đưa ra những kiến nghị một số phương hướng nghiên cứu phát triển như sau: ™ Trong trường hợp chiều cao đắp lớn hơn 2 lần chiều cao đắp giới hạn của nền đất yếu, có thể sử dụng bệ phản áp nhiều tầng. Nguyên tắc xác định chiều cao và bề rộng tương tự như phương pháp nêu trên. ™ Bệ phản áp chỉ được sử dụng cho những nền đường có diện tích hai bên đường rộng, để không ảnh hưởng đến quá trình lưu thông xe, không ảnh hưởng đến người dân ở xung quanh công trình đó. Vật liệu sử dụng để làm bệ phản áp ở khu vực đó phải dồi dào, dễ vận chuyển và thi công cho công trình. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tiêu chuẩn Bộ Giao thông vận tải, Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu – Tiêu chuẩn thiết kế: 22TCN262-2000. 2. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004. 3. Võ Phán (2011), “Bài giảng công trình trên nền đất yếu”, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. 4. Võ Phán, Phan Lưu Minh Phượng (2011), “Cơ học đất”, NXB Xây dựng, (2011). 5. Bùi Trường Sơn, Nguyễn Quốc Phong. Tác dụng của bệ phản áp lên độ ổn định của nền đất yếu dưới công trình đắp theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn, Tuyển tập kết quả khoa học công nghệ 2009, NXB Nông nghiệp, trang 669-676. Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ