Đang tải... (xem toàn văn)
Trong thiết kế nền móng công trình, việc xác định sức chịu tải an toàn và chính xác của nền đất được quan tâm đầu tiên. Tồn tại một số phương pháp đánh giá sức chịu tải của nền đất dưới đáy móng và hầu hết các phương pháp đều căn cứ trên cơ sở trạng thái cân bằng giới hạn.
ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI CƠNG TRÌNH ĐẮP THEO CÁC SỨC CHỐNG CẮT KHÁC NHAU BÙI TRƢỜNG SƠN, VÕ PHÁN, LÊ HOÀNG VIỆT * Stability of soft soil under embankment based on various shear strength Abstract: Shear strengths of soft soil are various according to different testing methods Based on various values of shear strength, the stability analysis of soft soil under embankment is carried out using circle method, degree of approaching to limit state and factor of safety The calculating and analyzing results show that using the corrected undrained shear strength of in-situ vane shear test allows to obtain the more reasonable results in comparison with using the shear strength of the other tests Using undrained shear strength of vane shear test shows that the sliding and plastic area exists under the talus and independent from stress state CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦ ĐẤT NỀN* Trong thiết kế móng cơng trình, việc xác định sức chịu tải an tồn xác đất quan tâm Tồn số phương pháp đánh giá sức chịu tải đất đáy móng hầu hết phương pháp sở trạng thái cân giới hạn Có thể phân chia phương pháp theo khuynh hướng sau: phương pháp dựa mức độ phát triển vùng biến dạng dẻo nền, phương pháp dựa giả thuyết cân giới hạn xác định giá trị tải trọng tới hạn, phương pháp dựa giả thuyết mặt trượt phương pháp bán kinh nghiệm sở thí nghiệm trường Phương pháp mức độ phát triển vùng biến dạng dẻo chủ yếu trình bày nhà nghiên cứu Liên Xô cũ Tải trọng ban * Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM 268 Lý Thường Kiệt, quận 10, TP HCM btruongson@yahoo.com; ĐT:0907159518 vphan54@yahoo.com; ĐT: 0913 867008 lehoangviet2008@gmail.com; ĐT:0979853988 đầu p* tương ứng với trường hợp có điểm mép móng băng xuất trạng thái giới hạn đề nghị N.P Puzưrevski Theo quan điểm N.N Maslov, tải trọng tính theo N.P Puzưrevski q thiên an tồn ông đề nghị lấy phạm vi độ sâu vùng dẻo zmax = b.tan để vùng biến dạng dẻo không lan vào phạm vi hai đường thẳng đứng qua mép móng Theo I.V Yaropolski, tăng tải trọng, vùng biến dạng dẻo phát triển đến độ sâu lớn nối liền với nhau, tương ứng với trạng thái lúc bắt đầu ổn định Tiêu chuẩn Việt Nam tham khảo sở tiêu chuẩn Liên bang Nga xem giá trị tải trọng hình băng ứng với phạm vi vùng dẻo đến độ sâu 1/4 bề rộng móng b ứng xử phạm vi đàn hồi [1], [2], [3] Việc tính tốn sức chịu tải với giả thiết kích thước, hình dạng nêm nén chặt hàm số đường phá hoại trượt gắn liền với tên tuổi như: V.V Sokolovski, L Prandltl, K Terzaghi, V.G Berezantsev, Các kết nghiên cứu cho phép xác định giá trị ứng suất giới hạn tải trọng hình băng lên đất [3], [4] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 Prandtl người quan sát trực tiếp mặt trượt đất bên mơ hình móng đưa dạng phương trình giải tích mặt trượt đáy móng gồm đoạn thẳng nối với đoạn cong xoắn ốc Áp lực cực hạn đáy móng qu Prandtl giới thiệu gồm hai thành phần: lực dính c.Nc phụ tải hơng qo.Nq Sau đó, Terzaghi, Buisman, Caquot, Sokolovski, Meyerhof, Hansen nhiều tác giả khác bổ sung thành phần ma sát vào công thức sức chịu tải đất Năm 1942, V.V Sokolovski ứng dụng phương pháp số để giải phương trình vi phân F Kotter cho tốn phẳng có xét đến trọng lượng thân đất ( 0) Điều góp phần quan trọng phát triển lý thuyết cân giới hạn để đánh giá ổn định đất, mái dốc tính tốn áp lực đất lên tường chắn V.G Berezantsev áp dụng phương pháp V.V.Sokolovski để xác định tải trọng giới hạn phân bố lực tác dụng tâm có xét đến hình thành nêm đất sau đưa lời giải áp dụng xác định tải trọng giới hạn đất cho tốn phẳng tốn khơng gian Sơ đồ tính tốn K Terzaghi sử dụng đường trượt phương pháp Prandtl xem không trọng lượng ( = 0) K Terzaghi giả thiết nêm đất hình tam giác cân với góc đáy cho phù hợp với kết thí nghiệm nén Phương pháp có xét đến ảnh hưởng hình dạng móng, chiều sâu chơn móng độ nghiêng tải trọng tác động Meyerhof khởi xướng đề cập nghiên cứu tác giả như: De Beer, Vesic, Hansen, Hanna Sức chịu tải đất đánh giá thông qua công thức kinh nghiệm sở kết thí nghiệm trường xuyên tiêu chuẩn, xuyên tĩnh, bàn nén hay nén hố khoan Đối với cơng trình đất đắp (đường, đê đập) việc xác định tải trọng giới hạn lên đất nền, cần thiết phải đánh giá khả trượt phá hoại qua thân cơng trình vật ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 liệu đắp [5], [6] Theo kết đo đạt quan sát mặt trượt thực tế, nhiều mặt trượt thường có dạng mặt trượt trụ tròn gần với dạng Theo khuynh hướng này, phổ biến có phương pháp phân mảnh cổ điển Fellenius, phương pháp Bishop có xét tương tác mảnh phương pháp khác Với trợ giúp cơng cụ tính tốn nay, việc đánh giá khả chịu tải đất thực thơng qua phần mềm sở phương pháp phần tử hữu hạn [7] Ở đây, tùy theo mơ hình vật liệu mà tiêu chuẩn bền khác áp dụng Ngồi ra, vào phạm vi vùng nguy hiểm theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn để đánh giá khả ổn định đất Phương pháp cho phép xét đến trọng lượng thân đất mà cho phép sử dụng đại lượng độ bền hàm số theo trạng thái ứng suất điểm [8] Đối với đất yếu, nhiều hồ sơ khảo sát cho thấy giá trị độ bền khác theo phương pháp thí nghiệm [9] Do đó, việc sử dụng phương pháp tính tốn khác với đại lượng độ bền khác cho phép phân tích so sánh kết nhằm rút nhận định có ích việc chọn lựa phương pháp tính giá trị độ bền hợp lý tính tốn thiết kế Ở đây, việc phân tích chủ yếu tập trung vào đất yếu cơng trình đất đắp, loại hình cơng trình phổ biến có tải trọng tác dụng trực tiếp lên đất KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH CỦ NỀN ĐẤT YẾU DƢỚI CƠNG TRÌNH ĐẮP THEO CÁC Đ I LƢỢNG ĐỘ BỀN KHÁC NH U Các liệu đặc trưng lý đất yếu khu vực Nhà Bè, Tp HCM cho thấy giá trị sức chống cắt khác theo phương pháp thí nghiệm khác (bảng 1) Đối với cơng trình đắp, phương pháp đánh giá khả ổn định bao gồm phương pháp cung trượt lăng trụ tròn, phần mềm Plaxis mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn Bảng Độ bền đất yếu khu vực Nhà Bè từ kết thí nghiệm khác Phương pháp thí nghiệm Giá trị độ bền Cắt trực tiếp c = 8,83 kN/m ; = 4,3 độ Nén đơn qu= 35,7 kN/m2 Nén ba trục theo sơ đồ UU c = 18,64 kN/m2; = 0,8 độ Nén ba trục theo sơ đồ CU c’ = 10,79 kN/m2; = 23,9 độ Cắt cánh trường có hiệu chỉnh Su = 8,081 + 1,386.z (kN/m2) Với: z (m) – độ sâu Sơ đồ toán đặc trưng chọn lựa cơng trình đường đắp đất yếu với chiều cao đắp 1,5m, với bề rộng mặt đường 20m (2a = 20m), độ dốc mái taluy 1: 1,5 Do đó, bề rộng đáy khối đắp 2b = 24,5m Trọng lượng riêng vật liệu đắp trung bình γ = 19,0KN/m3, lực dính c = 31 kPa, = 9,8 độ Do việc tính tốn khả chịu tải cần thiết xét đến hoạt tải, nên xem khối đắp chịu tải trọng phân bố p = 25,3 KN/m2 Bề dày lớp đất yếu khu vực có giá trị trung bình 20m với dung trọng tự nhiên γ=15,2KN/m3, mực nước ngầm nằm ngang mặt đất Việc đánh giá khả ổn định cơng trình đắp đất yếu thường thực thông qua giá trị hệ số ổn định K hay hệ số an toàn FoS Trong trường hợp này, phần mềm Geoslope Plaxis sử dụng để phân tích Trong đó, hệ số ổn định xác định theo phương pháp Bishop phương pháp phân mảnh cổ điển Bảng Giá trị hệ số ổn định theo phƣơng pháp cung trƣợt lăng trụ tròn Hệ số ổn định Phương pháp thí nghiệm Phương pháp Bishop Phương pháp phân mảnh cổ điển Cắt trực tiếp 1,619 1,570 Nén trục 2,029 2,025 Nén ba trục the sơ đồ UU 2,217 2,196 Sức chống cắt hữu hiệu từ CU với thành phần ứng suất hữu hiệu 2,783 2,566 Cắt cánh trường có hiệu chỉnh 1,642 1,646 Từ kết tính tốn thấy giá trị hệ số ổn định theo phương pháp Bishop lớn so với kết tính tốn theo phương pháp phân mảnh cổ điển, ngoại trừ trường hợp sử dụng kết thí nghiệm cắt cánh trường giá trị hệ số ổn định hai phương pháp xấp xỉ Ở cần nói thêm sử dụng giá trị sức chống cắt khơng nước ứng suất trọng lượng thân giá trị 10 tổng ứng suất phụ thuộc dung trọng tự nhiên đất có độ bão hòa cao hay dung trọng bão hòa trường hợp đất nằm mực nước ngầm Trong trường hợp sử dụng sức chống cắt hữu hiệu, ứng suất trọng lượng thân có xét vai trò áp lực cột nước nên có giá trị ứng suất hữu hiệu Trong trường hợp tính tốn, giá trị hệ số ổn định theo sức chống cắt hữu hiệu lớn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 Trong thí nghiệm theo sơ đồ CU, mẫu đất cố kết trước nén lệch trục Các giá trị áp lực buồng chọn lựa lớn so với thực tế áp lực theo phương ngang nhỏ đáng kể nên đất bị nén chặt nhiều so với thực tế Nên sử dụng sức chống cắt hữu hiệu khơng an tồn mà khuyến cáo sử dụng phương pháp cung trượt đề cập Kết tính tốn sử dụng sức chống cắt khơng nước từ thí nghiệm nén ba trục UU nén trục cho thấy hệ số ổn định lớn tương tự Kết khơng thể thơng qua giá trị hệ số ổn định mà phạm vi cung trượt Các cung trượt sử dụng giá trị sức chống cắt đạt đến độ sâu lớn (xấp xỉ 6m) ỔN ĐỊNH CHO TRƢỜNG HỢP THÍ NGHIỆM UU +1.50 +0.00 1:1.5 0 1:1.5 +1.50 +0.00 1:1.5 20 m 16 m q = 25.3 kPa 1.642 Name: Đất Đắp Unit Weight: 19 kN/m³ Cohesion: 31 kPa Phi: 9.8 ° 1:1.5 -2 Cao độ(m) -2 Cao độ(m) Đất Đắp Name: Unit Weight: 19 kN/m³ Cohesion: 31 kPa Phi: 9.8 ° 20 m 16 m q = 25.3 kPa ỔN ĐỊNH CHO TRƢỜNG HỢP THÍ NGHIỆM VST 10 2.196 Kết tính tốn theo thí nghiệm cắt trực tiếp cắt cánh có giá trị hệ số ổn định gần như phạm vi cung trượt Ở đây, thấy thí nghiệm cắt cánh trường có hiệu chỉnh cho phép đánh giá sức chống cắt khơng nước ứng với trạng thái tự nhiên nên phù hợp với ứng xử thực tế Trong đó, thí nghiệm cắt trực tiếp thực thời gian ngắn điều kiện khí nên mẫu đất trạng thái chưa nén chặt, đó, sức chống cắt xem phù hợp khu vực có độ sâu nhỏ (giá trị nhỏ thực tế khu vực độ sâu lớn) Do phạm vi cung trượt gần bề mặt nên sức chống cắt chọn lựa trường hợp trở thành phù hợp -4 -6 Name: Đất Nền Unit Weight: 15.2 kN/m³ Cohesion: 18.64 kPa Phi: 0.82 ° -8 -10 -12 -14 -4 -6 -8 -10 -12 Name: Đất Nền Unit Weight: 15.2 kN/m³ C-Top of Layer: 10.62 kPa C-Rate of Increase: 1.32 Limiting C: 37.02 kPa -14 -16 -16 -18 -18 -20 -20 -22 -22 -5 10 60 -5 55 10 15 20 35 40 45 50 Hình hình Ổn định theo phương pháp65 phân mảnh cổ25điển30sử dụng sức chống cắt55 Khoảng cách (m) Khoảng cách (m) khơng nước từ thí nghiệm UU thí nghiệm cắt cánh có xét thay đổi Su theo độ sâu 15 20 25 30 35 40 45 50 Khả ổn định cơng trình đánh giá thơng qua hệ số an toàn từ suy giảm sức chống cắt đất phần mềm Plaxis Khi sử dụng sức chống cắt từ thí nghiệm cắt trực tiếp, ứng suất trọng lượng thân chọn tính tổng ứng suất nên khơng xét vai trò mực nước Nếu sử dụng sức chống cắt hữu hiệu thiết phải xét tượng đẩy nên mực nước ngầm ứng suất chịu tác dụng cột nước thủy tĩnh hay áp lực nước lỗ rỗng thặng dư hình thành tác dụng tải trọng Lưu ý việc sử dụng lực dính túy giá trị góc ma sát ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 60 φ = không thực phần mềm Plaxis Kết tính tốn sử dụng kết thí nghiệm cắt trực tiếp cho giá trị hệ số an toàn theo suy giảm độ bền FoS = 1,31 sử dụng sức chống cắt hữu hiệu cho FoS = 1,81Việc tính tốn theo phần mềm Plaxis khó cho phép xác định xác giá trị hệ số ổn định hay khả chịu tải xu chuyển vị phạm vi vùng nguy hiểm dễ dàng phân biệt (hình 2) Ở đây, phạm vi có khả phá hoại trượt theo thí nghiệm cắt trực tiếp xảy mái taluy phù hợp với thực tế so với 11 65 tâm theo kết tính tốn sử dụng sức chống cắt hữu hiệu Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn thể thơng qua phạm vi vùng biến dạng dẻo, tức vùng có giá trị ≥1 Khi vùng biến dạng dẻo giao trồi lên đến bề mặt đất xem phá hoại Đất chịu tác dụng tải trọng ngồi mà chịu ứng suất trọng lượng thân Để đánh giá hợp lý hơn, thiết phải xét đến trọng lượng thân q trình tính tốn Từ kết tính tốn sử dụng sức chống cắt từ thí nghiệm cắt trực tiếp, thấy phạm vi vùng nguy hiểm khác đáng kể không xét xét trọng lượng thân đất (hình 4) Ở đây, xét trọng lượng thân đất nền, vùng dẻo thu hẹp đáng kể tập trung khu vực mái taluy, trùng hợp với phạm vi cung trượt nguy hiểm không phát triển đến độ sâu lớn khuynh hướng sử dụng sức chống cắt theo kết thí nghiệm nén đơn (cu=qu/2), UU hay CU Ngoài ra, việc sử dụng giá trị sức chống cắt theo phương pháp thí nghiệm khác có xét đến trọng lượng thân đất cho thấy khả ổn định lớn so với trường hợp không xét giá trị phạm vi mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn nhỏ (hình 5) Sử dụng sức chống cắt có giá trị góc ma sát khác biệt phạm vi vùng nguy hiểm có khơng xét trọng lượng thân khác đáng kể thành phần ma sát phụ thuộc ứng suất tác dụng Việc sử dụng sức chống cắt khơng nước theo kết cắt cánh xét sức chống cắt khơng nước Su cho kết gần xét trọng lượng thân thành phần ứng suất có ảnh hưởng lên mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn Điều thể thông qua giá trị hệ số ổn định (bảng 1) mà thể phạm vi vùng dẻo (hình 7) Hơn nữa, trường hợp tính tốn, kết sử dụng sức chống cắt khơng nước từ cắt cánh cho phạm vi vùng biến dạng dẻo phù hợp với phạm vi mà đất có dịch chuyển theo phương ngang lớn trùng hợp với phạm vi cung trượt tính trước xu hướng dịch chuyển theo phần mềm Plaxis Các phương pháp phân tích phần mềm Plaxis Geoslope xét trọng lượng thân điều hợp lý với ứng xử thực tế đất Do đó, xem việc đánh giá mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn có xét trọng lượng thân hợp lý so với kết tính tốn khơng xét Các kết tính tốn theo sức chống cắt từ thí nghiệm nén đơn, nén ba trục theo sơ đồ UU CU cho thấy vùng dẻo không xuất tương ứng với hệ số ổn định cao tính tốn trước p Hình Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn đất cơng trình đắp theo kết thí nghiệm cắt trực tiếp không xét trọng lượng thân đất 12 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 p Hình Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn đất cơng trình đắp theo kết thí nghiệm cắt trực tiếp có xét trọng lượng thân đất p Hình Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn đất cơng trình đắp theo kết thí nghiệm nén ba trục UU có xét trọng lượng thân đất p Sự phù hợp vùng dẻo cung trượt Hình Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn đất công trình đắp theo kết thí nghiệm với sức chống cắt khơng nước Su thay đổi theo độ sâu từ thí nghiệm cắt cánh trường khơng xét trọng lượng thân đất p Hình Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn đất cơng trình đắp theo kết thí nghiệm với sức chống cắt khơng nước Su thay đổi theo độ sâu từ thí nghiệm cắt cánh trường có xét trọng lượng thân đất ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 13 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết tổng hợp giá trị độ bền sét mềm bão hòa nước theo kết thí nghiệm khác tính tốn ổn định theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn với hệ số an tồn vùng biến dạng dẻo theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn rút kết luận sau: - Sử dụng kết thí nghiệm cắt cánh trường cho phép đánh giá hợp lý khả ổn định đất yếu công trình đắp phù hợp với ứng xử thực tế, phạm vi vùng trượt vùng biến dạng dẻo - Kết tính tốn theo sức chống cắt khơng nước với lực dính khơng nước cho thấy khả ổn định trường hợp không xét xét ứng suất trọng lượng thân không đáng kể - Kết tính tốn sử dụng sức chống cắt khơng nước từ thí nghiệm cắt trực tiếp phù hợp đánh giá ổn định ứng với trường hợp phạm vi vùng trượt vùng dẻo gần bề mặt - Khi sử dụng sức chống cắt có giá trị góc ma sát thiết phải xét đến vai trò ứng suất trọng lượng thân đất Từ phân tích, rút số kiến nghị sau: nên sử dụng kết thí nghiệm cắt cánh trường hiệu chỉnh để đánh giá khả ổn định đất yếu cơng trình đắp thí nghiệm phù hợp với ứng xử thực tế kết tính tốn phù hợp với phạm vi phân bố vùng dẻo vùng trượt gây phá hoại; tính tốn khả ổn định có xét đến góc ma sát đất cần lưu ý phương pháp tính có xét trạng thái ứng suất khu vực phá hoại điều ảnh hưởng đáng kể lên kết tính tốn; sử dụng kết thí nghiệm cắt trực tiếp để đánh giá khả ổn định đất yếu cơng trình đắp độ chặt mẫu thí nghiệm phù hợp khu vực vùng trượt có độ sâu bé TÀI LIỆU TH M KHẢO N.A Xưtôvich (1987) Cơ học đất (bản dịch) NXB Nông nghiệp, Hà nội Lê Quý An, Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Văn Quỳ (1977) Cơ học đất NXB đại học Trung học chuyên nghiệp Châu Ngọc Ẩn (2004) Cơ học đất NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh V.V Sokolovski (1965) Statics of granular media Bergamon Press Nguyễn Thành Long, Lê Bá Lương, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lực (1989) Cơng trình đất yếu điều kiện Việt Nam Trường Đại học Kỹ Thuật TP HCM – Tổ Giáo trình Quy trình khảo sát thiết kế đường ôtô đắp đất yếu - Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 262-2000 Serge Leroueil, Jean-Pier Magnan, Francois Tavenas (1990) Embankments on soft clay English Edittion, Ellis Horwood Bùi Trường Sơn Phương pháp phân chia vùng cơng trình theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn Tuyển tập kết khoa học công nghệ năm 2008 Bộ NT PTNT Trang 665 - 671 Bùi Trường Sơn, Lê Hoàng Việt Chọn lựa sức chống cắt khơng nước sét mềm để tính tốn cơng trình đắp Tập 14, Tuyển tập kết khoa học công nghệ 2011, NXB Nông nghiệp Trang 469-477 Người phản biện: PGS.TS ĐÀO VĂN TOẠI 14 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 ... tích chủ yếu tập trung vào đất yếu cơng trình đất đắp, loại hình cơng trình phổ biến có tải trọng tác dụng trực tiếp lên đất KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH CỦ NỀN ĐẤT YẾU DƢỚI CƠNG TRÌNH ĐẮP THEO CÁC Đ I LƢỢNG... KHÁC NH U Các liệu đặc trưng lý đất yếu khu vực Nhà Bè, Tp HCM cho thấy giá trị sức chống cắt khác theo phương pháp thí nghiệm khác (bảng 1) Đối với cơng trình đắp, phương pháp đánh giá khả ổn. .. ổn định cơng trình đánh giá thơng qua hệ số an toàn từ suy giảm sức chống cắt đất phần mềm Plaxis Khi sử dụng sức chống cắt từ thí nghiệm cắt trực tiếp, ứng suất trọng lượng thân chọn tính tổng