Đang tải... (xem toàn văn)
Công nghệ đất có cốt vải địa kỹ thuật hiện là một trong những giải pháp đang được ứng dụng rất rộng rãi trong xây dựng công trình đất yếu bởi tính hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Nhằm giúp các bạn hiểu hơn về vấn đề này, mời các bạn cùng tham khảo nội dung bài viết Nghiên cứu cơ chế tương tác và xác định các thông số tương tác đất với cốt phục vụ tính toán ổn định công trình đất có cốt. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.
nghiên cứu chế tương tác xác định thông số tương tác đất với cốt phục vụ tính toán ổn định công trình đất có cốt PGS.TS V Đình Hùng Ban quản lý TW DA Thuỷ lợi (CPO) – Bộ NN&PTNT ThS Khổng Trung Duân Vụ Khoa học, Cơng nghệ Mơi trường – Bộ NN&PTNT Tóm tắt: Cơng nghệ đất có cốt vải địa kỹ thuật (VĐKT) giải pháp ứng dụng rộng rãi xây dựng cơng trình đất yếu tính hiệu mặt kỹ thuật kinh tế Tuy nhiên, có thực tế khó khăn ứng dụng công nghệ cần thông số nào, phương pháp xác định sử dụng chúng tính tốn ổn định phù hợp? Bài báo trình bày chế tương tác chủ yếu đất với cốt, sở đưa thơng số cần phải xác định phương pháp xác định chúng; Bên cạnh đó, báo giới thiệu số kết nghiên cứu phòng xác định thơng số này, bình luận giúp cho người thiết kế hiểu sâu sắc thơng số, chọn theo kinh nghiệm thí nghiệm, xử lý thơng số đưa vào tính tốn cho phù hợp I ĐẶT VẤN ĐỀ Đất ổn định học nhờ cốt vật liệu đưa vào từ bên ngồi khơng phải ý tưởng Cơng nghệ đất có cốt vật liệu cốt sơ khai rơm thêm vào đất sét để nâng cao chất lượng gạch không nung, sử dụng thân cành gia cố móng đê đường, tiếp đến việc sử dụng thanh/dải kim loại, sau việc chế tạo lưới chất dẻo bền vững Tensar Tanax có độ cứng chịu giãn cao chống ăn mòn, làm cho việc sử dụng cốt lưới với đất đắp ma sát-dính phát triển, ngày vật liệu vải địa kỹ thuật chất dẻo (polymer geotextile), bao gồm loại dệt lẫn không dệt (gọi chung Vải địa kỹ thuật) làm cho cơng trình đất ổn định cốt ngày trở nên phổ biến Sự phát triển công nghệ đất có cốt khơng dừng lại phát triển vật liệu chế tạo cốt mà phát triển phương pháp tính [1]: Phương pháp khối trượt nêm hai phần, phương pháp phân mảnh để tính tốn mặt trượt tròn, phương pháp ứng suất kết hợp, phương pháp mặt trượt xoắn ốc logarit, phương pháp trọng lực dính kết,… Khơng dừng lại phương pháp tính, phần mềm tính tốn địa kỹ thuật cố gắng đưa thêm trường hợp tính tốn có cốt tham gia (Sted, Geo-Slope, Plaxis, …) Thực tế ứng dụng cơng nghệ Việt Nam gặp số khó khăn chưa có tài liệu hướng dẫn tính tốn đầy đủ cơng nghệ, nhiều người thiết kế thi công chưa hiểu chất chế tương tác đất với cốt, thông số tính tốn phương pháp xác định, dẫn đến chọn xử lý số liệu đầu vào gặp nhiều khó khăn tính tốn, Bài báo xin giới thiệu số kết nghiên cứu lý thuyết, thí nghiệm làm sở đưa số liệu đầu vào cho phân tích ổn định cơng trình đất có cốt nhóm nghiên cứu Trung tâm Thủy cơng Viện Thủy công thuộc Viện Khoa Thủy lợi Việt Nam II CƠ CHẾ TƯƠNG TÁC ĐẤT CỐT Có hai chế tương tác chủ đạo đất cốt phương thức truyền lực thông qua ma sát phương thức truyền lực thông qua sức cản bị động đất Bài báo giới thiệu nghiên cứu sử dụng cốt gia cố dạng vải với tính (gia cố, lọc + dẫn nước phân cách) nên phương thức nghiên cứu xem xét sức cản ma sát Có hai trạng thái giới hạn xẩy chế tương tác trượt đất cốt cốt bị kéo tuột khỏi đất (hình 1) Sức cản ma sát xác định từ hai 79 trạng thái thơng qua hai thí nghiệm tương ứng Cắt trực tiếp Kéo rút Xét phân tố đất có cốt tham gia chịu lực đồng thời hình đây: 1 S1 S3 Hình Mơ hình tương tác đất - cốt 3 a Khối đất trượt mặt vải; b Khối trượt gây kéo rút vải khỏi khối đất 2.1 Đất trượt vải – sức kháng cắt Hình 1a mơ tả trạng thái phá hoại khối đất trượt trực tiếp bề mặt cốt vải Biểu thức tổng quát sức kháng cắt trực tiếp đưa sau: fds.tgds = ds.tg + (1 - ds)tgds (1) Trong đó: fds- hệ số kháng cắt trực tiếp; dsgóc ma sát đất từ thí nghiệm cắt trực tiếp; góc ma sát bề mặt cốt đất; ds- phần diện tích bề mặt cốt tạo sức kháng cắt trực tiếp Khi ds = 0, trường hợp cắt đất đất fds = 1,0 Khi ds = 1,0, đất bị cắt tg bề mặt phẳng cốt (dạng tấm) fds= tgds 2.2 Cốt tuột khỏi đất – sức kháng kéo Hình 1b mô tả trạng thái phá hoại cốt vải bị kéo tuột khỏi khối đất Biểu thức tổng quát biểu diễn sức kháng kéo với đại lượng liên quan trình bày (2): Tb = As.'a.tg (2) Trong đó: Tb - sức kháng kéo; As- diện tích ma sát; 'a- ứng suất pháp trung bình hiệu quả, lấy 0,75v (Andersen Nielsen, 1984), với v- áp lực thẳng đứng lớp phủ 2.3 Biểu cải thiện góc ma sát lực dính khối đất nhờ cốt Dưới tác dụng tải trọng, trạng thái ứng suất điểm khối đất thoả mãn điều kiện tg + c khối đất ổn định Trường hợp khơng ổn định hay ổn định mức độ thấp, ta cần có biện pháp làm tăng giá trị vế phải phương trình (tg + c), tức tăng c, c 80 T dA C dAT R Hình Sơ đồ tính toán ổn định khối đất trạng thái giới hạn trường hợp đất có cốt Các lực hình 2: S1= 1.dA.cos; S3= 3.dA.sin; C = c.dA (lực dính); T = R.dAT = R.dA.sin(-) (lực cốt); R-lực ma sát đất; R- ứng suất cốt lấy 1m2 mặt cắt ngang phân tố đất Có hai trạng thái giới hạn đất có cốt xẩy ra, là: (i) Khi cốt khả chịu lực bị đứt; (ii) Khi cốt bị trượt đất thiếu lực ma sát cốt đất Giới hạn 1: Trường hợp xẩy R = Rmax, trạng thái giới hạn lực dính đất tăng thêm lượng [2]: cR = c + Rmax ; với, cR= Rmax Ka Ka (cR- lực dính quy đổi có cốt) Giới hạn 2: Khi cốt bị trượt (chiều dài neo vải khơng đảm bảo) đất R = .n, trạng thái giới hạn hệ số góc ma sát đất tăng lên [2]: Ka Ka sinR= =sin Ka Ka Biểu diễn trị số tăng góc ma sát đất dạng biểu thức sau, sinR: sinR = sinR - sin (1 K a )(1 K a ) (1 K a )(1 K a ) = (1 K a )(1 K a ) 2 = (1 K a )(1 K a ) Trong đó: Ka - hệ số áp lực chủ động đất; maxR- lực lớn cốt lấy 1m2 mặt cắt ngang phân tố đất; - hệ số ma sát cốt đất; - góc ma sát đất; R, cR- góc ma sát lực dính quy đổi đất có cốt III XÁC ĐỊNH THƠNG SỐ TƯƠNG TÁC BẰNG THÍ NGHIỆM CẮT VÀ KÉO 3.1 Thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm sử dụng loại AIM2656 – Modified Direct Shear Apparatus Ấn độ (tại Phòng thí nghiệm Viện Thuỷ cơng Trường Đại học Thuỷ lợi) Thí nghiệm thực hộp cắt có kích thước 60x60mm, chiều cao mẫu 30mm 3.2 Vật liệu thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm loại đất điển hình xây dựng đê biển miền Bắc bảng Bảng 1: Chỉ tiêu lý số loại đất thí nghiệm Loại đất Ninh Bình Hải Phòng Nam Định Hà Nội Đất cát Tỷ lệ hạt cát lọt sàng 0,10mm (%) 54,10 45,40 81,20 64,00 ~100 Độ ẩm tốt Wtn (%) 17 16 12 13 Cốt VĐKT dạng vải dệt, sử dụng 02 loại phổ biến có nước hãng Polyfelt, loại Pec Aripack Co., Ltd loại ARM 3.3 Kết bình luận Xây dựng kết đo hệ trục o (hình 3) cho thấy: Đường cong xấp xỉ đường thẳng theo luật CuLông dạng phương Dung trọng khô lớn k max (KN/m3) 1,56 1,47 1,90 1,66 2,05 Lực dính c (KN/m) Góc ma sát (độ) 5,30 10,20 19,48 15,60 0,00 4,60 3,95 29,26 20,15 35,00 trình =tg1+C1 (đối với thí nghiệm cắt hộp) hay =tg2+C2 (đối với thí nghiệm kéo rút vải); nhờ đường thẳng để xác định trị số 1, 2, C1, C2 Do tính phi tuyến đường quan hệ = f() nên tính tốn sử dụng góc kháng kéo để đặc trưng cho cường độ kháng cốt Hình Đường cong quan hệ ứng suất tiếp () với ứng suất pháp () Bảng kết thí nghiệm thực nhiều cấp độ ẩm khác (trong phạm vi độ ẩm tối ưu đến độ ẩm tự nhiên), lấy giá trị trung bình fds, fpo theo cấp độ ẩm 81 Bảng 2: Hệ số fds, fpo số loại đất Loại đất Góc ma sát (độ) Polyfelt Rock Pec: 1 fds Polyfelt Rock Pec: 2 fpo Ninh Bình 4,6 2,86 0,62 2,72 0.59 Hải phòng 3,95 2,65 0,67 2,54 0,64 Hệ số tương tác ma sát fds tìm dao động từ 0,62 0,80; hệ số fpo từ 0,59 0,75 Hệ số tương tác ma sát thí nghiệm kéo có xu hướng nhỏ so với thí nghiệm cắt hộp loại đất, loại vải Như vậy, sử dụng thí nghiệm cho tính tốn thiết kế cơng trình đất có cốt phải vào chế tương tác đất với cốt đặc điểm cơng trình, điều kiện khơng biết điều kiện tương tác chọn thí nghiệm kéo thiên an tồn cho cơng trình Kết hợp nghiên cứu khác cho thấy, cốt vải địa kỹ thuật hệ số tương tác fsd fpo cho trị số 1,0, (tiêu chuẩn móng Canada, Mỹ thường chọn f=2/3), trừ Sỏi cốt dạng lưới cho trị số fpo>1,0 Hệ số tương tác ma sát biến đổi khơng theo quy luật góc ma sát đất (ví dụ khơng phải đất có góc ma sát lớn hệ số tương tác ma sát lớn ngược lại) Điều khẳng định việc cần thiết phải thí nghiệm cho loại đất, cơng trình cụ thể Trong q trình thí nghiệm cắt hộp kéo rút vải khỏi khối đất, xuất lớp chuyển tiếp vải đất (evđ) bị xáo trộn lớn, phá hoại Chiều dày lớp chuyển tiếp evđ loại đất, độ ẩm, độ chặt loại vải khác có khác Đối với thí nghiệm cắt hộp, chiều dày evđ = 2,5 5,3mm; với thí nghiệm kéo rút vải evđ = 2,6 6,5mm Chiều dày evđ có thay đổi lớn đất độ ẩm tối ưu vải có độ nhám lớn, điều có nghĩa hiệu tương tác tốt Như vậy, sử dụng VĐKT có tính nhám lớn cho hiệu gia cố tăng lên, người thiết kế cần lưu ý điểm 82 Nam Định 29,26 22,24 0,76 21,08 0,72 Hà Nội 20,15 15 0,73 14,01 0.68 Cát TC 35 28,00 0,80 26,25 0,75 Độ ẩm đất có ảnh hưởng nhiều đến kết thí nghiệm Với độ ẩm nhỏ lớn hệ số tương tác fds, fpo giảm; điều giải thích độ ẩm nhỏ bề mặt hạt đất trơn độ ẩm lớn dễ làm mặt vải trơn dẫn đến hệ số ma sát nhỏ Các kết nghiên cứu cho thấy sức kháng cắt mặt tiếp xúc vải đất loại đất không giống loại vải, sức kháng cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác loại đất, độ ẩm, trạng thái chặt đất điều kiện thí nghiệm độ xác thiết bị, phương pháp thí nghiệm, kích thước mẫu, tốc độ cắt, tổ hợp lực, nhiệt độ, … Do vậy, cần thiết thí nghiệm tương tác vải - đất cơng trình cụ thể theo tiêu chuẩn thí nghiệm loại vải Trong thiết kế xây dựng cơng trình đất có cốt, sử dụng hệ số tương tác kinh nghiệm cho tính tốn bước nghiên cứu khả thi, giai đoạn thiết kế kỹ thuật vẽ thi cơng thiết phải thí nghiệm xác định hệ số để đưa vào tính tốn đảm bảo an tồn hiệu cho cơng trình IV XÁC ĐỊNH CHỈ TIÊU CƠ LÝ ĐẤT CĨ CỐT BẰNG THÍ NGHIỆM NÉN TRỤC Thực thí nghiệm để chứng minh phần lý thuyết mục 2.3, cốt gia cố có tác dụng làm tăng tiêu lý đất, làm tăng cường độ chống cắt, tăng sức chịu tải, đồng thời để xác định tiêu lý đất có cốt phục vụ tính tốn ổn định cơng trình 4.1 Thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm nén trục hãng WhykenhamFarance - Anh đặt Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật - Trường Đại học Thuỷ lợi 4.2 Vật liệu thí nghiệm Đất thí nghiệm khai thác đê vùng ven biển Giao Thuỷ - Nam Định, đất cát pha sét có tiêu đất chế bị trình bày bảng Bảng 3: Các tiêu lý đất phục vụ công tác nghiên cứu TT Chỉ tiêu thí nghiệm Thành phần hạt: 2,00mm - 0,5mm 0,25mm 0,10mm - 0,01mm