Luận văn Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy

1. MỞ ĐẦU 0.1. Sự cần thiết của đề tài Đất yếu là loại đất có sức chịu tải nhỏ và tính nén lún lớn, thƣờng gặp ở nƣớc ta. Khi xây dựng nền đắp trên đất yếu nếu không đƣợc khảo sát, thiết kế cẩn thận và có biện pháp xử lý thích đáng thì nền đắp xây dựng trên đó thƣờng dễ mất ổn định, bị lún nhiều và lún kéo dài, ảnh hƣởng xấu đến việc khai thác và sử dụng mặt nền. Đã có nhiều phƣơng pháp đƣợc nêu ra để tính toán ổn định và lún của nền đắp trên đất yếu, trong đó có phƣơng pháp đã đƣợc đƣa vào Tiêu chuẩn hiện hành. Các phƣơng pháp này phản ảnh ở mức độ nào đó thực trạng của công trình khi bị mất ổn định. Tuy nhiên, các phƣơng pháp này mang tính tiền định, không xét một cách đầy đủ đặc tính ngẫu nhiên của các tham số tính toán của đất nền, đất đắp và các tải trọng đƣợc đƣa vào tính toán, cũng nhƣ không xét đến yếu tố thời gian. Do đó, trong nhiều trƣờng hợp, công trình nền đắp đã bị mất ổn định hoặc lún quá nhiều gây hậu quả nghiêm trọng mặc dù việc thiết kế, thi công và khai thác công trình nền đã tuân thủ nghiêm ngặt các Tiêu chuẩn, Quy phạm hiện hành. Rõ ràng, cần phải xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số của đất và tải trọng trong tính toán công trình nền đắp. Việc đánh giá an toàn của nền đắp trên đất yếu xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số kể trên chỉ đƣợc giải quyết trên cơ sở lý thuyết xác suất và độ tin cậy. Vì thế, đề tài “Nghiên cứu sự an toàn của nền đắp trên đất yếu theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy” có tính cấp thiết và giải quyết vấn đề trên là mục đích của Luận văn này. 0.2. Mục đích của đề tài Phân tích kết quả tính toán sự an toàn của nền đắp trên đất yếu khi tính toán theo tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy, ứng dụng phƣơng pháp trên để tính toán nền đắp trên đất yếu trong điều kiện cụ thể của một công trình. 0.3. Phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu của đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu các tài liệu thí nghiệm từ các nguồn khác nhau kết hợp với phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết. 1
2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu ổn định về trƣợt sâu, về lún trồi của công trình nền đắp trên đất yếu theo các Tiêu chuẩn hiện hành và theo lý thuyết độ tin cậy. 0.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu. Ý nghĩa thực tiễn: Lý giải đƣợc những nguyên nhân xảy ra nhiều sự cố của nền đắp trên đất yếu khi thiết kế và thi công nền đắp trên đất yếu đã tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn hiện hành để có giải pháp tránh đƣợc những sự cố này. 2
3. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 1.1. Khái niệm về đất yếu Cho đến nay, khái niệm đất yếu chƣa thật rõ ràng và thống nhất vì tùy theo quy mô công trình và tải trọng tác dụng mà nền đất sẽ có mức độ tƣơng tác với công trình khác nhau. Có khi đất nền là yếu với cấp loại công trình này nhƣng lại không yếu với cấp loại công trình khác. Theo quan niệm của nhiều nhà khoa học về địa kỹ thuật và về xây dựng, đất yếu thƣờng đƣợc hiểu nhƣ sau [2], [13]: Đất yếu là loại đất có độ ẩm lớn hơn 80%, mô đun biến dạng thấp, với khoảng áp lực (0,05÷0,3) MPa thì E0 ≤ 5 MPa. Đất yếu là đất có khả năng chịu tải thấp, khoảng(0,05÷0,1) MPa. Góc ma sát trong của đất υ = 20÷100, lực dính đơn vị khoảng (0,002÷0,03) MPa. Tính biến dạng lớn, trong thế nằm tự nhiên đất yếu có mật độ không lớn – khi tải trọng (0,1÷0,15) MPa thì độ lún của đất có thể đạt đến (10÷15)% chiều dày của lớp đất. Thông thƣờng, hệ số rỗng của các đất yếu e > 1,0. Quá trình cố kết của đất yếu diễn ra trong khoảng thời gian rất dài. Do khả năng thấm nhỏ, hệ số thấm dao động trong khoảng (10-6÷10-9) cm/s, nên độ lún cuối cùng của công trình kéo dài có khi đến hàng chục năm. Vì thế, nếu không có biện pháp xử lý đúng đắn thì việc xây dựng công trình trên đất yếu sẽ rất khó khăn hoặc không thể thực hiện đƣợc. Theo 22TCN 262-2000 [1], tùy theo nguyên nhân hình thành, đất yếu có thế có nguồn gốc khoáng vật hoặcnguồn gốc hữu cơ. Loại có nguồn gốc khoáng vật thƣờng là sét hoặc á sét trầm tích trong nƣớc 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 lƣợng hữu cơ có thể tới 10 - 12 %) nên có thể có mầu nâu đen, xám đen, có mùi. Đối với loại này, đƣợc 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 с theo kết quả cắt nhanh không thoát 3
4. nƣớc từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát υ từ 00 – 100 hoặc lực dính từ kết 2 quả thí nghiệm cắt cánh hiện trƣờng сu ≤ 0,35 daN/cm . Ngoài ra ở các vùng thung lũng còn có thể hình thành đất yếu dƣới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1,0, độ bão hòa G > 0,8). Loại có nguồn gốc hữu cơ thƣờng hình thành từ đầm lầy, nơi nƣớc tích đọng thƣờng xuyên, mực nƣớc ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật. Loại này thƣờng gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lƣợng hữu cơ chiếm tới 20 - 80%, thƣờng có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dƣ thực vật). 1.2. Những sự cố thƣờng xảy ra của nền đắp trên đất yếu Nền đắp trên đất yếu thƣờng đƣợc thi công nhanh, do đó ứng suất trong đất yếu cũng nhƣ áp lực nƣớc lỗ rỗng tăng lên nhanh chóng khiến cho cƣờng độ kháng cắt của đất trở nên không kịp đủ cân bằng với ứng suất cắt do tải trọng gây ra trong khối đất. Đó là lý do làm cho nền đắp trên đất yếu dễ bị phá hoại trong quá trình xây dựng, và là những phá hoại trƣớc mắt. Sau khi xây dựng, áp lực nƣớc lỗ rỗng giảm xuống, cƣờng độ kháng cắt tăng lên và độ ổn định của nền đƣợc cải thiện. Tƣơng quan τmax= C’ + (σ – u)tgυ’ giữa cƣờng độ kháng cắt τmax của đất với ứng suất có hiệu σ’= σ – u cho phép ta giải thích hiện tƣợng trên. Từ những điều trên và kinh nghiệm cho thấy các hƣ hỏng của nền đắp trên đất yếu thƣờng là các phá hoại do trƣợt quay với cung trƣợt tròn. Trong các trƣờng hợp đặc biệt, nền đất thiên nhiên rất đồng nhất hoặc đáy nền đất đƣợc tăng cƣờng thì cơ cấu của sự phá hoại là cơ cấu phá hoại của đất nền chịu tác dụng của một móng nông. Trong trƣờng hợp này đất nền sẽ bị phá hoại theo kiểu lún trồi và việc tính toán độ ổn định đƣợc tiến hành nhƣ tính móng nông cổ điển. 1.2.1. Phá hoại do trượt trụ tròn Kiểu phá hoại này thƣờng gặp trong xây dựng đƣờng do dạng hình học thông thƣờng của nền đắp. Một mặt trƣợt dạng trụ tròn đƣợc sinh ra do nền đắp bị lún cục 4
5. bộ (h. 1.1). Hậu quả của sự lún này là một bộ phận của nền đắp và đất nền thiên nhiên dọc theo diện tích phá hoại bị chuyển vị và có hình dạng thay đổi theo tính chất và các đặc tính cơ học của vật liệu dƣới nền đắp. Để tính toán, trong các trƣờng hợp đơn giản nhất thƣờng xem mặt phá hoại tƣơng tự một mặt trụ tròn và sự trƣợt đƣợc gọi là trƣợt trụ tròn. Sự phá hoại của đất yếu do lún trồi hoặc trƣợt sâu vì đắp nền quá cao là một hiện tƣợng xảy ra nhanh chóng trong khi thi công hoặc sau khi thi công xong một thời gian ngắn. Hình 1.1. Các phá hoại dạng mặt trượt trụ tròn. a) Có mặt nứt do kéo trong nền đắp; b) Không có mặt nứt kéo trong nền đắp. 1.2.2. Phá hoại do lún trồi Toàn bộ nền đắp lún võng vào nền đất yếu đẩy trồi đất yếu tạo thành các bờ đất gần chân taluy (h.1.2). 5
6. Hình 1.2. Phá hoại của nền đắp do lún trồi. 1.3. Các giải pháp khắc phục các sự cố của nền đắp trên đất yếu Khi kết quả tính toán kiểm tra ổn định cho thấy không thể đạt đƣợc một hệ số an toàn lớn hơn hoặc bằng hệ số an toàn cho phép trong Tiêu chuẩn (K = 1,5) ứng với chiều cao nền đắp sẽ xây dựng thì phải áp dụng các biện pháp cải thiện điều kiện ổn định. Các biện pháp này gồm có việc sửa chữa hình học của công trình, xây dựng nền đắp theo giai đoạn, cải thiện (hoặc tăng cƣờng) đất yếu. Các giải pháp khác nhƣ tăng cƣờng đáy nền đắp, dùng vật liệu nhẹ, thƣờng ít đƣợc dùng. 1.3.1. Sửa chữa hình học Sửa chữa hình là việc thay đổi kích thức nền đắp. Có thể sửa đối kích thƣớc hình học của nền đắp theo hƣớng tăng độ ổn định bằng việc giảm độ dốc mái taluy. Tuy nhiên, nếu giảm độ dốc mái taluy quá 1/3 thì không cải thiện đƣợc độ ổn định so với làm bệ phản áp, hơn nữa không phải ở vị trí nào cũng cho phép giảm độ dốc mái taluy. 1.3.2. Thay thế lớp đất yếu bằng lớp đất tốt Việc thay đất là đào bỏ đất xấu để thay bằng đất tốt và đầm chăt. Việc thay đất này sẽ kho khăn hơn khi thi công dƣới nƣớc và thực tế chỉ giới hạn với các chiều sâu đến vài mét. Mặt khác việc thay đất cũng thƣờng ảnh hƣởng đến môi trƣờng. Việc thay thế toàn bộ hoặc một phần đất yếu bằng vật liệu có cƣờng độ cao hơn và ít biến dạng hơn sẽ khắc phục đƣợc toàn bộ hoặc một phần các vấn đề về lún và ổn định 6
7. 1.3.3. Xây dựng theo giai đoạn Xây dựng theo giai đoạn là tiến hành đắp nền đến một chiều cao đầu tiên sao cho hệ số an toàn F ≥ 1,5 và chờ cho đất yếu cố kết (cải thiện cƣờng độ kháng cắt). Trong giai đoạn cố kết, hệ số an toàn tăng lên khi tải trọng không đổi. Nhƣ vậy có thể đắp nền thêm một chiều cao mới để giảm hệ số an toàn đến trị số tối thiểu là 1,5 và lặp lại quá trình một số lần cần thiết. Do thời gian cố kết cần thiết giữa hai giai đoạn khá dài nên hiếm khi đắp nền đƣờng đến ba giai đoạn. Thời gian thi công giảm đáng kể nếu làm đƣờng thấm thẳng đứng. Việc tính toán kiểm tra độ ổn định trƣớc khi đắp một lớp nền mới đƣợc tiến hành với ứng suất tổng, trên cơ sở của trị số lực dính không thoát nƣớc đƣợc tăng lên do cố kết và đƣợc xác định theo một trong hai phƣơng pháp sau: - Đo bằng thiết bị cắt cánh hiện trƣờng – Đƣa trực tiếp trị số đo đƣợc vào tính toán không cần điều chỉnh, tải trọng của nền đắp có tác dụng phá hoại kết cấu của đất sét và giảm bớt vai trò của các nhân tố điều chỉnh của Bjerrum. - Đánh giá độ tăng của lực dính không thoát nƣớc – độ tăng này có thể tính bằng số theo công thức: ΔCu = Δσ’tgυcu. Dƣới tim nền đƣờng đắp Δσ’= Δσ.U, với Δσ là tổng ứng suất do nền đắp gây ra và U là độ cố kết đƣợc đánh giá hoặc xác định theo kết quả đo áp lực nƣớc lỗ rỗng tại chỗ. Hình 1.3. Nguyên tắc xây dựng nền đắp theo giai đoạn 7
8. Hình 1.4. Xây dựng theo giai đoạn - Sơ đồ xét tới việc tăng lực dính do cố kết 1.3.4. Cải thiện các tính chất của đất yếu Có thể cải thiện tính chất của đất yếu do sự cố kết của khối đất dƣới nền đắp hoặc do tăng cƣờng khối đất bằng các cột balat hoặc cột đất gia cố vôi, các cột này còn có tác dụng thoát nƣớc. Sự cố kết của khối đất yếu xảy ra dƣới tác dụng của các ứng suất do nền đắp gây ra. Khi các điều kiện về ổn định và thời hạn thi công cho phép, có thể xây dựng nền đắp đến một chiều cao lớn hơn chiều cao của thiết kế và nhƣ vậy đã tác dụng thêm một gia tải để tăng nhanh độ lún. Trong trƣờng hợp chung, thời gian cố kết sẽ rất dài, có thể đến vài năm hoặc vài thập kỷ. Nhƣ vậy cần tăng nhanh hiện tƣợng cố kết bằng cách làm đƣờng thấm thẳng đứng để giảm chiều dài của đƣờng thoát nƣớc. Cũng có thể tăng nhanh cố kết bằng phƣơng pháp cố kết động tức là thả rơi các vật nặng trên mặt nền sau khi làm đƣờng thấm thẳng đứng. Cũng có thể tăng cƣờng khối đất yếu bằng các cột vật liệu có cƣờng độ tốt hơn đất thiên nhiên tại chỗ. Hai kỹ thuật đã đƣợc sử dụng là: - Cột balat: Thay cục bộ đất yếu bằng các cột vật liệu hạt đã đầm chặt. - Cột đất gia cố vôi: Trộn vôi sống với đất sét tại chỗ làm tăng đáng kể các tính chất của đất sét mềm. 8
9. 1.3.5. Các phương pháp khác Tăng cƣờng đáy nền đắp bằng các vật liệu thiên nhiên (bó cành cây, tre, ) hoặc các thảm vật liệu thấm tổng hợp (geotextiles), hoặc có thể sử dụng vải địa kỹ thuật rải trên mặt đất yếu trƣớc khi đắp. Đắp bằng vật liệu nhẹ: Puzulan, trấu nung, vỏ sò, khối polystyren kết cấu tổ ong. Xây dựng nền đắp trên các cọc cát. 1.4. Các phƣơng pháp tính toán ổn định nền đắp trên đất yếu 1.4.1. Tính toán nền đắp trên đất yếu theo quan điểm tiền định Trong hơn nửa thế kỷ qua, việc thiết kế các công trình và nền của chúng chủ yếu dựa trên cơ sở phƣơng pháp các trạng thái giới hạn hoặc các phƣơng pháp tƣơng tự [4]. Theo phƣơng pháp các trạng thái giới hạn, một hệ số an toàn duy nhất của phƣơng pháp tải trọng phá hoại đã đƣợc thay bằng hàng loạt các hệ số, xét đến các yếu tố khác nhau ảnh hƣởng đến trạng thái của kết cấu: – hệ số độ tin cậy về vật liệu; – các hệ số độ tin cậy về tải trọng (hệ số vƣợt tải và hệ số tổ hợp tải trọng); – các hệ số điều kiện làm việc của kết cấu và các cấu kiện của nó; – hệ số độ chính xác của các thao tác công nghệ; – hệ số độ tin cậy về tính chất quan trọng của kết cấu. Đã có sự thay đổi các tiêu chí đánh giá độ bền và các tính chất khác của kết cấu. Việc thiết kế, xây dựng và khai thác công trình cần phải đƣợc thực hiện sao cho không để xảy ra các trạng thái giới hạn của nó. Trạng thái của kết cấu, mà với trạng thái ấy kết cấu không thể thoả mãn các yêu cầu khai thác, đƣợc gọi là trạng thái giới hạn. Các trạng thái giới hạn có thể xảy ra của các kết cấu và nền của chúng đƣợc chia thành các nhóm. Khi đó độ bền của kết cấu trở thành một tính chất riêng, và đã xuất hiện trƣờng hợp, khi mà kết cấu đủ bền nhƣng không thể tiếp tục khai thác đƣợc vì đạt đến các trạng thái giới hạn khác (ví dụ, do nguyên nhân độ võng lớn hoặc bề rộng vết nứt mở rộng quá mức cho phép) [4]. 9
10. Các trạng thái giới hạn đƣợc chia thành hai nhóm. Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất bao gồm những trạng thái giới hạn dẫn tới bất lợi hoàn toàn cho khai thác công trình, nền hoặc dẫn tới phá hoại hoàn toàn (hoặc một phần) khả năng chịu tải. Những trạng thái giới hạn này có thể xem nhƣ những trạng thái giới hạn tuyệt đối. Chúng đƣợc đặc trƣng bởi: sự phá hoại có đặc trƣng bất kỳ (ví dụ dẻo, giòn, mỏi); mất ổn định hình dạng dẫn đến bất lợi hoàn toàn khi khai thác; mất ổn định vị trí; chuyển sang hệ biến hình; thay đổi chất lƣợng kết cấu; những hiện tƣợng khác nhau khi đó buộc phải ngừng khai thác. Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai bao gồm các trạng thái giới hạn gây khó khăn cho khai thác bình thƣờng công trình hoặc nền, làm suy giảm tuổi thọ của công trình so với thời hạn phục vụ đã đƣợc thiết lập khi thiết kế. Những trạng thái giới hạn này có thể xem nhƣ trạng thái giới hạn chức năng. Chúng đƣợc đặc trƣng bởi: sự đạt đến chuyển vị giới hạn của kết cấu hoặc biến dạng giới hạn của nền; mức dao động của giới hạn kết cấu hoặc hoặc nền; mất ổn định hình dạng dẫn đến khó khăn cho khai thác bình thƣờng, cũng nhƣ các hiện tƣợng khác, khi đó buộc phải giảm tạm thời thời hạn phục vụ. Cũng cần bổ sung khi giới thiệu nội dung mới là: cùng với những khái niệm và khả năng chịu tải và tính thích hợp cho khai thác thì khái niệm sức sống cũng xác định thêm một nhóm các trạng thái giới hạn mới. Sức sống đƣợc xem là tính chất bảo tồn khả năng thực hiện các chức năng chủ yếu của hệ dƣới tác dụng của những nhiễu loạn mang tính thảm họa, mà không đƣợc phép phát triển các nhiễu loạn và các sự cố theo kiểu dòng thác [8]. Vì thế, trong nhiều trƣờng hợp, có thể bổ sung nhóm các trạng thái giới hạn thứ ba. Nhóm các trạng thái giới hạn thứ ba - theo sức sống - bao gồm các trạng thái giới hạn đƣợc đặc trƣng bởi sự phát triển các phá hoại có dạng dòng thác dẫn đến loại bỏ hoàn toàn các thành phần của hệ. Nguyên nhân của sự phát triển tƣơng tự có thể là những tác động có tính thảm họa, cũng nhƣ những sai lầm đáng tiếc khi thi công hoặc khi khai thác. Việc tính toán theo trạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ ba chính là đảm bảo khả năng chịu tải của công trình khi loại ra khỏi sơ đồ tính 10