MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Từ lâu đời, đất được sử dụng như một loại vật liệu xây dựng. So với các loại vật liệu khác, đất rất rẻ tiền, sẵn có nhưng lại có các đặc trưng cơ học kém, đặc biệt là không chịu được lực kéo. Để khắc phục nhược điểm này, ngoài những biện pháp gia cố đất bằng các chất liên kết (vô cơ, hữu cơ, hóa chất), từ năm 1963, Henri Vidal, một kỹ sư cầu đường người Pháp đã đề xuất ý tưởng dùng đất có cốt để xây dựng các công trình.
Cho đến nay khái niệm về đất có cốt và những ứng dụng của nó trong các công trình xây dựng đã trở nên quen thuộc với các kỹ sư cầu đường, kỹ sư xây dựng ở khắp nơi trên thế giới. Hiện nay, các ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ đất có cốt là trong xây dựng tường chắn đất, mái dốc, mái đường đắp. Công dụng nổi bật của công nghệ đất có cốt là huy động được sức chịu kéo của cốt để tăng ổn định của mái dốc. Hiện nay, phương pháp cân bằng giới hạn (Limit Equilibrium Method-LEM) là phương pháp truyền thống và phổ biến nhất dùng để phân tích ổn định mái dốc cũng như mái dốc có cốt.
Bài toán phân tích ổn định mái dốc theo LEM hiện nay là bài toán siêu tĩnh, để giải được bài toán này, các nhà khoa học đã đưa vào các giả thiết khác nhau (như các giả thiết bỏ bớt lực tương tác, giả thiết điểm đặt của lực tương tác, giả thiết về hướng tác dụng của lực tương tác giữa các thỏi đất) và coi lực neo của cốt là lực neo cả khối đất trượt vào phần đất ổn định. Kết quả của bài toán theo phương pháp này không cung cấp bất cứ thông tin nào về ứng suất biến dạng của mái dốc, cũng như của cốt. Phương pháp số là một trong những phương pháp có thể giải quyết được những vấn đề trên. Hiện nay nhờ sự phát triển tốc độ cao của tin học với các thế hệ máy tính hiện đại mà phương pháp số được phát triển mạnh mẽ.
Nổi bật trong phương pháp số có thể nói đến phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method- FEM). Phương pháp này có thể cho lời giải tới bất kỳ độ chính xác cần thiết nào, đồng thời nó có thể xét đến các hình dạng phức tạp, các điều kiện biện phức tạp và tính phi tuyến của vật liệu. đó là những điều kiện mà các phương pháp giải tích khác ví dụ LEM khó có thể xét đến được. 2 Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có tài liệu chính thức về phương pháp tính toán cho kết cấu sử dụng đất có cốt, chưa ban hành một tiêu chuẩn thiết kế nào cho loại kết cấu này.
Do đó, việc “Nghiên cứu ổn định mái dốc có cốt bằng phương pháp phần tử hữu hạn” có ý nghĩa rất quan trọng góp phần hiểu rõ ứng xử của đất trong mái dốc có cốt cũng như góp phần hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế đất có cốt. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu ứng xử của đất khi gia cường thêm cốt. - Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến lực kéo trong cốt. - Phương pháp tính toán ổn định mái dốc có cốt bằng phần tử hữu hạn.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu mái dốc có cốt trên nền tốt với các chiều cao khác nhau. Ứng xử của đất và cốt theo quan hệ đàn – dẻo Mohr-Coloumb. - Lời giải là của bài toán ứng suất tổng, không xét tới áp lực nước lỗ rỗng. Gia tải ngắn hạn, không xét cố kết.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp thu thập thông tin : Thu thập tài liệu hiện có liên quan đến thiết kế mái dốc có cốt. - Phương pháp nghiên cứu trên mô hình số: Nghiên cứu sử dụng các phần mềm địa kỹ thuật có khả năng giải quyết các bài toán liên quan đến đất có cốt như : Plaxis, GeoStudio 2007. CÔNG NGHỆ ĐẤT CÓ CỐT Lĩnh vực khoa học kỹ thuật về đất có gia cường cốt chịu kéo đã có hơn 40 năm phát triển và hoàn thiện kể từ ngày kỹ sư Henri Vidal (Pháp) đề xuất năm 1963. Đến nay có 2 hình thức đất có cốt: - Hình thức thứ nhất: Đất trộn cốt; coi đất có cốt chịu kéo là loại vật liệu xây dựng mới.
- Hình thức thứ hai: Đất đặt cốt. Hình thức thứ nhất về đất có cốt Theo hình thức này thì đất có cốt là loại vật liệu kết hợp giữa hai thành phần: đất và cốt. Đất là loại vật liệu có tính chịu nén, cốt là vật liệu chịu kéo được, vật liệu kết hợp giữa vật liệu đất và vật liệu cốt theo quan điểm này là một loại vật liệu có tính chất cơ học đặc thù nổi trội so với đất riêng và cốt riêng. Đất có cốt theo quan điểm này đã được cha ông ta sử dụng xa xưa, ví dụ như trộn đất nhão với rơm để làm vật liệu xây dựng, vừa có tính dính bám của đất, vừa có tính bền dai của cốt, thường được sử dụng làm vách tường,.
Hiện nay, ý tưởng này đã được khoa học hoá và kỹ thuật hoá để tạo đất trộn cốt: Cốt ở đây là những đoạn sợi dài hoặc ngắn làm bằng sơ dừa hoặc xơ polime (hình I-1). Đất trộn cốt 4 a. Sợi bỏ rối trộn đều vào các lớp đất; b. Phân tố đất trộn cốt đồng chất và đẳng hướng ( các mặt phân tố cắt cốt sợi với số lượng gần bằng nhau) * Một số dạng đất có cốt được chế tạo theo quan điểm thứ nhất: - Đất trộn lưới địa kỹ thuật: Hình I-2 là một mảng của khối đất trộn lưới địa kỹ thuật làm bằng polime có mắt lưới vào cỡ kích thước hạt đất thô trong đất (khoảng 5mm).
Các mảnh lưới có kích cỡ hàng chục mắt lưới được trộn đều vào đất tạo ra vật liệu mới có khả năng chịu nén tốt và chịu kéo tốt. Đất cốt sợi, đất cốt lưới thi công trên cạn và khối đất có cốt trộn này có thể coi là loại vật liệu mới đồng chất đẳng hướng nếu các đoạn sợi hoặc mảnh lưới được trộn đều với từng Hình I-2. Khối đất trộn mảnh lớp đất trước khi đầm chặt lưới địa kỹ thuật - Đất trộn VĐKT: đống nòng nọc đất: Giroud là người đầu tiên có ý tưởng dùng túi đất có đuôi (thường gọi là con nòng nọc đất) để thi công những khối đất có cốt trong nước (hình I-3). Trong nội bộ đống nòng nọc đất, VĐKT bọc thân và đuôi con nòng nọc tạo nên khối đất trộn cốt VĐKT.
Tập hợp con nòng nọc đất ứng xử như một loại vật liệu mới có thể tạo được góc nghỉ lớn hơn rất nhiều so với góc nghỉ của đất làm thân con nòng nọc. VĐKT lộ ra bên ngoài đống đất có chức năng chống xói rửa khối đất có cốt trộn dưới nước. Dùng đất trộn VĐKT theo công nghệ con nòng nọc đất có thể lấp các hố xói, hàm ếch do tác động xâm thực đứng Hình I-3. Lấp hàm ếch chống sạt lở bờ và xâm thực ngang.
sông bằng đống nòng nọc đất 5 * Tính chất cơ học của đất trộn cốt theo hình thức thứ nhất: Hình I-4. Vòng Mohr ứng suất của đất: 1) Đất không có cốt; 2) Đất có cốt Với đất bình thường, ví dụ cát không có cốt, vòng Mohr ứng suất không thể cắt đường Coulomb (đường 3, hình I-4), ngược lại, với mẫu đất có cốt trộn thì vòng Mohr ứng suất có trị số σ3<0 khá lớn. Điều này chứng tỏ đất có cốt có khả năng chịu kéo lớn. Schlosser và nnk (1972) đã tiến hành thí nghiệm mẫu đất có cốt đồng chất dị hướng (hình I-5) bằng máy nén ba trục thông thường với mẫu hình trụ: đất cát có cốt: Hình I-5.
Xác định tính chất cơ học của đất có cốt theo quan điểm vật liệu mới bằng máy ba trục a. Xử lý số liệu thí nghiệm của mẫu đất cát bình thường và mẫu vật liệu mới đất có cốt (theo Schlosser và nnk 1972) 6 Cốt thí nghiệm ở đây là những lá nhôm hình tròn cùng cỡ với tiết diện mẫu đất (hình I-6). Như vậy, đất coi như được gia cường sức chịu kéo theo hai phương trong mặt phẳng chứa σ3. Thí nghiệm với mẫu đất cũng đã chứng tỏ rằng đất có cốt có thể bị phá hoại theo hai cách: Khi áp lực nén lên cốt nhỏ, sự phá hoại tương tác Hình I-6.
Lá nhôm làm cốt và giữa đất và cốt theo cơ chế trượt. Khi áp lực những vết nứt, rách ở lá nhôm khi nén lớn thì sự phá hoại theo cơ chế đứt cốt. mẫu thí nghiệm ở trạng thái phá hoại 1. Hình thức thứ hai về đất có cốt: Đất đặt có thứ tự nhất định các lớp cốt có tác dụng như neo chịu kéo.
Đất có cốt theo hình thức này hiện được nghiên cứu áp dụng khá rộng rãi khi xây dựng các loại công trình sau: - Tường đất có cốt - Tường – mái dốc có cốt - Mái dốc có cốt. Trong phạm vi luận văn, tác giả nghiên cứu về loại công trình mái dốc có cốt theo hình thức thứ 2, cốt được sử dụng với chức năng neo và tạo mái [7] ví dụ như trong các hình I-7, I-8 sau đây. Sơ đồ cấu tạo tường - mái dốc có Hình I-8. Xác định chiều dài neo cốt VĐKT cuộn lên làm mặt tường l neo theo mặt trượt khả dĩ 1.
NGUYÊN LÝ ĐẤT CÓ CỐT VỀ MẶT CƠ HỌC 1. Tính chất cơ học của đất có cốt Đất có độ bền kéo thấp nhưng độ bền nén tương đối cao; độ bền nén của đất chỉ bị giới hạn bởi sức kháng ứng suất cắt của nó. Mục đích kết hợp đất với cốt là để tiếp thu lực kéo hoặc ứng suất cắt do đó giảm được việc tải trọng gây phá hỏng đất vì ứng suất cắt hoặc vì biến dạng quá mức. Khối đất có cốt được coi là một khối vật liệu hỗn hợp có các đặc tính đã được cải thiện: làm tăng ưng suất nén, nâng cao đặc tính vật liệu, làm giảm biến dạng.
Qua nghiên cứu mẫu đất hình I-9 bị chặn bởi ứng suất nén σ3 do ứng suất nén σ1 tạo nên (σ1 > σ3), với hình I-9 a mẫu đất không có cốt và hình I-9 b mẫu đất có cốt đã làm rõ cơ chế tương tác của đất có cốt với những tác dụng sau: 8 a, Trường hợp đất không có cốt b, Trường hợp đất có cốt Hình I-9. Tác dụng của cốt đối với đất a, Lực dính dị hướng: Dưới tác dụng của tải trọng nén σ1 sẽ gây ra biến dọc nén dọc trục và biến dạng kéo ngang.