Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường phân tích ổn định trượt sâu công trình đắp trên đất yếu được xử lý bấc thấm gia tải trước từ những kết quả thí nghiệm hiện trường

Tài liệu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường phân tích ổn định trượt sâu công trình đắp trên đất yếu được, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Trần Xuân Thọ
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Xuân Thọ
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân tích ổn định trượt sâu công trình đắp trên đất yếu xử lý bấc thấm gia tải trước từ thí nghiệm hiện trường
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết kết quả đề tài KHCN cấp trường
• Năm xuất bản: 2013-2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phân tích ổn định trượt sâu công trình đắp trên đất yếu

Phân tích ổn định trượt sâu là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và thi công các công trình đắp trên đất yếu. Đất yếu thường có sức kháng cắt thấp, dẫn đến nguy cơ mất ổn định cao. Việc sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải trước giúp tăng cường sức kháng cắt không thoát nước của đất nền thông qua quá trình cố kết. Các thí nghiệm hiện trường như quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng cung cấp dữ liệu quan trọng để dự báo độ gia tăng sức kháng cắt. Phương pháp 22 TCN 244-98 và công thức SHANSEP được áp dụng để dự báo và kiểm chứng kết quả. Ổn định công trình được đảm bảo thông qua việc phân tích từng giai đoạn thi công, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và kết quả quan trắc hiện trường.

1.1. Đất yếu và công trình đắp

Đất yếu được định nghĩa dựa trên sức kháng cắt không thoát nước (Su) và trị số xuyên tiêu chuẩn (N). Các công trình đắp trên nền đất yếu thường gặp rủi ro cao về mất ổn định do sức kháng cắt thấp. Việc xử lý nền bằng bấc thấm và gia tải trước giúp tăng cường sức kháng cắt thông qua quá trình cố kết. Các công trình như đê, đập, đường dẫn, và bến bãi thường được xây dựng trên nền đất yếu. Độ ổn định của công trình phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất nền, đặc biệt là sức kháng cắt không thoát nước ban đầu (Su0) và độ gia tăng sức kháng cắt (∆Su) trong quá trình cố kết.

1.2. Sức kháng cắt của đất yếu

Sức kháng cắt của đất yếu phụ thuộc vào điều kiện thoát nước hoặc không thoát nước. Trong điều kiện không thoát nước, sức kháng cắt không thoát nước (Su) là hằng số và không phụ thuộc vào ứng suất tổng. Quan hệ giữa sức kháng cắt và ứng suất có hiệu được biểu diễn bằng công thức Mohr-Coulomb: τ = c’ + σ’tanφ’. Trong quá trình gia tải trước, sức kháng cắt không thoát nước tăng lên do quá trình cố kết, giúp cải thiện ổn định công trình. Các phương pháp xác định Su bao gồm thí nghiệm cắt cánh hiện trường, xuyên tĩnh, và nén 3 trục trong phòng thí nghiệm.

II. Xử lý bấc thấm và gia tải trước

Xử lý bấc thấm kết hợp gia tải trước là phương pháp hiệu quả để tăng cường sức kháng cắt của đất yếu. Bấc thấm giúp thoát nước nhanh chóng, đẩy nhanh quá trình cố kết. Gia tải trước tạo ra tải trọng lớn để nén chặt đất nền, giảm độ lún và tăng sức kháng cắt. Các thí nghiệm hiện trường như quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng cung cấp dữ liệu để dự báo độ gia tăng sức kháng cắt. Phương pháp 22 TCN 244-98 và công thức SHANSEP được sử dụng để dự báo và kiểm chứng kết quả. Việc phân tích ổn định trượt sâu được thực hiện theo từng giai đoạn thi công, đảm bảo an toàn cho công trình.

2.1. Phương pháp xử lý bấc thấm

Bấc thấm (PVD) là phương pháp xử lý nền hiệu quả cho đất yếu. Bấc thấm giúp thoát nước nhanh chóng, đẩy nhanh quá trình cố kết và tăng sức kháng cắt không thoát nước. Việc lắp đặt bấc thấm kết hợp với gia tải trước tạo ra tải trọng lớn để nén chặt đất nền. Các thí nghiệm hiện trường như quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng cung cấp dữ liệu để dự báo độ gia tăng sức kháng cắt. Phương pháp 22 TCN 244-98 và công thức SHANSEP được sử dụng để dự báo và kiểm chứng kết quả. Việc phân tích ổn định trượt sâu được thực hiện theo từng giai đoạn thi công, đảm bảo an toàn cho công trình.

2.2. Gia tải trước và quá trình cố kết

Gia tải trước là phương pháp tạo ra tải trọng lớn để nén chặt đất yếu, giảm độ lún và tăng sức kháng cắt không thoát nước. Quá trình cố kết diễn ra khi nước thoát ra khỏi đất nền, làm tăng sức kháng cắt. Các thí nghiệm hiện trường như quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng cung cấp dữ liệu để dự báo độ gia tăng sức kháng cắt. Phương pháp 22 TCN 244-98 và công thức SHANSEP được sử dụng để dự báo và kiểm chứng kết quả. Việc phân tích ổn định trượt sâu được thực hiện theo từng giai đoạn thi công, đảm bảo an toàn cho công trình.

III. Thí nghiệm hiện trường và ứng dụng

Các thí nghiệm hiện trường như quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng đóng vai trò quan trọng trong việc dự báo độ gia tăng sức kháng cắt không thoát nước của đất yếu. Dữ liệu từ các thí nghiệm này được sử dụng để kiểm chứng kết quả dự báo từ phương pháp 22 TCN 244-98 và công thức SHANSEP. Việc phân tích ổn định trượt sâu được thực hiện theo từng giai đoạn thi công, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và kết quả quan trắc hiện trường. Các phương pháp này giúp đảm bảo an toàn cho công trình đắp trên nền đất yếu, đặc biệt là trong các dự án lớn như cảng Container Trung tâm Sài Gòn.

3.1. Quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng

Quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng là các thí nghiệm hiện trường quan trọng để dự báo độ gia tăng sức kháng cắt không thoát nước của đất yếu. Dữ liệu từ các thí nghiệm này được sử dụng để kiểm chứng kết quả dự báo từ phương pháp 22 TCN 244-98 và công thức SHANSEP. Việc phân tích ổn định trượt sâu được thực hiện theo từng giai đoạn thi công, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và kết quả quan trắc hiện trường. Các phương pháp này giúp đảm bảo an toàn cho công trình đắp trên nền đất yếu.

3.2. Ứng dụng trong công trình thực tế

Các phương pháp phân tích ổn định trượt sâu và thí nghiệm hiện trường được ứng dụng rộng rãi trong các dự án thực tế như cảng Container Trung tâm Sài Gòn. Việc sử dụng bấc thấm và gia tải trước giúp tăng cường sức kháng cắt không thoát nước của đất yếu, đảm bảo an toàn cho công trình. Các thí nghiệm hiện trường như quan trắc lún và áp lực nước lỗ rỗng cung cấp dữ liệu quan trọng để dự báo và kiểm chứng kết quả. Phương pháp phần tử hữu hạn và kết quả quan trắc hiện trường được sử dụng để phân tích ổn định công trình theo từng giai đoạn thi công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TRƯỢT SÂU CỦA CÔNG TRÌNH ĐẮP GIA TẢI TRƯỚC TRÊN NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Đất yếu và công trình đắp trên nền đất yếu Khái niệm về đất yếu thường dựa trên sức kháng cắt không thoát nước (Su) và trị số xuyên tiêu chuẩn (N), được định nghĩa như sau: Đất rất yếu: Su < 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; Đất yếu: Su < 25,0 kPa hoặc N ≤ 4. Hiện nay, hầu hết các công trình Cảng đều phải xây dựng trên nền đất rất yếu, lớp đất sét trên cùng thường có giá trị Su chỉ khoảng 8 ÷ 10 kPa và N ≈ 0. Đây chính là điều kiện rất bất lợi khi xây dựng các công trình tại khu vực này. Công trình đắp trên nền đất yếu thường có các chức năng như: Kết cấu công trình như đê, đập, đường dẫn; nền công trình đường giao thông, sân ga, bến bãi; đắp gia tải trước phục vụ công tác san lấp xử lý nền.

Đối với công trình đắp gia tải trước phục vụ công tác san lấp xử lý nền, phần lớn vật liệu gia tải chỉ có tác dụng tạo ra tải trọng gây lún ban đầu. Sau khi nền đạt được độ lún cố kết yêu cầu, vật liệu gia tải trước này sẽ được dỡ đi để tạo mặt bằng thi công các kết cấu công trình khác. Khi đắp trên nền đất tốt thì độ ổn định của đất đắp quyết định bởi loại vật liệu và kỹ thuật đầm chặt. Tuy nhiên, khi đất đắp nằm trên nền đất yếu thì độ ổn định và mức độ biến dạng của chúng không chỉ phụ thuộc vào chất lượng đắp mà phụ thuộc chủ yếu vào loại đất yếu.

Do đó, việc nghiên cứu các tính chất cơ lý của nền đất yếu là đặc biệt quan trọng trong việc tính toán ổn định của các công trình xây dựng trên nền đất yếu.2 Sức kháng cắt của đất yếu Khi xây dựng công trình đắp trên nền đất yếu, ứng xử thoát nước hay không thoát nước của đất nền sẽ ảnh hưởng tới sức kháng cắt của chúng. Trong điều kiện thoát nước, sự thay đổi của tải trọng không phải là nguyên nhân làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, bởi nước có thể vào hoặc ra khỏi các lỗ rỗng dễ dàng khi thể tích của các lỗ rỗng tăng hay giảm với sự thay đổi của tải trọng. Trong điều kiện không thoát nước, sự thay đổi của tải trọng làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng, bởi nước không thể ra vào các lỗ rỗng khi phản ứng với tải trọng. Như vậy, khi tải trọng đắp gia tăng đủ chậm để áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán hoàn toàn thì đất nền sẽ ứng xử ở điều kiện thoát nước và được tính toán với sức kháng cắt thoát nước.

Ngược lại, đất nền sẽ ứng xử ở điều kiện không thoát nước với sức kháng cắt không thoát nước. Quan hệ giữa sức kháng cắt τ với ứng suất có hiệu σ’ có thể diễn tả bằng đường bao ứng suất có hiệu Mohr – Coulomb theo công thức sau: τ = c’ + σ’tanφ’ (1.1) Trong đó: c’:lực dính có hiệu ; φ’: góc ma sát có hiệu Khi đất nền ứng xử trong điều kiện không thoát nước, đường bao ứng suất tổng là nằm ngang, sức kháng cắt là hằng số và không phụ thuộc vào độ lớn của ứng suất tổng, khi đó lực dính tổng c chính bằng sức kháng cắt không thoát nước Su và góc ma sát tổng φu = 0.3 Ổn định trượt sâu của công trình đắp gia tải trước Các dạng mất ổn định trượt sâu của công trình đắp Các công trình đắp nói chung khi xây dựng trên nền đất yếu có thể mất ổn định theo các mặt trượt khác nhau mà phổ biến hơn cả là mặt trượt cung tròn. Các dạng trượt cung tròn được thể hiện trên Hình 1.1, bao gồm: 2 - Trượt cung tròn lưng dốc: thường xảy ra ở chỗ đất bất đồng nhất, đáy cung trượt thường nằm trên mặt một lớp đất cứng hơn. - Trượt cung tròn chân dốc: thường xảy ra đối với công trình đắp trên nền đất không chịu nén.

- Trượt cung tròn sâu: đây là trường hợp thường gặp nhất đối công trình đắp gia tải trước trên nền đất yếu chịu nén. Trượt lưng dốc 1 2. Trượt chân dốc 3. Trượt cung tròn sâu 2 3 Hình 1.1: Các dạng cung trượt tròn Trong quá trình đắp gia tải trước trên nền đất yếu, dạng cung trượt tròn lưng dốc có thể xảy ra khi mái dốc của khối đắp lớn và cung trượt thường nằm trên lớp vật liệu được đầm chặt, mục đích của lớp vật liệu này là làm nền, móng cho các kết cấu xây dựng sau khi dỡ tải.

Dạng trượt cung tròn chân dốc có thể xảy ra khi đắp với tốc độ quá nhanh, đất nền không kịp cố kết. Một số dấu hiệu nhận biết công trình mất ổn định theo dạng cung trượt sâu như sau: Phía đỉnh mái dốc xuất hiện các vết nứt do lực đất kéo xuống; xuất hiện một khoảng trống phía đỉnh khối trượt; xuất hiện khối trồi phía chân khối trượt. Giải pháp khắc phục Để đảm bảo ổn định cho công trình thì sức kháng cắt của đất nền phải lớn hơn sức kháng cắt yêu cầu để duy trì cân bằng. Do đó, việc tìm hiểu các nguyên nhân làm giảm sức kháng cắt của đất cũng như đưa ra các giải pháp khắc phục là cần thiết.

Một số tác động có thể dẫn tới giảm sức kháng cắt của đất như: - Gia tăng áp lực nước lỗ rỗng: sự gia tăng cao độ của mực nước ngầm bởi quá trình mưa lớn kéo dài, tốc độ đắp gia tải quá nhanh và ảnh hưởng của tải trọng chu kỳ làm phá vỡ liên kết giữa các hạt đất là các nguyên nhân chính làm gia tăng áp lực nước lỗ rỗng dẫn đến giảm ứng suất có hiệu. - Xuất hiện các vết nứt gần đỉnh mái dốc: các vết nứt xuất hiện là kết quả của áp lực tác dụng lên đất nền vượt quá khả năng chịu kéo của chúng, điều này dẫn đến mất toàn bộ sức kháng cắt của đất trong khu vực xuất hiện vết nứt. Để tránh những tác động có thể xảy ra như trên cần sử dụng các vật liệu gia tải có khả năng thoát nước tốt, bổ sung các giếng bơm hỗ trợ cũng như xem xét chiều cao đắp hợp lý để đảm bảo ổn định cho công trình. Một số giải pháp hỗ trợ sau cũng thường được sử dụng để tăng ổn định cho công trình đắp, bao gồm: - Sử dụng vải địa, lưới địa kỹ thuật gia cường: các vật liệu gia cường này thường đặt dưới khối đắp nhằm tăng ổn định cho công trình nhờ lực neo giữ của chúng (Hình 1.

- Sử dụng cột xi măng đất (CDM): các cột xi măng đất có sức kháng cắt không thoát nước lớn, thường được thiết kế gấp khoảng 10 lần sức kháng cắt của đất nền, được bố trí tại khu vực chân mái dốc gia tải, nhờ vậy sẽ làm tăng ổn định mái dốc khi các cung trượt cắt qua khu vực này (Hình 1. - Dùng bệ phản áp: phương án này thường được sử dụng khi có không gian đất ở xung quanh khu vực đắp gia tải. Bệ phản áp đắp ngay bên cạnh mái dốc và trải hết phạm vi của cung có nguy cơ trượt. Bệ phản áp thường chỉ là khối đắp tạm thời và sẽ được dỡ bỏ sau 3 khi hoàn thành công tác gia tải hoặc khi sức kháng cắt của đất nền gia tăng vượt qua nguy cơ trượt (Hình 1.

Các giải pháp trên đều mang lại hiệu quả cao cho ổn định của công trình, tuy nhiên chi phí xây dựng cũng tăng cao. Đối với công trình đắp gia tải để xử lý nền, nếu không có yêu cầu về tiến độ, giải pháp tốt hơn cả là tiến hành đắp theo từng giai đoạn nhằm mục đích chờ cho đất nền cố kết một phần để tăng giá trị sức kháng cắt không thoát nước, sau đó mới tiến hành cho các giai đoạn đắp tiếp theo. Vải ĐKT gia cường Hình 1.2: Tăng ổn định trượt sâu bằng vải địa kỹ thuật gia cường Cột xi măng đất Hình 1.3: Tăng ổn định trượt sâu bằng cột xi măng đất Bệ phản áp Hình 1.4: Tăng ổn định trượt sâu bằng bệ phản áp Các phương pháp phân tích ổn định trượt sâu Trên cơ sở ứng xử của đất nền như đề cập ở trên, các phương pháp phân tích ổn định trượt sâu của công trình đắp gia tải trước trên nền đất yếu sẽ bao gồm: • Phương pháp phân tích theo ứng suất tổng: phương pháp này dựa vào sức kháng cắt không thoát nước để phân tích ổn định cho giai đoạn đắp đầu tiên. Trong các giai đoạn đắp tiếp theo, độ gia tăng sức kháng cắt không thoát nước sẽ được dự báo và sử dụng để phân tích ổn định.

Một số phương pháp phân tích theo ứng suất tổng thường sử dụng: - Phương pháp phân tích sử dụng công thức kinh nghiệm. - Phương pháp phân tích dựa trên các toán đồ lập sẵn. - Phương pháp giải tích dựa trên phương trình cân bằng lực và mô men đối với tâm trượt để xác định hệ số an toàn. • Phương pháp phân tích theo ứng suất có hiệu: phương pháp này dựa vào các số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng tại hiện trường để xác định ứng suất có hiệu, làm cơ sở phân tích ổn định.

Các thông số sức kháng cắt có hiệu c’ và φ’ sẽ được lấy từ thí nghiệm nén 3 trục trong phòng thí nghiệm. Một số phương pháp phân tích theo ứng suất có hiệu: 4 - Phương pháp phân tích dựa trên các toán đồ lập sẵn. - Phương pháp giải tích. - Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

Ngoài các phương pháp trên, phương pháp phân tích ổn định dựa trên đồ thị lập sẵn của Wakita & Matsuo cũng thường được sử dụng để xác định hệ số an toàn. Hệ số an toàn thu được từ phương pháp này dựa vào kết quả quan trắc chuyển vị ngang và chuyển vị đứng (độ lún) tại hiện trường.4 Một số sự cố mất ổn định công trình tiêu biểu Các sự cố mất ổn định công trình thường gây hậu quả rất nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn về kinh tế. Phần lớn các sự cố là do chủ quan của người thiết kế và Nhà thầu không lường hết được những rủi ro có thể xảy ra khi thi công. Một số công trình đã bị mất ổn định trượt có thể kể đến như: • Kè bảo vệ bờ cảng Năm Căn - Cà Mau: Ngày 11/09/2002, tại khu vực kè bảo vệ bờ - Cảng Năm Căn đã xảy ra hiện tượng sạt lở nghiêm trọng.