Ứng dụng bệ phản áp vào ổn định nền đường với kích thước tối ưu nhất

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. VÕ PHẤN.

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. PHẠM VĂN HÙNG.

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. ĐẶNG ĐẤNG TÙNG.

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 22
tháng 07 năm 2016.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. LÊBÁVINH
2. TS. ĐÕ THANH HẢI
3. TS. PHẠM VĂN HÙNG
4. TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
5. TS. LÊ VĂN PHA
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đanh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN ĐỨC THƯỞNG

MSHV: 7140776

Ngày, tháng, năm sinh: 28/07/1987

Nơi sinh: Kiên Giang

Chuyên ngành: Địa kỹthuật xây dựng

Mã ngành: 60 58 02 11

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Ứng dụng bệ phản áp vào ổn định nền đường với kích thước tối ưu nhất.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. NHIỆM VỤ:
- Nghiên cứu cách tính toán tối ứng nhất cho bệ phản áp.
- Nghiên cứu kích thước tối ưu nhất cho chiều cao đất đắp.
- Mô phỏng sự làm việc của bệ phản áp bằng phần mềm Geoslope ver2007 để phân tích
và đánh giá sự làm việc của bệ phản áp trong việc gia co nền đường.
2. NỘI DUNG:
- Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan về bệ phản áp.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tính toán cho bệ phản áp.
- Chương 3: ứng dụng bệ phản áp để ổn định nền đường cho tuyến đường quốc lộ 61B,
tinh Hậu Giang.

- Kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/08/2015.
IV. NGÀY HOÀN THẨNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016.
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS. VÕ PHÁN.
Tp. HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2016.
CÁN Bộ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

PGS-TS. VÕ PHÁN

PGS.TS. LÊ BÁ VINH

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS. NGUYỄN MINH TÂM


LỜI CẢM ƠN
Luận văn là sự tổng hợp của chương trình đào tạo. Qua luận vãn, thầy cô có thể đánh
giá một cách tổng quát về trình độ chuyên môn của học viên, học viên có thể củng cố kiến
thức qua quá trình học tập nghiên cứu tại trường.
Luận văn Thạc sĩ hoàn thành đảm bảo nội dung và tiến độ là nhờ sự hướng dẫn tận tình
và nhiệt huyết của PGS.TS. VÕ PHÁN. Tác giả xin bày tỏ lòng tri ân chân thành nhất đến
PGS.TS. VÕ PHÁN và các thầy trong bộ môn đã tạo điều kiện tốt nhất cho em học tập và
nghiên cứu, luôn tận tâm giảng dạy cung cấp cho em nhiều kiến thức, tài liệu quý báu.
Xỉn chân thành cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa, Ban Lãnh Đạo
khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Phòng Đào tạo Sau Đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận
lợi cho em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng xin bày tỏ lòng ghi ơn và tri ân sâu sắc nhất đến gia đình đã luôn động

viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian thực hiện Luận vãn.
HỌC VIÊN
TRẦN ĐỨC THƯỞNG


TÓM TẮT
Tên đề tài:
“Ứng dụng bệ phản áp vào ổn định nền đường với kích thước tối ưu nhất’
Tóm tắt:
Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là các vùng đồng bằng
sông Cửu Long. Ở vùng đồng bằng, đất yếu là chủ yếu. Những vùng này dân cư đông đúc
và chiếm một vị trí quan trọng. Sự mất ổn định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra
trên những vùng đất yếu này, rõ ràng nguyên nhân chủ yếu từ nền đất yếu và biện pháp
xử lý chưa phù hợp. Nghiên cứu về bệ phản áp cho việc tăng độ ổn định nền cũng là yếu
tố hết sức cần thiết.
Liên quan đến bệ phản áp ổn định cho nền đường, bên cạnh các ưu điểm thường
được dùng để tăng độ ổn định của khối đất đắp của nền đường hoặc nền đê trên nền đất
yếu. Phương pháp đơn giản song có giới hạn là phát sinh độ lún phụ của bệ phản áp và
diện tích chiếm đất để xây dựng bệ phản áp. Chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp được
thiết kế từ các chỉ tiêu về sức kháng cắt của đất yếu, chiều dày, chiều sâu lớp đất yếu và
trọng lượng của bệ phản áp. Bệ phản áp cũng được sử dụng để bảo vệ đê điều, chống mạch
sủi và cát sủi. để làm rõ hơn các ưu điểm cũng như nhược điểm đó.
Đề tài còn nêu lên các ưu điểm và hạn chế của bệ phản áp trong gia cố nền đường.
Từ đó, cung cấp cho những ai quan tâm đến lĩnh vực thiết kế và thi công các tuyến đường
khác tại địa phương.


ABSTRACT
Topic name:
“Application Counterweight berm the roadbed stability with optimal size”

Summary:
Our country has more territories from soft soil formations, especially the Mekong
River delta. In the plains, the land is mostly weak. These areas are densely populated and
occupied an important position. Instability damage persists embankment on soft soil,
apparently the main cause of weak soil and treatments are not appropriate. Research on
counter pressure pad for reinforcing foundations are also essential elements.
Concerning counter-pressure pads for road base reinforcement, besides the
advantages commonly used to increase the stability of the embankment of the roaddike or
background on soft ground. The simplest method is limited but there arise secondary
settlement tanks, pressure and land area to build counter-pressure pad. The height and
width of the platform is designed to counter pressure from the indicators of weak soil shear
strength, thickness, depth and weight of soft soil of counter pressure pad. Trays counter
pressure is also used to protect dykes and sand sparkling effervescent circuit protection,
to clarify the advantages and disadvantages.
The theme also highlights the advantages and limitations of counter-pressure pad in
reinforced embankment. From there, providing those interested in the field of design and
construction of other roads in the area.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Bản luận vãn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thưc hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức thực nghiệm, thu thập các
số liệu, nghiên cứu khảo sát tình hình thực tế dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS. Võ
Phán.
Các số liệu, mô hình tính toán và những kết quả trong luận vãn là trung thực, được
xuất phát từ thực tiễn, các số liệu, cơ sở lý thuyết được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong danh
mục tài liệu tham khảo.

Học viên thực hiện

Trần Đức Thưởng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề ........................................................................................................................... 01
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................................... 01
3. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................................. 02
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.............................................................................. 02
4.1. Ý nghĩa khoa học .............................................................................................................. 02
4.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................................... 02
5. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu .......................................................................................... 02

CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN VỀ BỆ PHẢN ÁP.
1.1. Nền đường đắp .................................................................................................................. 03
1.2. Nền đất yếu....................................................................................................................... 04
1.2.1. Khái niệm đất yếu .......................................................................................................... 04
1.2.2. Nền đất yếu ở Việt Nam................................................................................................. 04
1.2.3. Hiện tượng mất ổn định của nền đường đắp trên đất yếu .............................................. 05
1.3.

Tải trọng của nền đqờng đắp tác dụng lên nền đất tự nhiên .......................................... 06

1.4. ............................................................................................................................
Trạng thái ứng suất và tải trọng giới hạn của nền đất ............................................................... 06
1.4.1. Cân bằng đàn hồi và cân bằng dẻo ............................................................................... 06
1.4.1.1.

Đất là vật liệu đàn - dẻo lý tưởng................................................................................ 06

1.4.1.2.

Đất là vật liệu cứng - dẻo lý tưởng ............................................................................. 09

1.4.2.

Lý thuyết biến dạng tuyến tính .................................................................................. 10

1.4.3. Lý thuyết cân bằng giới hạn ........................................................................................... 15
1.4.3.1. ............................................................................................................................
Cơ sở của lý thuyết cân bằng giới hạn ........................................................................................ 15
1.4.3.2.

Hệ phương trình cơ bản .............................................................................................. 15

1.4.3.3. ....................................................................................................................... Các
lời giải của hệ phương trình cơ bản .......................................................................................... 16
1.4.4. Lý thuyết đàn - dẻo dùng cho khối đất ......................................................................... 17
1.4.4.1.

Tải trọng giới hạn đàn hồi ........................................................................................... 18

1.4.4.2.

Bài toán hỗn hợp đàn - dẻo về khối đất ...................................................................... 18

1.4.4.3.

Lý thuyết Cam - Clay.................................................................................................. 19

1.4.5. ...............................................................................................................................
Các phương pháp dùng mặt trượt giả định.................................................................................. 19


1.4.5.1.

Phương pháp mặt trượt giả định mặt phẳng................................................................ 19

1.4.5.2.

Phương pháp mặt trượt trụ tròn .................................................................................. 19

1.4.5.3.

Phương pháp mặt trượt theo lý luận cân bằng với nền đồng nhất .............................. 19

1.4.6. Phương pháp phân tích giới hạn..................................................................................... 22
1.4.7. Phương pháp xác định ứng suất theo điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất đạt giá trị
nhỏ nhất trong nền đất................................................................................................................. 23
1.5. Giải pháp tăng cường sức chịu tải (tải trọng giới hạn) của nền đất yếu ............................ 23
1.6. Giới thiệu về bệ phản áp .................................................................................................... 24
1.6.1 Các đặc trưng yêu cầu về bệ phản áp .............................................................................. 26
1.6.2. Phân tích ưu nhược điểm của bệ phản áp trong gia cố nền đường ................................. 27
1.6.2.1.

Ưu điểm ...................................................................................................................... 27

1.6.2.2.

Nhược điểm ................................................................................................................ 27

1.6.3 Tính toán bệ phản áp trên nguyên lý làm tăng độ chôn sâu của nền đắp ........................ 27
1.6.4 Tính toán bệ phản áp theo dạng làm xoải taluy nền đường đắp ...................................... 30

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN CHO BỆ PHẢN ÁP ......... 34
2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................................ 34
2.2. Khảo sát quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu với tải trọng bệ phản áp. ......... 35
2.2.1.

Quan hệ giữa tải trọng giới hạn và chiều rộng tải trọng bệ phản áp .............................. 35

2.2.2.

Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp ............................. 37

2.3.

Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới tải trọng

nền đường đắp............................................................................................................................. 39
2.3.1.

Trường hợp không xét góc ma sát trong của đất yếu.................................................... 39

2.3.1.1. ........................................................................................................................
Xây dựng toán đồ thiết kế bệ phản áp ........................................................................................ 39
2.3.1.2.

Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp hợp lý ..................................................................... 41

2.3.2.

Trường hợp xét góc ma sát trong của nền đất yếu...................................................... 46

2.4. Nghiên cứu bệ phản áp rộng vô hạn để làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu
dưới nền đường đắp ................................................................................................................... 48


2.4.1.

Quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu và cường độ tải trọng bệ phản

áp rộng vô hạn............................................................................................................................ 48
2.4.2.

Xây dựng toán đồ thiết kế bệ phản áp rộng vô hạn ....................................................... 50

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP ĐỂ ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG CHO
TUYẾN ĐƯỜNG QUÔC LỘ 61B, TỈNH HẬU GIANG ..................................... 52
3.1

Giới thiệu công trình Quốc lộ 61B .................................................................................... 52

3.2

Điều kiện tự nhiên.............................................................................................................. 53

3.2.1 Vị trí khu vực .................................................................................................................. 53
3.2.2

Địa hình khu vực ............................................................................................................ 53

3.2.3

Điều kiện khí hậu ............................................................................................................ 53

3.2.4

Điều kiện địa chất ........................................................................................................... 53

3.3 Tính toán cho tuyến đường quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang .................................................... 55
3.3.1 Tính toán tải trọng giới hạn và chiều rộng tải trọng bệ phản áp cho công trình. 55
3.3.2

Tính toán tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp ..................................... 57

3.3.3

Chiều rộng hợp lý và cường độ hợp lý ........................................................................... 59

3.4

tính toán tác dụng của bệ phản áp lên độ ổn định của nền đất đắp, độ lún lệch của

đất nền bằng phần mềm Geoslope cho tuyến đường quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang .................. 60
3.4.1 Xác định kích thước ban đầu của bệ phản áp64 3.4.2 Phân tích ảnh hưởng của của bệ phản
áp lên mức độ ổn định của công trình theo
mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn và chọn lựa kích thước bệ phản áp hợp lý ......................... 67
3.4.3

Tác dụng của bệ phản áp lên sự phân bố độ lún của nền đất yếu dưới công trình đắp . 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 77


PHỤ LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tác dụng, ưu và nhược điểm của giải pháp bệ phản áp ........................................... 25
Bảng 1.2. Xác định trị hệ số Ny, Nq, Nc theo V.G. Bérézantsev ............................................. 30
Bảng 1.3. Các tải trọng (ơi-ơ3)/q và (ơi+ơ3)/q cho trường hợp tải trọng phân bố theo tam giác 32
Bảng 2.1. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (Pgh/c) với cường độ tải trọng bệ phản áp. 35 Bảng 2.2.
Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với cường độ tải trọng bệ phản áp.
................................................................................................................................................... 36
Bảng 2.3. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (pgh/c) với tải trọng bệ phản áp .............................. 39
Bảng 2.4. Chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp........................................... 41
Bảng 2.5. Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ma sát trong, f((p)................................................. 47
Bảng 2.6. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (Pgh/c) với cường độ của

tải trọng bệ phản

áp rộng vô hạn............................................................................................................................. 49
Bảng 2.7. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (Pgh/c) với cường độ của tải trọng bệ phản
áp rộng vô hạn (q/c) và góc ma sát trong (ọ) .............................................................................. 51
Bảng 3.1 Kết quả khảo sát địa chất các lớp đất lân cận được tổng hợp theo bảng dưới.
.................................................................................................................................................... 53
Bảng 3.2. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (Pgh/c) với cường độ tải trọng bệ phản áp. 56
Bảng 3.3. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn (Pgh/c) với cường độ tải trọng bệ phản áp. 57
Bảng 3.4. Chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp........................................... 59
Bảng 3.5. Các chỉ tiêu cơ lý trung bình của lớp bùn sét ........................................................... 61
Bảng 3.6. Các hệ số ổn định Kmin với các kích thước bệ phản áp thay đổi .............................. 68

PHỤ LỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Trắc ngang của nền đường đắp ................................................................................. 03
Hình 1.2. Các dạng mất ổn định của nền đường đắp trên nền đất yếu ........................................ 05
Hình 1.3. Mô hình đàn - dẻo lý tưởng ......................................................................................... 07
Hình 1.4. ứng suất tác dụng trên phân tố đất............................................................................... 08
Hình 1.5. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng ........................................................................... 10
Hình 1.6. Sơ đồ tính toán của bài toán phang ........................................................................... 11
Hình 1.7. Các quy định về mức độ phát triển của vùng biến dạng dẻo ..................................... 13
Hình 1.8. Vòng Mohr ứng suất tiếp xúc với đường Coulomb .................................................. 15
Hình 1.9. Sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt .................................................. 16
Hình 1.10. Sơ đồ các vùng cân bằng giới hạn và các mặt trượt theo đề nghị của Berezansev cho đất
có trọng lượng .............................................................................................................................. 20
Hình 1.11. Các dạng bệ phản áp................................................................................................ 25
Hình 1.12. Vùng biến dạng dẻo dưới nền đường đắp ................................................................. 26
Hình 1.13. Sơ đồ bố trí bệ phản áp.............................................................................................. 27

Hình 1.14. Bệ phản áp theo sơ đồ làm tăng độ chôn sâu nền đường .......................................... 28
Hình 1.15. Sơ đồ phạm vi tồn tại của mặt trượt nguy hiểm nhất ................................................ 30
Hình 1.16. Bệ phản áp theo sơ đồ làm xoải chân taluy nền đường ............................................. 31
Hình 1.17. Sơ đồ thiết lập đường thẳng cân bằng giới hạn F1 và đường quan hệ giữa hiệu và tổng
ứng suất chính trên trục đối xứng của tải trọng F2....................................................................... 31
Hình 2.1. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp (phio và phi5 - trường
hợp 2.2.1 và 2.2.2)........................................................................................................................ 36
Hình 2.2. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản áp (phio và phi5 - trường
hợp 2.2.1 và 2.2.2)........................................................................................................................ 38
Hình 2.3 Toán đồ xác định tải trọng giới hạn của nền đất yếu.................................................... 40
Hình 2.4. Quan hệ giữa chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp ...................... 42
Hình 2.5. Đường chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp................................. 44
Hình 2.6. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với tải trọng bệ phản áp rộng vô hạn ........................ 49

Hình 2.7. Toán đồ xác định tải trọng giới hạn của nền đất yếu................................................... 51
Hình 3.1 Mặt bằng tuyến đường quốc 1Ộ61B .......................................................................... 52


Hình 3.2. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản

áp .............. 57

Hình 3.3. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với cường độ tải trọng bệ phản

áp .............. 58

Hình 3.4. Quan hệ giữa chiều rộng và cường độ hợp lý của tải trọng bệ phản áp .................... 60
Hình 3.5: Kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường tổng hợp từ các vị trí ................................... 62
Hình 3.6. Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn khi
không có bệ phản ......................................................................................................................... 64
Hình 3.7. Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn của nền đất dưới nền đắp khi không có bệ phản áp
với H=3,0 m ................................................................................................................................ 65
Hình 3.8. Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn với bệ
phản áp có kích thước (hpa=l,0 m & bpa=5,0 m) .......................................................................... 66
Hình 3.9. Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn của nền đất dưới nền đắp khi có bệ phản áp với H=3,0
m và bệ phản áp có (hpa = 1, Om & bpa=5,0 m) ......................................................................... 67
Hình 3.10a. Phạm vi cung trượt khi Kmin«l,0 cho nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt
lăng trụ tròn khi không có bệ phản áp .......................................................................................... 69
Hình 3.10b. Phạm vi cung trượt khi Kmin«l,0 cho nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt
lăng trụ tròn khi không có bệ phản áp .......................................................................................... 69
Hình 3.11. Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ tròn với
bệ phản áp có kích thước (hpa=l,20 m & bpa=7,0 m).................................................................. 71
Hình 3.12. Kích thước bệ phản áp tối ưu cho nền đường đắp có H=3,0 m với phạm vi xuất hiện
vùng biến dạng dẻo trong nền đất yếu hầu như không có ............................................................ 72

Hình 3.13. Sự phân bố độ lún tức thời mặt nền đất dưới nền đắp cao H=3,0m khi không có (a) và
khi có bệ phản áp (b) với kích thước hpa = l,2m & bpa=7,0m .................................................... 73
Hình 3.14. Sự phân bố độ lún ổn định mặt nền đất dưới nền đắp có H=3,0m khi không có (a) và
khi có bệ phản áp (b) với kích thước hpa = l,2m & bpa= 7,Om .................................................. 75


Ký hiệu

Đơn vị

b:

m
m
KN/m2
m
KN/m2
KN/m
KN/m

bpa-

c:
D:
E:
Eu
Ep:
f(f(k)
h:

hpa:
H:
Ksk

Kw:
KH:

m
m
m
kg/cm3
kg/cm3

K-niin '•

L:
N:
Ny
Ne
Nq
m:
mw
PA:
Pp:
Qpa
Qat

R:

m

KN/m2

KN/m2
KN/m2
KN/m
KN/m
KN/m2

Ymax-

CÁC KÝ HIỆU
Giải thích
Bề rộng của khối đất đắp.
Bề rộng của bệ phản áp.
Lực dính đơn vị
Chiều sâu chôn cọc.
Mô đun đàn hồi.
Module biến dạng trong điều kiện không thoát nước
Tổng áp lực đất bị động.
Hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ma sát ửong đất nền.
Giá trị bền theo điều kiện Morh - Coulomb
Chiều cao của khối đất đắp.
Chiều cao bệ phản áp.
Hệ số hòa tan Henry.
Module biến dạng thể tích khung cốt đất
Module biến dạng thể tích nước lỗ rỗng
Hệ số tin cậy phụ thuộc cấp công trình.
Hệ số an toàn nhỏ nhất được tính toán.
Chiều rộng của khối đất đắp.
Tổng các lực gây trượt.

Hệ số sức chịu tải theo trọng lượng thể tích
Hệ số sức chịu tải theo lực dính đơn vị
Hệ số sức chịu tải theo tải trọng bên
Hệ số điều kiện làm việc.
Hệ số nén tương đối nước lỗ rỗng.
Áp lực đất chủ động.
Áp lực đất chủ động.
Tải trọng của bệ phản áp.
Tải trọng an toàn.
Tổng các lực chống trượt.
Tung độ ngang tối đa của tam giác dây.
Dung trọng của nền đất yếu.

a:

g/cm3

a0:
0:
ô:

g/cm3

Thông số xác định theo bảng 1.3.
Hệ số biến dạng. Biến phân.

7
7’
7sat

độ
KN/m3
KN/m3
KN/m3
KN/m3

Góc ma sát trong của đất
Trọng lượng riêng của đất
Trọng lượng riêng đẩy nổi.
Dung trọng của đất nền đắp.
Trọng lượng riêng bão hòa

Yw

KN/m3

Trọng lượng riêng của nước
Mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn

7dn

ro


-1MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của đất nước, mạng lưới đường giao thông
được đầu tư xây dựng rất lớn. Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là vùng
đồng bằng sông Cửu Long. Vùng này dân cư đông đúc và chiếm một vị trí quan trọng. Sự mất ổn

định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra trên những vùng đất yếu này, rõ ràng nguyên nhân
chủ yếu từ nền đất yếu. Có thể nói rằng sự hiểu biết chưa đầy đủ về nền đất yếu và biện pháp gia
cố là nguyên nhân thiết kế nền đường đắp bị mất ổn định hoặc gây lãng phí tốn kém. Nghiên cứu
về bệ phản áp trong ổn định nền đường nói riêng hay nền đất nói chung, xác định việc tính toán để
đảm bảo chất lượng và tiến độ thi công là vấn đề đầu tiên quan trọng.
Bệ phản áp là một giải pháp lâu đời được sử dụng nhiều, thực tế đã chứng minh hiệu quả
tăng cường ổn định, đặc biệt làm tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu. Với công nghệ thi công
đơn giản và tận dụng được vật liệu tại chỗ, bệ phản áp đã được xây dựng với nền đường đắp qua
vùng đất yếu và sửa chữa nền đường mất ổn định. Tuy nhiên, tính toán thiết kế bệ phản áp của nền
đường đắp còn dựa vào kinh nghiệm và các phương pháp gần đúng. Do đó, có thể dùng cách tính
về tải trọng giới hạn của nền đất chịu tải trọng móng mềm để khảo sát ảnh hưởng của bệ phản áp,
hợp lý hoá thiết kế kích thước, khắc phục nhược điểm để có thể vận dụng tiết kiệm và hiệu quả vào
thực tế. Từ những vấn đề nêu trên đặt ra việc nghiên cứu tính toán bệ phản áp trong nền đất yếu
nói riêng, nền đất tự thiên nói chung với những giả thiết hợp lý hơn với thực tế làm việc của nền
đất chịu tác dụng của tải trọng nền đường đắp và bệ phản áp sẽ góp phần bổ sung lý thuyết nghiên
cứu, góp phần tích cực vào thực tế xây dựng nền đường đắp và mạng lưới giao thông ngày nay.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định việc tính toán trong nền đất tự thiên dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp và
bệ phản áp là hết sức cần thiết, giải quyết về vấn chất lượng cho các mạng lưới giao thông của
vùng nói riêng và trên các vùng đất yếu của cả nước nói chung. Đồng thời xác định chiều cao và
chiều rộng của bệ phản áp tối ưu nhất cho công trình đắp ổn định.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các phương pháp tính toán tối ưu nhất về bệ phản áp cho việc ổn định nền đất
yếu ở đồng bằng song Cửu Long, đồng thời thiết lập được đông thời xác lập được chiều cao và
chiều rộng cho bệ phản áp tối ưu nhất.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.


-24.1.

Ý nghĩa khoa học:
Đề tài nghiên cứu, tính toán sự làm việc của bệ phản áp và chiều cao đất đắp cho ta cái nhìn

khoa học về sự làm việc của bệ phản áp đối với nền đất yếu. Phân tích áp lực đất tính toán và nội
lực phát sinh bên trong nền đất và bệ phản áp.
Ngoài ra, đề tài còn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Geoslope) mô phỏng
gần sát với điều kiện làm việc của bệ phản áp ngoài thực tế cho ta có thể kiểm soát được trạng thái
ứng xử của đất và các nguyên nhân tác động lên chúng bằng cách đưa các thông số đầu vào phù
hợp, là một công cụ hỗ trợ đắc lực giúp tìm ra lời giải chính xác hơn, đồng thời xác định được
chiều cao và chiều rộng của bệ phản áp tối ưu.
4.2.

Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài làm rõ ưu nhược điểm của bệ phản áp trong việc ổn định cho nền đất yếu làm cơ sở

cho việc ứng dụng hiện tại và trong tương lai phục vụ cho nhu cầu xây dựng mạng lưới giao thông
nơi thị trấn, thành phố, nơi tập trung đông dân cư....
Dùng phần mềm Geoslope mô phỏng, dự đoán các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình thi công
làm giảm nguy cơ gây hại đến công trình.
5 Giói hạn và phạm vi nghiên cứu:
Đề tài chỉ mô phỏng, phân tích, tính toán sự làm việc của bệ phản áp trong phạm vi giới hạn
địa chất của công trình và một số vùng lân cận. Dựa trên hồ sơ khảo sát địa chất, các số liệu quan
trắc xem như là tương đối chính xác để làm cơ sở nghiên cứu cho bài toán phân tích cho nền đường.
Đề tài không đi sâu nghiên cứu về biện pháp thi công cho bệ phản áp..

CIIƯƠNG 1
TÔNG QUAN VỀ BỆ PHẢN ÁP.
1.1. Nền đường đắp
Nền đường nối chung là một công trình bằng đất, cỗ tác dụng khắc phục địa hình tự nhiên
nhằm tạo nên một dải đủ rộng dọc theo tuyến đường cỗ cảc tiêu chuẩn về bình đồ, trắc dọc, trắc

ngang và làm cơ sờ cho ảo đường. Nền đường gồm có loại nền đường đào, nền đường đắp và nền


-3đường nửa đào nửa đắp. về cơ bản, cấu tạo trắc ngang của nền đường đắp như hình 1.1.

Hình LL Trắc ngang của nền đường đắp
(1 - nền đất tự nhiên; 2 - nền đường đắp)

Trong hình 1.1 ký hiệu: B và H là chiều rộng và chiều cao nền đắp; 1/m là độ dốc ta luy nền
đắp. Hiện nay, bề rộng nền đường ô tô được thiết kế B 6,0 m [6]; thông thường độ dốc ta luy đắp
được chọn 1/1,5. Chiều cao nền đường đắp tối thiểu phải từ 1,2 -í-1,5 m kể từ chỗ tiếp xúc với đất
yếu [1].
Các hướng dẫn và yêu cầu thiết kế, thỉ công nền đường ô tô ở Việt Nam trong tiêu chuẩn:
Đường ô tô - Yêu cầu thiết kế - TCVN 4054:2005 và các tài liệu khác [2], [3] • Nối chung nền
đường cần đảm bảo các yêu cầu sau: - Nền đường phải đảm bảo ồn định toàn khối, tức là không
để xảy ra các hiện tượng: trượt lở mái ta luy; trượt trồi lún sụp nền đắp trên nền đất yếu... - Nền
đường phải đảm bảo có một cường độ nhất định và đảm bảo ổn định về cường độ. Theo [4], [5],
cho thấy trong quá trình xây dựng và sử dụng, nền đường có thể bị phá hoại, không đạt được các
yêu cầu trên với nhiều nguyên nhân khác nhau.
1.2.
1.2.1.

Nền đất yếu
Khái niệm đất yếu
Theo [6], [7], [8], thì đất yếu là các loại đất có thể có các nguồn gốc khác nhau (khoáng vật

hoặc hữu cơ) và điều kiện hình thành khác nhau (trầm tích ven biển, vịnh biển, đầm hồ, đồng bằng
tam giác châu thổ hoặc hình thành do đất tại chỗ ở những vùng đầm lầy có mực nước ngầm cao,
có nước tích đọng thường xuyên...) nhưng đều có các đặc trưng dưới đây:
- Cường độ chống cắt nhỏ và thường tăng lên theo độ sâu;

- Biến dạng nhiều (lún nhiều) khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài và biến dạng tuỳ thuộc


-4thời gian chất tải;
- Tính thấm nước kém (hệ số thấm nhỏ) và thay đổi theo sự biến dạng của đất yếu; - Hệ số
rỗng lớn;
- Đất ở trạng thái bão hoà hoặc gần bão hoà nước.
Theo [1] thì ở nước ta định nghĩa đất yếu như sau:
- Loại có nguồn gốc khoáng vật, thường là sét hoặc á sét trầm tích, hàm lượng hữu cơ có
thể tới 10 -ỉ- 12%. Ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng
lớn (sét thì e > 1,5, á sét thì e > 1), lực dính đơn vị theo kết quả cắt nhanh không thoát nước Cu <
15 kPa, góc ma sát trong = 0 -? 10°, hoặc theo kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường cu < 35 kPa.
Ngoài ra, còn có đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1, độ bão hòa G > 0,8). Loại có nguồn gốc hữu cơ, thường gọi là đất đầm lầy than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 480%.
Nói chung, khái niệm đất yếu được hiểu giống nhau ở các nước [8],
1.2.2.

Nền đất yếu ở Việt Nam
Theo [5], cho thấy Việt Nam có diện tích không nhỏ thành tạo đất yếu, đặc biệt là các vùng

đồng bằng alluvi của sông Hồng, sông Cửu Long và đồng bằng ven biển miền Trưng. Đất yếu
thường gặp là các loại đất sét mềm, bùn và than bùn. Ngoài ra ở một số vùng còn gặp loại đất có ở
nhiều tính chất của loại đất lún sập như đất ba zan ở Tây Nguyên, và thỉnh thoảng còn gặp cảc vỉa
cát chảy là những loại đất yếu có các đặc trưng riêng biệt. Thực tế của những nam xây dựng các
công trình cho thấy móng của nhiều công trình công nghiệp, dân dụng, giao thông, thuỷ lợi... đặt
trên nền đất yếu.
1.2.3. Hiện tượng mất ẳn định của nền đường đắp trên đất yếu
Ôn định của đất là tương quan giữa độ bền, khả năng chịu tải của đất đối với các lục và các
đặc trưng gây phá hoại trong đất do tải trọng bản thân của đất và tải trọng ngoài gây ra. Ôn định
tổng thể của nền đường và nền đất yếu dưới nền đường có thể bị mất nếu cảc điềm phân tổ mất ổn
định đã xảy ra trong một vùng đáng kể [5]. Xét theo điều kiện ổn định của nền đất yếu dưới nền

đường đắp có thể nêu lên hai trường hợp mất ổn định thường gặp sau:
- Mất ổn định theo dạng phình trồi: đây là trường hợp nền đường chưa bị xố rảch nhưng bị
võng xuống và đẩy đất yếu phình lên hai bên chân ta ỉuy, như hình 1.2a. Với trường hợp này vùng
phá hoại (chứa các điểm mất ổn định) trong nền đất yếu đã xuất hiện nhưng chưa đạt tới mức có
thể gây ra một mặt trượt liên lục xé rách nền đất yếu và nền đường.


-5-

Ífìn/í 1.2. Các dạng mất ổn định của nền đường đắp trên nền đất yếu
(a - dạng phình trồi; b - dạng trượt trồi)
- Mất ển định theo dạng trượt trồi: trong trường hợp này đã xảy ra một mặt trượt liên tục làm
xé rách nền đường và đẩy đất yếu trượt trồi lên phía chân ta ỉuy, như hình 1.2b. Vùng phá hoại
trong nền đất yếu đã vượt quá mức giới hạn tương ứng cho ổn định tổng thể của nền đường trên
đất yếu. Nguy cơ mất ổn định càng lớn khi đất yếu phân bố ngay trên bề mặt thoáng và dễ xảy ra
trong và ngay sau quá trình đắp nền đường (khi đất yếu chưa kịp cố kết) [8], [9], Các tiêu chuẩn
trên thế giới đều đưa ra yêu cầu đầu tiên khi xây dựng nền đắp trên đất yếu là không được để xảy
ra mất ổn định. Vì đất yếu có độ bền thường nhỏ hơn nhiều so với đất đắp nền đường, nên khi đánh
giá mức độ ổn định tổng thể của nền đường trên đất yếu người ta thường dựa vào sức chịu tải - tải
trọng giới hạn của nền đất yếu dưới tác dụng của tải trọng nền đường đắp [5],
1.3. Tải trọng của nền đường đắp tác dụng lên nền đất tự nhiên.
Người ta thường tách riêng phần móng đặt trên nền đất tự nhiên để xem xét và gọi ứng suất
tiếp xúc hay ứng suất đáy móng là tải trọng trực tiếp tác dụng lên nền đất. Đối với nền đất tự nhiên
chịu tác dụng tải trọng nền đường đắp, thì tải trọng nền đường đắp được xem là tải trọng móng
mềm [2], [10], [11], [12], Trị số áp lực tại mỗi điểm trên mặt thoáng chính bằng trọng lượng cột
đất ở trên đó. Do nền đường đắp thường có chiều dài lớn hơn rất nhiều so với chiều rộng và nền
đất tự nhiên là bán không gian vô hạn, cho nên có thể xét bài toán phẳng để nghiên cứu. Khi đó tải
trọng nền đường đắp tác dựng lên nền đất, như hình 1.1 là tải trọng thẳng đứng (ứng suất đáy nền
đường đắp) phân bố có dạng hình thang, tức là hình dạng mặt cắt của nền đường.
1.4. Trạng thái ứng suất và tải trọng giói hạn của nền đất

1.4.1. Cân bằng đàn hồi và cân bằng dẻo


-61.4.1.1. Đất là vật liệu đàn - dẻo lý tưởng.
- Đe làm cơ sở cho sự phân tích ổn định của khối đất, đất được giả thiết có quan hệ giữa ứng
suất và biến dạng như hình 1.3 sau:
Khi chịu tải, quan hệ ứng suất ơ và biến dạng £ là tuyến tính trong phạm vi Oa và khi ứng
suất đạt đến trị số ứng với điểm a thì đường quan hệ ứng suất - biến dạng song song với trục biến
dạng (đường ab). Vật liệu có đặc tính như vậy được gọi là vật thể đàn - dẻo lý tưởng: giai đoạn đầu
là đàn hồi và sau là chảy dẻo (biến dạng dẻo).

Hình 1,3, Mô hình đàn - dẻo ỉỷ tưởng
Sự cân bằng của đất ứng xử trong giai đoạn đàn hồi gọi là sự cân bằng đàn hồi (cân bằng
bền). Sụ cân bằng với trạng thái ứng suất biến dạng ứng với điểm a (hoặc đoạn ab) trong hình là
sự cân bằng dẻo (cân bằng giới hạn).
- Theo thuyết bền Mohr - Coulomb đối với đất nêu lên rằng: “cường độ chống cắt của đất
tăng tuyến tỉnh vớì ứng suất pháp và đất tại một ncrí. nào đỏ trong khối đất sẽ bị phả hoại nếu
vòng tròn Mohr tại nơi ấy tiếp xúc với đường Coulomb của đắt”. Vòng ữòn Mohr tiếp xúc với
đường Coulomb được quy ước gọi là vòng fròn Mohr giới hạn. Một điểm nào đó ở trong nền đất
ở trạng thái cân bằng bền thì:
T Trong đỏ:
T, ơ - các thành phần ứng suất tiếp và ứng suất phảp trên mặt đang xét;
Ts - cường độ chống cắt của đất;
c, (p - lực dính đơn vị và góc ma sát trong của đát.
Ở trạng thái cân bằng gỉớỉ hạn thì:

í1*1)

-7T=Ts=ơtg(p + C

(1.2)

Như vậy, đất nền là đủ sức chịu tải thì các ứng suất phảt sinh trong nền đất dưới tác dụng của
tải trọng phải thỏa mãn được điều kiện bền Mohr - Coulomb như sau:


-8f(k) = T -Gtg(p-C < 0

(1.3)

với: f(k) - gọi là giá trị bền, giá trị này không thể lớn hơn 0, bởi vì khi f(k) = 0 thì điểm ở trong đất
đã bắt đầu mất ổn định.
Tuy vậy, theo thì điều kiện bền Mohr - Coulomb phù hợp với đất cát. Với đất sét, điều kiện
này áp dụng cũng tương đối phù hợp, nhưng phải xem xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng, mà
áp lực này lại là một hàm của thời gian, vì vậy cường độ chống cắt cũng là một hàm của thời gian.
- Theo lý thuyết đàn hồi, khi đất ứng xử trong giai đoạn đàn hồi, trạng thái ứng suất tại một
điểm nào đó trong khối đất (bài toán phẳng) được đặc trưng bằng ba thành phần ứng suất ơx, ơz,
Txz theo các phương trong hệ trục x0z, hình 1.4. Các thành phần ứng suất phải thoả mãn hai điều
kiện: điều kiện cân bằng tĩnh và điều kiện liên tục.

Hình 1.4. ửng suất tác dụng trên phân tố đất Từ điều kiện cân bằng
tĩnh ta có:
ổơ- ÔT

= 7 dz dx

dơr ỔT

2—^+—^ = 0
. Ổx õz
trong đó: y - ttọng lượng thể tích của đất. Từ điều kiện liên tục ta có:

(1.4)


-9v2(<7z+<7j = o

(1.5)

_ ô2 , ô2
~ ôx2 ôz2

2
Với: V - Toán tử Laplacce, V
2

=

- Khi đất ứng xử chảy dẻo, tức ở trạng thái cân bằng giới hạn các thành phần ứng suất thoả
mãn điều kiện cân bằng tĩnh (1.4) và điều kiện cân bằng giới hạn (điều kiện phá hoại Mohr Coulomb). Từ phương trình (1.3) biểu thị bằng các ứng suất ơx, ơz, Txz ta có:

+o\
Z

-2,

(l.ốa)

sincp-c.cos(p- 0

2
-

biên đôi phương trình (1.6a) được:
2
-crx)2 +4r
xz

(l.ốb)

2

k
Như vậy, dù phân tố đất tại điểm nào đó ở trạng thái cân bằng bền hoặc ở trạng thái cân
bằng giới hạn bài toán xác định ứng suất là tĩnh định: có đủ ba phương trình để xác định ba
thành phần ứng suất ơx, ơz, Txz. Sử dụng phương trình (1.4) và (1.5) để xác định ứng suất trong
khối đất đang ở trạng thái cân bằng bền, dùng phương trình (1.4) và (1.6a) hoặc (1.6b) để xác
định ứng suất và hệ thống mặt trượt ttong khối đất bị phá hoại.
I.4.I.2.

Đất là vật liệu cứng - dẻo lý tưởng.

Trong trường hợp giai đoạn đàn hồi rất ngắn, tức điểm a trong hình ttên xem như nằm trên
trục tung (trục ơ) hình 1.5a vật liệu được xem như cứng - dẻo lý tưởng. Khi ứng suất đạt đến độ
cứng của đất, đất bị phá hoại kiểu “giòn” và chuyển sang giai đoạn chảy dẻo hệ phương trình
(1.4) và (1.6a) hoặc (1.6b) để xác định thành phần ứng suất tại điểm đã bị phá hoại “giòn”.

ộ

E

0

£


10
Bình 1,5, Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng
(a - mô hình cứng - dẻo lý tưởng; b - mô hình biên dạng phi tuyên)
Mô hình cúng - dẻo lý tưởng không thích hợp với đất và hiện bị phê phán nhỉều. Tuy
nhiên, vẫn được dùng khỉ chỉ cần tính toán phân tích sự phá hoại đất vì tính toán đơn giản và
kết quả tính toán cũng phù hợp với thực nghiệm [12]. Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên
cứu xét đến tính biến dạng phỉ tuyến của đất, như hình 1.5b. Kết quả đạt được khá phù hợp với
cách ứng xử của nhiều loại đất.
1.4.2, Lý thuyết biến dạng tuyến tỉnh,
Lý thuyết biến dạng tuyến tính nghiên cứu cách ứng xử của đất khi đất còn làm việc trong
giai đoạn Oa, ở hình 1.3, giai đoạn biến dạng tuyến tính. Hệ phương trình cơ bản của ĩỷ thuyết
biến dạng tuyến tỉnh: Xét một phân tố đất tại điểm M trong khối đất trong hệ toạ độ Descartes,
như hình 1.4. Trạng thái ứng suất tại M được xác định bằng các thành phần ứng suất ơx, ơz, Txz
(xét trong bài toán phẳng) thoả mãn điều kiện cân bằng tĩnh, hệ phương trình (1.4).
Với điều kiện tương thích của biến dạng, các thành phần ứng ơx, ơz, Txz phải thoả mãn
phương trình (1.5).
Như vậy, ba phương trình có thể xác định được ba ẩn hàm ơx, ơz, Txz khỉ biết điều kiện
biên của bài toán. Điều kiện tăng tải một chiều, các bài toán đàn hồi, ví dụ bài toán Boussỉnesq,
bài toán Hamant, bài toán bàn nén... trong lý thuyết đàn hồi đều được ứng dụng trong cơ học
đất.
- Để xác định ranh giới của khu vực biến dạng dẻo, dựa vào đỉều kiện Mohr - Coulomb
(bài toán phẳng), từ phương trình (l.ốb) biến đồi ta được:

11
-

V(o\-o~J2+4r

2


(1.7)

vế phải của biểu thức (1.7) là biểu diễn góc lệch 0. Khi 0 = Y thì mọi điểm trong đất nằm
trên đuờng ranh giới của khu vực biến dạng dẻo và khu vực đàn hồi, khi 0 < Y thì thuộc khu
vực đàn hồi, khi 0 > Y thì thuộc khu vực biến dạng dẻo. Xét trường hợp một móng băng có
chiều rộng b, chiều sâu đặt móng h. Dưới đáy móng có tải trọng phân bố đều p tác dụng. Tải
trọng của lớp đất trong phạm vi chôn móng q = Y-h. Vì móng hình băng cho nên bài toán quy
về bài toán phẳng như hình 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ tinh toán của bài toán phẳng
Tại một điểm M ở độ sâu z, trên biên vùng biến dạng dẻo, ứng suất thẳng đứng ơ Z do
trọng lượng bản thân gây ra
ơ°=/(À + z)

(1.8)

ứng suất nằm ngang xo do trọng lượng bản thân gây ra
= k.ơz

(1.9)

trong đó: k - hệ số áp lực ngang.
Vì trạng thái cân bằng giới hạn của đất tưomg ứng với trạng thái dẻo của vật rắn, tức lúc
đó sự thay đổi hình dạng của vật không kèm theo sự thay đổi về thể tích, cho nên hệ số nở
hông V = 0,5 và như vậy hệ số áp lực ngang k=v/(l-v ) = 1,0. Dựa trên lập luận đó người ta giả
thiết một cách gần đúng rằng k = 1,0 và ơ ’ = ơ Z = (h + z).