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

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP VÀO ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG
VỚI KÍCH THƯỚC TỐI ƯU NHẤT
APPLICATION COUNTERWEIGHT BERM THE ROADBED STABILITY
WITH OPTIMAL SIZE
PGS. TS. Võ Phán, KS. Trần Đức Thưởng
Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
TĨM TẮT
Nước ta có nhiều vùng lãnh thổ thành tạo từ đất yếu, đặc biệt là các vùng ở Đồng
bằng sơng Cửu Long. Sự mất ổn định gây hư hỏng nền đường đắp vẫn xảy ra trên
những vùng đất yếu này, có nhiều biện pháp để xử lý vấn đề trên, trong đó, sử
dụng bệ phản áp cũng là một trong những giải pháp đó. Ưu điểm của bệ phản áp
là phân bố lại ứng suất trong nền, đảm bảo ổn định, chống trượt trồi, và hạn chế
mức độ chuyển vị ngang của nền đất yếu dưới cơng trình nền đắp cao.

ABSTRACT
Our country has many regions formed from soft soil, especially in the areas of the
Mekong Delta. Instability damage persists embankment on soft soil areas, there
are many ways to handle this problem, which, using counterweight berm is one
such solution. The advantage of counterweight berm is redistribution of stresses in
the background, ensuring a stable, non-slip extrusion, and limit the extent of the
horizontal displacement of soft ground under high embankment works.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của đất nước, mạng lưới
đường giao thơng 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 sơng Cửu Long. Vùng này dân cư đơng 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 ngun 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 ngun 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 tốn để
đảm bảo chất lượng và tiến độ thi cơng 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
cơng nghệ thi cơng đơn giản và tận dụng được vật liệu tại chỗ. Do đó, có thể dùng cách
tính tốn mới về tải trọng giới hạn của nền đất chịu tải trọng móng mềm để khảo sát ảnh
hưởng của bệ phản áp, hợp lý hóa thiết kế kích thước. Từ những vấn đề nêu trên đặt ra
việc nghiên cứu tính tốn 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
392

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

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.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
¾ Cơ sở lý thuyết: Khảo sát quan hệ giữa tải trọng giới hạn của nền đất yếu với
tải trọng bệ phản áp. Nghiên cứu tải trọng bệ phản áp làm tăng tải trọng giới hạn của
nền đất yếu dưới tải trọng nền đường đắp. Nghiên cứu bệ phản áp rộng vơ hạn để làm
tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu dưới nền đường đắp. Tính tốn bệ phản áp trên
ngun lý làm tăng độ chơn sâu của nền đắp. Tính tốn bệ phản áp theo dạng làm xoải
taluy nền đường đắp.
¾ Tính tốn và mơ phỏng: Sử dụng phần mềm Geo Slope/W Ver2007 để tính
tốn ổn định trượt cho cơng trình đắp bằng việc gia cố bệ phản áp. Dựa vào kết quả mơ
phỏng, kiến nghị chiều cao và chiều rộng bệ phản áp là tối ưu nhất.
3. ỨNG DỤNG BỆ PHẢN ÁP VÀO TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG

3.1. Cấu tạo bệ phản áp
3.1.1. Bệ phản áp trên ngun lý làm tăng độ chơn sâu của nền đắp
Ngun lý của phương pháp tính tốn kích thước bệ phản áp là làm phân bố lại
ứng suất tác dụng lên nền đất và đã được áp dụng trong tính tốn các cơng trình thực tế.
L

B

L
qH
q pa

H

q tt

hpa

q pa

Hình 1. Bệ phản áp theo sơ đồ làm tăng độ chơn sâu nền đường
3.1.2. Bệ phản áp theo dạng làm xoải taluy nền đường đắp

Hnd

H'nd

Trường hợp này thường dùng cho nền đắp có dạng gần với tải trọng phân bố
hình tam giác. Tải trọng nền đắp thường phân bố theo dạng hình thang cân, để đơn giản
trong tính tốn có thể đưa về dạng phân bố tam giác cân bằng một diện tích tương

đương có cùng bề rộng đáy.

b(pa)

b
b'

b(pa)

b
b'

Hình 2. Bệ phản áp theo sơ đồ làm xoải chân taluy nền đường
VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

393


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

3.2. Tính tốn ổn định cho tuyến đường quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang
Để tiến hành phân tích vai trò của bệ phản áp đối với cơng trình đắp, chúng tơi
chọn lựa các đặc trưng cơ lý đất nền để tính tốn theo bối cảnh thực tế của cơng trình ở
khu vực, đó là quốc lộ 61B, tỉnh Hậu Giang.
Kích thước của khối đắp được tham khảo theo mặt cắt ngang đại diện đường cao
tốc của khu vực. Ở đây, nền đắp có bề rộng ở mặt 2a = 24 m, chiều cao quy đổi là 3,0
m; độ dốc mái taluy 1:2 tương đương với bề rộng ở chân 2b=38 m. Vật liệu đắp bằng
cát đầm chặt với các thơng số như sau: dung trọng γ=19 kN/m3, c ≈ 0, ϕ = 350. Kết quả
khảo sát và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý lớp đất yếu được thể hiện ở bảng 1
(CH) xám xanh đến xám đen, lẫn ít hữu cơ, vỏ sò và cát mịn. Lớp này gặp trong tất cả

các lỗ khoan. Độ sâu đáy lớp thay đổi từ 13,8 m đến 14,2 m. Cao độ đáy lớp biến đổi từ
-14,2 m đến -9,3 m.
Bảng 1. Các chỉ tiêu cơ lý trung bình của lớp bùn sét.
Các chỉ tiêu

Đơn vị

Giá trị trung bình

Hàm lượng % hạt cát

(%)

2,0

Hàm lượng % bột và sét

(%)

98,0

Độ ẩmW

(%)

82,4

(g/cm3)

1,51

Tỷ trọng hạt Gs

-

2,69

Hệ số rỗng eo

-

2,104

Giới hạn chảy LL

(%)

88,8

Giới hạn dẻo PL

(%)

32,9

(%)

0,86

độ

5004’

Lực dính c (cắt phẳng)

kG/cm2

0,073

Cường độ kháng cắt cuu (Nén 3 trục UU)

kG/cm2

0,19

Chỉ số nén Cc

-

1,020

Chỉ số nở Cs

-

0,167

Hệ số thấm K (cm/s) x 10-6 (từ thí nghiệm thấm hiện trường)

-

3,81

Khối lượng thể tích ρ

Độ sệt IL
o

Góc ma sát trong ϕ (cắt phẳng)

3.2.1. Xác định kích thước ban đầu của bệ phản áp
Độ ổn định của cơng trình đắp thường được đánh giá thơng qua hệ số ổn định
bằng phương pháp cung trượt lăng trụ tròn. Nhờ sự trợ giúp của phần mềm Geoslope
trên cơ sở phương pháp phân mảnh cổ điển, kết quả tính tốn hệ số ổn định có xét đến
394

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

sự gia tăng của sức chống cắt khơng thốt nước theo độ sâu từ kết quả cắt cánh hiện
trường cho thấy khi khơng có bệ phản áp, cơng trình bị mất ổn định do trượt sâu với hệ
số ổn định Kmin = 0,815 < 1,2 (hình 3). Phạm vi cung trượt trong trường hợp này khoảng
2,0 m ngồi mép taluy.

Hình 3. Hệ số ổn định của nền đắp có H=3,0 m theo phương pháp cung trượt lăng trụ
tròn khi khơng có bệ phản áp
Khi khơng có bệ phản áp, với chiều cao đắp khá lớn (H=3,0 m), nền đất yếu
khơng đủ khả năng chịu tải. Vùng biến dạng dẻo (vùng mức độ tiếp cận trạng thái giới

hạn ω ≥ 1) hình thành bên dưới taluy khối đắp đến độ sâu 10,0 m trong đất nền.

Hình 4. 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=1,0 m & bpa=5,0 m).
VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

395


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Chiều rộng bệ phản áp (bpa) theo các tài liệu đã có được xác định căn cứ vào
phạm vi tồn tại mặt trượt nguy hiểm do tải trọng cơng trình đắp gây ra khi chưa bố trí bệ
phản áp. Trong trường hợp này bề rộng bệ phản áp được chọn sơ bộ là bpa = 2+3 = 5,0
m. Khi bố trí bệ phản áp với các thơng số về kích thước là (h=1 m, bpa= 5 m) với sức
chống cắt khơng thốt nước được lấy bằng 8,081 kN/m2 từ bề mặt tăng tuyến tính đến
35,8 kN/m2 ở độ sâu 14m, hệ số ổn định của hệ sẽ có giá trị Κmin =1,115 (hình 4).
Như vậy, khi có bố trí bệ phản áp với kích thước bệ phản áp hpa=1,0 m và
bpa=5,0 m, khả năng chịu tải của nền đất yếu tăng lên 37% khi có sử dụng bệ phản áp.
3.2.2. Phân tích ảnh hưởng của bệ phản áp lên mức độ ổn định của cơng trình theo
mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn và chọn lựa kích thước bệ phản áp hợp lý
Để xác định nhanh kích thước tối ưu của bệ phản áp, điều cần thiết là phải thiết lập
được mối tương quan giữa vùng biến dạng dẻo dưới nền đường đắp và hệ số ổn định
tương ứng bằng phương pháp cung trượt lăng trụ tròn. Chọn phương pháp thử dần các
kích thước của bệ phản áp theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn của vùng nền dưới
cơng trình đắp do phương pháp này cho kết quả trực quan và rõ ràng.
Đây là đề tài nghiên cứu thực hiện nhằm mục đích tìm kiếm kích thước bệ phản áp
hợp lý nên hàng loạt tính tốn được thực hiện để so sánh và phân tích. Giá trị hệ số ổn
định được tổng hợp thể hiện ở bảng 2.
Bảng 2. Các hệ số ổn định Κmin theo các kích thước bệ phản áp thay đổi.

hpa
(m)
0,80
1,0
1,20
1,40
1,60
1,80

5,0
1,044
1,060
1,069
1,075
1,077
1,076

5,5
1,064
1,081
1,094
1,103
1,107
1,094

Bề rộng bệ phản áp (m)
6,0
7,0
7,5
1,046

1,145
1,040
1,069
1,188
1,186
1,134
1,222
1,218
1,147
1,232
1,221
1,156
1,235
1,225
1,140
1,229
1,182

8,0
1,035
1,183
1,210
1,224
1,230
1,216

9,0
1,223
1,212
1,308

1,326
1,330
1,315

Ngồi ra, kết quả tính tốn cho thấy với bề rộng bệ phản áp lớn (≥7,0 m) chiều
cao bệ phản áp 1,2 m thì độ chênh lệch tải trọng giữa khối đắp và bệ phản áp lớn hơn
giá trị giới hạn chịu tải thì hệ số Κmin>1,2. Tức là chiều cao bệ phản áp có thể tính tốn
giảm hơn nhưng vẫn đảm bảo điều kiện ổn định. Theo tính tốn, kích thước bệ phản áp
tối ưu nhất cho cơng trình với chiều cao hpa=1,2 m và chiều rộng bpa=7,0 m.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận
1. Bệ phản áp có đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố lại ứng suất trong
nền, đảm bảo điều kiện ổn định, làm giảm độ lún, chống trượt trồi và hạn chế mức độ
chuyển vị ngang của nền đất yếu dưới cơng trình nền đắp cao.

396

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

2. Thực tế xây dựng nền đường cho thấy bệ phản áp được sử dụng nhiều để tăng
cường ổn định cho nền đường đắp, đặc biệt là tăng tải trọng giới hạn của nền đất yếu,
trong khi đó phương pháp tính tốn còn bỏ ngỏ. Do đó, cần sử dụng thêm về trạng thái
ứng suất nền đất tự nhiên dưới tải trọng của nền đất đắp và bệ phản áp.
3. Chiều cao bệ phản áp thường được lấy bằng - 1/3 – 1/2 chiều cao nền đường
và đảm bảo chiều cao này ổn định. Do đó, tổng chiều cao của nền đường đắp có dùng bệ
phản áp khơng được lớn hơn 1,6 – 2 lần chiều cao giới hạn mà nền đất yếu chịu được.
Chiều cao bệ phản áp khơng được lớn hơn giới hạn cho phép mà nền đất tự nhiên chịu

được. Chiều rộng bệ phản áp do tính tốn xác định khơng được bé hơn 2/3 – 3 /4 chiều
dài trồi.
4.2. Kiến nghị
Từ kết quả nghiên cứu và phân tích trên có thể đưa ra những kiến nghị một số
phương hướng nghiên cứu phát triển như sau:
™ Trong trường hợp chiều cao đắp lớn hơn 2 lần chiều cao đắp giới hạn của nền
đất yếu, có thể sử dụng bệ phản áp nhiều tầng. Ngun tắc xác định chiều cao
và bề rộng tương tự như phương pháp nêu trên.
™ Bệ phản áp chỉ được sử dụng cho những nền đường có diện tích hai bên
đường rộng, để khơng ảnh hưởng đến q trình lưu thơng xe, khơng ảnh
hưởng đến người dân ở xung quanh cơng trình đó. Vật liệu sử dụng để làm bệ
phản áp ở khu vực đó phải dồi dào, dễ vận chuyển và thi cơng cho cơng trình.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tiêu chuẩn Bộ Giao thơng vận tải, Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ơ tơ đắp trên đất
yếu – Tiêu chuẩn thiết kế: 22TCN262-2000.
2. Châu Ngọc Ẩn, Cơ học đất, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004.
3. Võ Phán (2011), “Bài giảng cơng trình trên nền đất yếu”, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí
Minh.
4. Võ Phán, Phan Lưu Minh Phượng (2011), “Cơ học đất”, NXB Xây dựng, (2011).
5. Bùi Trường Sơn, Nguyễn Quốc Phong. Tác dụng của bệ phản áp lên độ ổn định của nền đất
yếu dưới cơng trình đắp theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn, Tuyển tập kết quả khoa
học cơng nghệ 2009, NXB Nơng nghiệp, trang 669-676.

Người phản biện: GS. TSKH. Nguyễn Văn Thơ

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

397