Nghiên cứu giải pháp cải tạo đất yếu bằng xi măng có gia cường vải địa kỹ thuật để đắp đường
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.18 MB, 109 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------
NGUYỄN TẤN THÀNH
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI TẠO ĐẤT YẾU BẰNG
XI MĂNG CÓ GIA CƯỜNG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ
ĐẮP ĐƯỜNG.
Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số
: 60.58.02.11
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016.
Cơng trình được hồn thành tại : Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS Võ Phán
Cán bộ chấm nhận xét 1 : .......................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : .......................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày ….. tháng …… năm……
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm :
1. ...................................................
2. ...................................................
3. ...................................................
4. ...................................................
5. ...................................................
Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quan lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm
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 tên học viên: NGUYỄN TẤN THÀNH ............................... MSHV: 7140774
Ngày, tháng, năm sinh: 1979...................................................... Nơi sinh: Long An
Chuyên ngành: Địa Kỹ thuật Xây Dựng ................................... Mã số : 60.58.02.11
I. TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI TẠO ĐẤT YẾU BẰNG XI MĂNG CÓ GIA
CƯỜNG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ ĐẮP ĐƯỜNG.”
II. NỘI DUNG LUẬN VĂN:
Mở đầu
Chương 1 : Tổng quan về giải pháp cải tạo đất yếu bằng xi măng có gia cường vải
địa kỹ thuật.
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về ổn định trượt trong nền đắp đường.
Chương 3 : Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu đất trộn xi măng
trong phịng thí nghiệm.
Chương 4 : Tính tốn ổn định nền đường trước và sau khi gia cố xi măng kết hợp
vải địa kỹ thuật.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
: Ngày 18 tháng 01 năm 2016.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
: Ngày 17 tháng 06 năm 2016.
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
: PGS. TS. Võ Phán
Tp. HCM, ngày 17… tháng 06…năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
TRƯỞNG KHOA
PGS. TS. Võ Phán.
PGS. TS. Lê Bá Vinh.
PGS. TS. Nguyễn Minh Tâm.
i
LỜI CẢM ƠN
Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS. TS. Võ Phán đã tận tình
hướng dẫn, giúp học viên có được những định hướng tốt cho luận văn. Qua thầy, học
viên không những được truyền đạt kiến thức, mà còn học được phương pháp nghiên cứu,
phương pháp làm việc và cả nhiệt huyết trong nghề nghiệp.
Xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Địa Cơ Nền Móng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng –
Trường ĐH Bách Khoa TPHCM, đã truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện cho học viên sử
dụng phịng thí nghiệm.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đã cổ vũ, động viên và hỗ trợ học viên trong suốt
thời gian qua.
Xin kính chúc sức khỏe các thầy cơ!
Học viên
Nguyễn Tấn Thành.
ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn nghiên cứu khả năng cải tạo đất yếu khu vực tỉnh Trà Vinh bằng xi măng có
gia cường vải địa kỹ thuật. Sử dụng các thí nghiệm : cắt trực tiếp, nén đơn để xác định
hàm lượng xi măng thích hợp. Xi măng sử dụng loại PCB40, các hàm lượng xi măng
được xét đến : 6%, 8%, 10%. Ứng dụng của hỗn hợp vật liệu này vào đắp đường có gia
cường vải địa kỹ thuật tại Khu kinh tế Định An - Huyện Duyên Hải - Trà Vinh.
Abstract
Thesis research improvement of soft soil capabilities in Tra Vinh province by cement
mixing soil combine with geotextile. Using experiments: direct shear test, compression
test to determine the appropriate amount of cement. Cement used PCB40 types, the
cement content be taken into account: 6%, 8%, 10%. Application of the mixed material
in embankment of road have reinforcement geotextile in Dinh An economic zone –
Duyen Hai District - Tra Vinh.
iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết luận đưa ra trong luận văn này được thực hiện theo
phương pháp khoa học khách quan, không sao chép và có trích dẫn nguồn tài liệu đầy
đủ. Các thí nghiệm đều được thực hiện theo đúng tiêu chuẩn.
Học viên
Nguyễn Tấn Thành.
iv
MỤC LỤC
Mở đầu ............................................................................................................................ 1
1.
Đặt vấn đề nghiên cứu.......................................................................................... 1
2.
Mục đích nghiên cứu ............................................................................................ 1
3.
Phương pháp nghiên cứu...................................................................................... 2
4.
Ý nghĩa khoa học ................................................................................................. 2
5.
Giá trị thực tiễn .................................................................................................... 2
6.
Giới hạn của đề tài ............................................................................................... 2
Chương 1 Tổng quan về cải tạo đất yếu bằng xi măng có gia cường vải địa kỹ
thuật ............................................................................................................................. 3
1.1. Tổng quan về gia cường đất yếu bằng vải địa kỹ thuật ....................................... 3
1.2. Lợi ích khi sử dụng vải địa kỹ thuật .................................................................... 5
1.3. Các tiêu chuẩn thiết kế với vải địa kỹ thuật…….………………………………5
1.4. Tổng quan về gia cố đất yếu bằng xi măng………………………………….. .19
Chương 2 Cơ sở lý thuyết ổn định trượt trong nền đắp đường............................... 39
2.1 Cơ sở lý thuyết của ổn định mái dốc .................................................................. 39
2.1.1 Ổn định khơng thốt nước của mái dốc ............................................................ 39
2.1.2 Phương pháp mặt trược trụ tròn W.FELLENIUS ........................................ 40
2.1.3 Phương pháp mặt trược trụ tròn A.W.BISHOP ........................................... 44
Chương 3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu đất yếu trộn xi măng
trong phịng thí nghiệm .............................................................................................. 49
3.1 Nguyên vật liệu dùng trong thí nghiệm…………………………………. ……..49
v
3.1.1 Đất dùng trong thí nghiệm…………………………………………………....49
3.1.2 Xi măng dùng trong thí nghiệm ....................................................................... 49
3.2 Thí nghiệm cắt trực tiếp (TCVN 4199-2012). .................................................... 49
3.2.1 Mục đích thí nghiệm cắt trực tiếp ..................................................................... 50
3.2.2 Thiết bị thí nghiệm cắt trực tiếp ....................................................................... 50
3.23 Chế bị mẫu thí nghiệm cắt trực tiếp. ................................................................. 51
3.2.4 Thực hiện thí nghiệm cắt trực tiếp ................................................................... 54
3.2.5 Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp ....................................................................... 55
3.3 Thí nghiệm nén đơn (ASTM D2166).................................................................. 60
3.3.1 Mục đích thí nghiệm nén đơn .......................................................................... 60
3.3.2 Thiết bị thí nghiệm nén đơn ............................................................................ 61
3.3.3 Chế bị mẫu thí nghiệm nén đơn ....................................................................... 61
3.3.4 Thực hiện thí nghiệm nén đơn ......................................................................... 64
3.3.5 Kết quả thí nghiệm nén đơn ............................................................................. 64
Chương 4 Tính tốn ổn định nền đường trước và sau khi gia cố xi măng kết hợp
vải địa kỹ thuật ............................................................................................................. 72
4.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................... 72
4.2 Giới thiệu cơng trình ........................................................................................ 72
4.2.1 Vị trí cơng trình ............................................................................................. 73
4.2.2 Các thơng số kỹ thuật của cơng trình ........................................................... 73
4.2.3 Số liệu địa chất ............................................................................................. 75
4.2.4 Tải trọng tác dụng lên nền đường (22TCN 262 – 2000)…………………. 79
4.4 Tính tốn ổn định cho cơng trình đắp bằng đất tự nhiên………….....………80
4.4.1 Phân tích bằng phần mềm SLOPE/W…………..........................................80
vi
4.4.2 Phân tích bằng phần mềm Plaxis 8.5………...............................................81
4.5 Tính tốn ổn định cho cơng trình đắp bằng đất gia cường………………….83
4.5.1 Phân tích bằng phần mềm SLOPE/W …………………………................83
4.5.2 Phân tích bằng phần mềm Plaxis 8.5 ……………………………………..85
Kết luận và kiến nghị ................................................................................................... 88
Kết luận ....................................................................................................... ………..88
Kiến nghị .................................................................................................................... 89
vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Bố trí vải địa kỹ thuật giữa đất yếu và nền đắp………………………………8
Hình 1.2: Ảnh hưởng của loại ximăng đến cường độ soilcrete (Jacobson 2002).........23
Hình 1.3: Ảnh hưởng của loại ximăng đến cường độ soilcrete (Saitoh 1988 theo nguồn
The deep mixing method, CDIT 2002)..........................................................................24
Hình 1.4: Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ soilcrete (Tanetal, 2002
theo nguồn Kamruzzaman 2002)...................................................................................25
Hình 1.5: Ảnh hưởng của hàm lượng ximăng đến cường độ soilcrete (Đậu Văn Ngọ
2008)..............................................................................................................................26
Hình 1-6: Quan hệ giữa cường độ nén không nở hông với hàm lượng xi măng và thời
gian bảo dưỡng (Uddin et al., 1997 theo nguồn Kamruzzaman 2002)..........................27
Hình 1.-7: Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng đến cường độ Soilcrete ứng với các hàm
lượng ximăng khác nhau (Horpibulsuk et al 2003)……………………………………27
Hình 1.8: Ảnh hưởng loại đất sét ở Singapo đến cường độ soilcrete (Tanetal 2002)...28
Hình 1.9: Ảnh hưởng của loại đất đến cường độ soilcrete (Kaki và Yang 1991 theo
nguồn Kamruzzaman 2002)…………………………………………………………...29
Hình 1.9: Ảnh hưởng hàm lượng nước đến cường độ soilcrete (Tanetal2002)…….....30
Hình 1.10: Ảnh hưởng cường độ ban đầu của đất đến cường độ soilcrete (91 ngày
tuổi), (CIT1999 theo nguồn CDIT 2002)……………………………………………...31
Hình 1.11: Mối quan hệ giữa cường độ nở hông ở 28 ngày tuổi (kPa) với tỷ số N/XM
của mẫu đất xử lý xi măng (Jacobsonetal 2002)………………………………………31
Hình 1.12: Ảnh hưởng của hàm lượng hữu cơ trong đất đến cường độ soilcrete
(Huatetal-2005)………………………………………………………………………..33
Hình 1.13: Thiết bị cơng nghệ trộn nơng (www.raito.co.jp 2006).................................37
Hình1.4: Các dạng mẫu khoan (Geo-Con, Inc 1990)………………………………....37
Hình 2.1 : Cung trượt phân tích theo ứng suất tổng (φ u =0)…………………………...39
viii
Hình 2.2 : Ảnh hưởng của khe nứt căng trong phân tích ứng suất tổng ……………..40
Hình 2.3 : Phương pháp phân mảnh …………………………………………………..41
Hình 2.4 : Xét tác dụng của hoạt tải…………………………………………………..43
Hình 2.5 : Phân tích ổn định theo phương pháp A.W.BISHOP………………………44
Hình 2.6 : Các lực tác dụng lên điểm M trong nền đất………………………………..46
Hình 2.7 : Vịng trịn Mohr và đường bao sức chống cắt……………………………..46
Hình 2.8 : Vịng trịn Mohr của đất rời……………………………………………….47
Hình 2.9: Vịng trịn Mohr của đất dính………………………………………………48
Hình 3.1 : Máy trộn, hộp cắt và máy cắt trực tiep…………………………………….50
Hình 3.2 : Cân đất, xi măng…………………………………………………………...52
Hình 3.3 : Trộn đất – xi măng…………………………………………………………53
Hình 3.4 : Cho đất vào khn (a), bảo dưỡng mẫu cắt trực tiếp (b)…………………..54
Hình 3.5 : Hình dạng phá hoại mẫu cắt trực tiếp……………………………………...56
Hình 3.6 : Biểu đồ quan hệ góc ma sát trong và hàm lượng xi măng…………………57
Hình 3.7 : Biểu đồ quan hệ lực dính và hàm lượng xi măng………………………….58
Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xi măng tại cấp áp lực 200
Kpa……………………………………………………………………………………59
Hình 3.9 : Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xi măng tại cấp áp lực 100
Kpa…………………………………………………………………………………….59
Hình 3.10 : Biểu đồ quan hệ sức chống cắt theo hàm lượng xi măng tại cấp áp lực 50
Kpa…………………………………………………………………………………….60
Hình 3.11 : Thiết bị nén một trục ghi số liệu tự động tại phòng S8A-5T……………..61
ix
Hình 3.12 : Khn tạo mẫu nén đơn………………………………………………….63
Hình 3.13 : Bảo dưỡng mẫu nén đơn…………………………………………………64
Hình 3.14 : Một số hình dạng phá hoại điển hình của mẫu đất – xi măng khi nén
đơn…………………………………………………………………………………….67
Hình 3.15 : Biểu đồ quan hệ hàm lượng xi măng và sức kháng nén đơn q u …………69
Hình 3.16 : Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng xi măng và module E 50 ……………….70
Hình 4.2 : Đường khu vực huyện Duyên Hải – tỉnh Trà Vinh………………………72
Hình 4.2: Mặt cắt ngang điển hình của nền đường…………………………………...74
Hình 4.3 : Sơ đồ xác định hoạt tải xe…………………………………………………79
Hình 4.4 : Mơ hình bài tốn đắp bằng đất tự nhiên trong Geo Slope………………....80
Hình 4.5 : Kết quả bài tốn đắp bằng đất tự nhiên trong Geo Slope………………….81
Hình 4.6 : Mơ hình Plaxis khi đắp bằng đất tự nhiên………………………………....82
Hình 4.7 : Kết quả Plaxis khi đắp bằng đất tự nhiên………………………………….82
Hình 4.8 : Mơ hình bài tốn đắp bằng đất sau khi gia cố xi măng trong Geo Slope.....83
Hình 4.9 : Kết quả bài toán đắp bằng đất sau khi gia cố xi măng trong Geo Slope......83
Hình 4.10 : Mơ hình bài tốn đắp bằng đất sau khi gia cố xi măng kết hợp vải địa kỹ
thuật trong Geo Slope………………………………………………………………....84
Hình 4.11 : Kết quả bài toán đắp bằng đất sau khi gia cố xi măng kết hợp vải địa kỹ
thuật trong Geo Slope…………………………………………………………………84
Hình 4.12 : Mơ hình Plaxis khi đắp bằng đất gia cường xi măng…………………….85
Hình 4.13 : Kết quả Plaxis khi đắp bằng đất gia cường xi măng……………………..86
Hình 4.14 : Mơ hình Plaxis khi đắp bằng đất gia cường xi măng kết hợp vải địa kỹ
thuật…………………………………………………………………………………...86
Hình 4.15 : Kết quả Plaxis khi đắp bằng đất gia cường xi măngkết hợp vải địa kỹ
thuật…………………………………………………………………………………...87
xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 - Yêu cầu kỹ thuật của vải gia cường………………………………………..9
Bảng 1.2. Yêu cầu về chiều rộng chồng mí…………………………………………...17
Bảng 1.3: Các nhân tố ảnh hưởng đến cường độ Soilcrete (CDIT 2002)......................21
Bảng 3.1 : Các thông số cơ bản của loại đất dùng trong nghiên cứu………………….49
Bảng 3.2 : Thống kê số lượng mẫu chế bị dùng cho thí nghiệm cắt trực tiếp…………51
Bảng 3. 3 : Bảng tổng hợp góc ma sát trong của hốn hợp đất – xi măng……………..55
Bảng 3.4 : Bảng tổng hợp lực dính của hốn hợp đất – xi măng (Kpa)……………….55
Bảng 3.5 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 200 Kpa……………………..55
Bảng 3.6 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 100 Kpa……………………..56
Bảng 3.7 : Bảng tổng hợp sức chống cắt tại cấp áp lực 50 Kpa………………………56
Bảng 3.8 : Thống kê số lượng mẫu chế bị dùng cho thí nghiệm nén đơn…………….61
Bảng 3.9 : Thông số nén đơn của mẫu đất tự nhiên…………………………………..67
Bảng 3.10 : Bảng tổng hợp sức kháng nén đơn q u (kN/m2)…………………………..67
Bảng 3.11 : Bảng tổng hợp module E 50 (kPa)………………………………………...68
Bảng 3.12 : Bảng tổng hợp biến dạng phá hoại ε (%)………………………………...68
Bảng 3.13 : Bảng tổng hợp dung trọng của mẫu nén đơn γ (kN/m3)…………………68
Bảng 3.14 : Bảng tổng hợp độ ẩm của mẫu nén đơn W (%)………………………….68
Bảng 4.2 : Hệ số ổn định trượt của mái dốc đắp bằng đất gia cường theo Plaxis…….85
xii
CÁC KÝ HIỆU
A
m2
Diện tích tiết diện ngang
AL, AR
kPa
Hợp lực tác dụng của nước
A
m
Khoảng cách từ hợp lực nước bên ngoài tới tâm quay
B
m
Bề rộng các mảnh
C
kPa
Lực dính
cu
kPa
Lực dính trong điều kiện khơng cố kết, khơng thốt nước.
d
m
Khoảng cách từ trọng tâm khối trượt đến đường thẳng
đứng đi qua O
D
kPa
Ngoại lực tác dụng
E
m
Khoảng cách theo phương đứng từ trọng tâm phân tố đất
đến tâm trượt.
EL, ER
kPa
Lực tiếp tuyến bên trái và bên phải của mỗi phân tố đất.
Em
kPa
Module Young của nền
Ef
kPa
Module Young của sợi
E 50
kPa
Module Young 50
F
m
Khoảng cách từ tâm quay đến phương của lực pháp tuyến.
Hệ số ổn định trượt
[F], [FS]
Gm
kPa
Module cắt của nền
xiii
H
m
Chiều cao trung bình của mỗi phân tố đất
IP
%
Chỉ số dẻo
Km
Hệ số ổn định lấy theo điều kiện cân bằng mômen
Kf
Hệ số ổn định lấy theo điều kiện cân bằng lực
Kw
kN
Tải trọng động đất theo phương ngang
L AB
m
Chiều dài cung AB
L
m
Chiều dài sợi
N
kN
Tổng lực pháp tuyến tại đáy mặt trượt của phân tố
đất
qu
kPa
Cường độ nén đơn hay sức kháng nén một trục
R
m
Bán kính cung trượt
R
m
Khoảng cách các sợi
r
m
Bán kính sợi
s
kPa
Ứng suất cắt giới hạn tại điểm bất kỳ trên mặt trượt ở
trạng thái cân bằng giới hạn.
Sm
kN
Lực cắt di chuyển khi mặt trượt có hình dạng bất kỳ
u
kPa
Áp lực nước lỗ rỗng
W
%
Độ ẩm
W
kN
Trọng lượng mảnh trượt
xiv
W opt
%
Độ ẩm tối thuận cho đầm chặt
x
m
Khoảng cách theo phương ngang từ trọng tâm phân
tố đất đến tâm cung trượt.
XL, XR
kPa
Lực cắt bên trái và bên phải của mỗi phân tố đất
z0
m
Độ sâu khe nứt
α
(°)
Góc hợp giữa tiếp tuyến tại đáy mỗi mặt trượt với
phương nằm ngang.
β
m
Chiều dài đáy mặt trượt
φ
(°)
Góc ma sát trong
φu
(°)
Góc ma sát trong, trong điều kiện khơng cố kết,
khơng thốt nước
γ
kN/m3
Trọng lượng thể tích tự nhiên
γd
kN/m3
Trọng lượng thể tích khơ.
γ dmax
kN/m3
Dung trọng khơ lớn nhất
γw
kN/m3
Trọng lượng thể tích của đất ẩm
ε
%
Biến dạng thể tích
εm
%
Biến dạng của nền
σ
kPa
Ứng suất nén dọc trục
σf
kPa
Ứng suất dọc trục sợi
xv
σn
kPa
Ứng suất pháp giới hạn ở trạng thái cân bằng giới hạn
θ
(°)
Góc nhìn cung trượt ở tâm O
τ
kPa
Ứng suất tiếp.
ω
(°)
Góc nghiêng của tải trọng ngoài so với phương ngang.
dh :
(mm)
đường kính trung bình của lỗ thủng
hh:
(mm)
độ xun thủng lấy bằng dh
P
(kN)
áp lực do tải trọng bánh xe tác dụng ở cao trình lớp vải.
F
(kN/m)
lực giữ khối trượt của vải gia cường
F cp
(kN/m)
cường độ kéo cho phép của vải gia cường
F max
(kN/m)
cường độ chịu kéo đứt của vải; xác định theo
ASTMD4595
k
ll
hệ số an toàn
,
l2
(m)
chiều dài vải trong phạm vi vùng hoạt động
(m)
chiều dài vải trong phạm vi vùng bị động
γw
(kN/m3)
dung trọng đất đắp (kN/m3)
hi
(m)
chiều cao đất đắp trên vải gia cường
f’
4
f = tgϕ
9
hệ số ma sát tính tốn
xvi
I
Vùng hoạt động (khối trượt);
II
Vùng bị động (vùng vải địa kỹ thuật đóng vai trị neo giữ);
Y
(m)
Cánh tay địn của lực F đối với tâm trượt nguy hiểm nhất
R
(m)
Bán kính cung trượt nguy hiểm nhất
h
(m)
Chiều cao đất đắp
hi
(m)
Chiều cao lớp đất đắp thứ I
Wi
kN
trọng lượng của đất trong lăng thể trượt
Xi
(m)
cánh tay đòn của lực W i
Li
(m )
chiều dài cung trượt
k,
hệ số dự trữ về ma sát
φ
(°)
góc nội ma sát của lớp đất đắp
S*
kPa
sức chống cắt của hỗn hợp đất trộn xi măng
C xm
kPa
lực dính của đất sau khi goa cố xi măng
φ
(°)
góc ma sát trong của đất sau khi gia cố xi măng
τ
kN
lực gây trượt
σ
kN
lực chống trượt
σo
kN
tổng áp lực của τ và σ
qu
(kG/cm2).
Ứng suất kháng nén một trục của mẫu
P
(kG).
Áp lực lớn nhất tác dụng lên mẫu
A
(cm2)
Diện tích tiếp xúc của lực lên mẫu
1
MỞ ĐẦU
1.
Đặt vấn đề nghiên cứu
Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, nhu cầu phát triển về cơ sở hạ
tầng rất lớn và cấp thiết. Phần lớn các cơng trình được xây dựng trên nền đất hình thành
một cách tự nhiên trong những mơi trường khác nhau. Do nền đất tự nhiên nhiều khi
chưa đáp ứng được yêu cầu chịu tải, biến dạng lún và ổn định của các cơng trình nhưng
việc thay thế đất yếu đó bằng loại đất thích hợp thì lại rất tốn kém. Vì vậy, để tiết kiệm
chi phí, các giải pháp gia cường cho đất tự nhiên được nghĩ tới. Có rất nhiều phương
pháp đã được nghiên cứu : phương pháp làm chặt đất (đầm nén, giếng cát, bấc thấm),
phương pháp hóa học (xi măng, silicat hóa), phương pháp nhiệt học, phương pháp sinh
học (sử dụng vi sinh vật)…mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng
khác nhau.
Tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long, các cơng trình giao thơng đường bộ đều được
đắp bằng đất yếu tại chỗ, do không đủ thời gian cố kết nên rất dễ bị trượt, lở do tải
trọng bản thân, mưa lũ. Do đó, tác giả tiến hành : “Nghiên cứu giải pháp cải tạo đất
yếu bằng xi măng có gia cường vải địa kỹ thuật để đắp đường” với mong muốn
chứng minh xi măng đất gia cường vải địa kỹ thuật có khả năng làm cho đất yếu tốt
hơn từ đó có thể mở ra một khả năng mới sử dụng vật liệu xi măng và vải địa kỹ thuật
để đắp đất cho cơng trình nền đường giải quyết đồng thời ba bài tốn : kỹ thuật, kinh
tế, mơi trường.
2.
Mục đích nghiên cứu
Xác định hàm lượng xi măng thích hợp để xử lý đất yếu cho các cơng trình đắp.
Đánh giá tính ổn định của hỗn hợp đất tự nhiên – xi măng .
Đề xuất đắp đường với chiều cao đắp thích hợp với hỗn hợp đất tự nhiên – xi măng.
Khi trộn đất với ximăng làm tăng tăng cường độ của đất.
Vải địa kỹ thuật gia cường với các lớp đất trộn xi măng tăng tính chống trượt ổn định
nền đường đắp.
2
3.
Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên lý thuyết bền của Morh – Coulumb, thuyết cân bằng theo Morh – Rankin,
thuyết ổn định mái dốc theo mặt trượt của Fellenius, Bishop, thực hiện các thí nghiệm
trong phịng : nén đơn, cắt trực tiếp với các hàm lượng xi măng và đất. Dùng phần
mềm Geo Slope và Plaxis để mô phỏng và so sánh với kết quả giải tích.
4.
Ý nghĩa khoa học
Đánh giá được cường độ của hỗn hợp đất-xi măng.
Khẳng định được chức năng gia cường hiệu quả của vải địa kỹ thuật.
Đánh giá được cường độ đất.
5.
Giá trị thực tiễn
Làm tăng cường độ của đất đắp, ổn định nền đường.
Tiết kiệm được chi phí khi xây dựng đường giao thơng nơng thôn.
6.
Giới hạn của đề tài
Như ta đã biết, đất là một loại vật chất khơng đồng nhất và có tính chất phức tạp, ứng
xử của đất đa dạng, vì thế với mỗi loại đất khác nhau thì đất thể hiện những tính chất
khác nhau. Đề tài chỉ nghiên cứu cụ thể cho một loại đất yếu .
Đề tài chỉ nghiên cứu được phần cường độ còn phần ứng xử của vật liệu này trong nền
hỗn hợp (cố kết, tính thấm) thì chưa được đề cập.
Các biến số trong bài tốn thực nghiệm này cịn hạn chế, ví dụ như : vải địa kỹ thuật,
các loại vải địa kỹ thuật khác nhau, công nghệ trộn xi măng – đất…
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CẢI TẠO ĐẤT YẾU BẰNG XI MĂNG
CÓ GIA CƯỜNG VẢI ĐỊA KỸ THUẬT
1. Tổng quan về gia cường đất yếu bằng vải địa kỹ thuật cho việc đắp
đường.
1.1 Vải địa kỹ thuật
Vải địa kỹ thuật được chế tạo từ những sản phẩm phụ của dầu mỏ, từ một hoặc
hai loại polymer (polyamide) như polyester hoặc polypropylen. Tùy theo hợp chất
và cách cấu tạo, mỗi loại vải địa kỹ thuật có những đặc tính cơ lý hóa như sức chịu
kéo, độ dãn, độ thấm nước, môi trường thích nghi v.v…khác nhau. Nói chung, vải
polyester tốt hơn vải polypropylene, còn vải polyamide ở giữa hai loại vải trên.[1]
1.1 Phân loại vải địa kỹ thuật
Vải địa kỹ thuật được chia làm ba nhóm chính dựa theo cấu tạo sợi: dệt, khơng
dệt và vải địa phức hợp.
- Nhóm dệt gồm những sợi được dệt ngang dọc giống như vải may, như vải
địa kỹ thuật loại dệt polypropylen. Biến dạng của nhóm này thường được thí
nghiệm theo hai hướng chính: hướng dọc máy, viết tắt MD (manchine direction) và
hướng ngang máy, viết tắt CD (cross manchine direction). Súc chịu kéo theo hương
dọc máy bao giờ cũng lớn hơn sức chịu kéo theo hướng ngang máy. Vải dệt thông
thường được ứng dụng làm cốt gia cường cho các công tác xử lý nền đất khi có u
cầu.
- Nhóm khơng dệt gồm những sợi ngắn và sợi dài liên tục, không theo hướng
nhất định nào, được liên kết với nhau bằng phương pháp hóa (dùng chất dính), hoặc
nhiệt (dùng sức nóng) hoặc dùng cơ (dùng kim dùi).
- Nhóm vải phức hợp là loại vải kết hợp giữa dệt và không dệt. Nhà sản xuất
may những bó sợi chịu lực (dệt) lên trên nền vải khơng dệt để tạo ra sản phẩm có đủ
các chức năng của vải dệt và không dệt.[1]
4
1.2 Ứng dụng của vải địa kỹ thuật
Trong giao thông, vải địa kỹ thuật có thể làm tăng độ bền, tính ổn định cho các
tuyến đường đi qua những khu vực có nền đất yếu như đất sét mềm, bùn, than
bùn…Trong thủy lợi, dùng che chắn bề mặt vách bờ bằng các ống vải địa kỹ thuật
độn cát nhằm giảm nhẹ tác động thủy lực của dòng chảy lên bờ sơng. Cịn trong xây
dựng, dùng để gia cố nền đất yếu ở dạng bấc thấm ứng dụng trong nền móng…
Dựa vào mục đích, cơng dụng chính, người ta chia vải địa kỹ thuật làm 3 loại:
phân cách, gia cường, tiêu thoát và lọc ngược.[1]
1.2.1 Chức năng phân cách
Các phương pháp thơng thường để ổn định hóa lớp đất trên nền đất yếu bão
hòa nước là phải tăng thêm chiều dày đất đắp để bù vào lượng đất bị mất do lún
chìm vào nền đất yếu trong q trình thi cơng. Mức độ tổn thất có thể hơn 100% đối
với đất nền có CBR (chỉ số biểu thị sức chịu tải của đất và vật liệu dùng trong tính
tốn thiết kế kết cấu của áo đường theo phương pháp của AASHTO.) nhỏ hơn 0,5.
Việc sử dụng loại vải địa kỹ thuật thích hợp đặt giữa đất yếu và nền đường sẽ ngăn
cản sự trộn lẫn của hai loại đất. Vải địa kỹ thuật phân cách ngăn ngừa tổn thất đất
đắp và vì vậy tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng. Ngồi ra, Vải địa kỹ thuật cịn
ngăn chặn khơng cho đất yếu thâm nhập vào cốt liệu nền đường nhằm bảo tồn các
tính chất cơ lý của vật liệu đắp và do đó nền đường có thể hấp thụ và chịu đựng một
cách hữu hiệu toàn bộ tải trọng xe.[1]
1.2.2
Chức năng gia cường
Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe khả năng chịu tải của nền đường có vải
địa kỹ thuật chủ yếu là do chức năng phân cách (nhằm duy trì chiều dài thiết kế và
tính tốn cơ học ban đầu của các lớp cốt liệu nền móng đường) hơn là chức năng gia
cường chịu kéo của kết cấu.
Trong trường hợp xây dựng đê, đập hay đường dẫn vào cầu có chiều cao đất
đắp lớn, có thể dẫn đến khả năng trượt mái hoặc chuyển vị ngang của đất đắp, vải
địa kỹ thuật có thể đóng vai trị cốt gia cường cung cấp lực chống trượt theo phương
5
nằm ngang nhằm gia tăng ổn định của mái dốc. Trong trường hợp này vải địa kỹ
thuật có chức năng gia cường.[1]
1.2.3
Chức năng tiêu thoát/ lọc ngược
Đối với các nền đất yếu có độ ẩm tự nhiên lớn và độ nhạy cảm cao. Vải địa kỹ
thuật có thể làm chức năng thốt nước nhằm duy trì và thậm chí gia tăng cường độ
kháng cắt của đất nền và do đó làm gia tăng khả năng ổn định tổng thể của cơng
trình theo thời gian. Vải địa kỹ thuật loại khơng dệt, xun kim có chiều dày và tính
thấm nước cao là vật liệu có khả năng tiêu thốt tốt, cả theo phương đứng (thẳng
góc với mặt vải) và phương ngang (trong mặt vải) . Vì thế, loại vải địa kỹ thuật này
có thể làm tán nhanh chống áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong q trình thi cơng
cũng như sau khi xây dựng và dẫn đến sức kháng cắt của nền đất yếu sẽ được gia
tăng. Trong các công trình thủy cơng, vải địa kỹ thuật làm lớp lọc ngược của các
cơng trình sau bến, tường chắn…
Hai tiêu chuẩn để đánh giá về đặc trưng lọc ngược là khả năng giữ đất và hệ số
thấm của vải. Vải địa kỹ thuật phải có kích thước lỗ hỏng đủ nhỏ để ngăn chặn
không cho các hạt đất cần bảo vệ đi qua đồng thời kích thước lỗ hỏng cũng phải đủ
lớn để có khả năng thấm nước bảo đảm cho áp lực nước lỗ rỗng được tiêu tán
nhanh.[1]
1.3
Lợi ích khi sử dụng vải địa kỹ thuật
Sử dụng vai địa kỹ thuật có các lợi ích sau đây:
- Cho phép tăng cường lớp đất bằng việc tăng khả năng tiêu thoát nước.
- Giảm chiều sâu đào vào các lớp đất yếu.
- Giảm độ dốc lớp đất đắp yêu cầu và tăng tính ổn định của chúng.
- Giữ được độ lún đều của các lớp đất, đặc biệt trong vùng chuyển tiếp.
- Cải thiện các lớp đất đắp và kéo dài tuổi thọ cơng trình.
1.4 Các tiêu chuẩn thiết kế với vải địa kỹ thuật
Việc lựa chọn vải dựa vào các tiêu chuẩn chính sau:
1.4.1
Vải có khả năng chống hư hỏng trong thi công và lắp đặt
6
Để có khả năng phân cách hiệu quả, vải địa kỹ thuật đảm bảo khơng bị chọc
thủng trong q trình thi công cũng như bị thủng bởi các lớp vật liệu sắc cạnh như
sỏi, đá và vật cứng xuyên thủng, hoặc lớp đất không đủ dày trong khi đổ đất. Với
trường hợp sau, chiều dày thiết kế tối thiểu của lớp đất đắp cần phải duy trì trong
suốt quá trình thi công. Để ngăn ngừa vải bị chọc thủng trong thi cơng, người ta
thường tính tốn các thơng số sau để xác đinh tính kháng chọc thủng sau:
- Chiều dày lớp đất đắp đầu tiên trên mặt vải, phụ thuộc vào gia trị CBR của
đất nền bên dưới lớp vải địa kỹ thuật.
Sự hiện hữu của vật cứng, sỏi, đá trong đất đắp đặc biệt là đối với đất lẫn
san sỏi.
-Loại thiết bị thi cơng, tải trọng và diện tích tiếp xúc của bánh xe và từ đó
gây ra áp lực tác dụng tại cao trình mặt lớp vải.
+ Lực kháng xuyên thủng của vải địa kỹ thuật có thể xác định theo điều kiện
cân bằng lực:
Fvert = π .d h .hh .P
Hoặc có thể xác định bằng lực kháng xuyên thủng theo phương pháp
AASHTO
Từ các công thức về cường độ CBR của nền, áp lực tác dụng của bánh xe và
chiều dày lớp đất đắp sau khi đầm nén sẽ xác định được yêu cầu về độ bền của vải
thuộc loại cao (H) hay trung bình (M). Từ mức độ yêu cầu về độ bền (H hoặc M),
người ta có thể chọn cường độ kháng chọc thủng yêu cầu.
+ Xác định khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật theo cường độ vải
Vải địa kỹ thuật đảm bảo khả năng chịu kéo của vải theo cường độ vải khi
Fmax
F ≤ Fcp =
k
+ Xác định khả năng chịu kéo của vải theo điều kiện ma sát
Vải địa kỹ thuật đảm bảo khả năng chịu kéo theo điều kiện ma sát khi
l1
F ≤ FCP =
∑ γ whi f '
0
7
l2
F ≤ FCP =
∑ γ w hi f '
0
1.4.2
Vải có các đặc tính thích hợp về lọc ngược và thốt nước
Hai tiêu chuẩn để đánh giá về đặc trưng lọc ngược là khả năng giữ đất và hệ số
thấm của vải. Vải địa kỹ thuật cần phải có kích thước lỗ hỏng đủ nhỏ để ngăn chặn
không cho các loại hạt đất cần bảo vệ đi qua, đồng thời kích thước lỗ hỏng cũng
phải đủ lớn để có khả năng thấm nước bảo đảm cho áp lực nước kẽ rỗng được tiêu
tán nhanh.
1.4.3
Độ bền cao khi tiếp xúc với ánh sáng
Tất cả các loại vải địa kỹ thuật đều bị phá hủy khi phơi dưới ánh nắng mặt trời. Do
trong quá trình xây dựng vải địa kỹ thuật bị phơi trong một thời gian dài dưới ánh
sáng nên cần sử dụng loại vải có độ bền cao khi tiếp xúc với ánh sáng. Nói chung,
vải địa kỹ thuật khơng nên để phơi trực tiếp dưới ánh sáng mặt trời quá 03 ngày.
[1]
Vải làm cốt gia cường
Nguyên tắc thiết kế[2]
Vải gia cường có thể bố trí một hoặc nhiều lớp. Nếu bố trí nhiều lớp thì khoảng
cách giữa các lớp phải bằng bội số của chiều dày lớp đắp.
Chiều rộng vải gia cường khi thiết kế phải lớn hơn chiều rộng của nền đường mỗi
bên, đảm bảo để cuốn phủ lên lớp đắp thứ nhất trên nó và nằm dưới lớp đắp tiếp
theo không nhỏ hơn 1,0 m.
Nếu vải gia cường có kết hợp chức năng phân cách và thốt nước cho nền đất yếu
thì nên chọn loại vải phức hợp.
Cần hạn chế đến mức ít nhất số lượng mối nối trên phương chịu lực chính của vải
gia cường.
Xác định các thơng số liên quan đến vải gia cường khi tính toán ổn định trượt
nền đường đắp trên đất yếu[2]
Các yêu cầu về ổn định
