Phân tích tác dụng của bệ phản áp lên độ ổn định của nền đường đắp theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn và khả năng giảm độ lún lệch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----š&›-----

NGUYỄN QUỐC PHONG

PHÂN TÍCH TÁC DỤNG CỦA BỆ PHẢN ÁP LÊN ĐỘ
ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP THEO MỨC ĐỘ
TIẾP CẬN TRẠNG THÁI GIỚI HẠN VÀ KHẢ NĂNG
GIẢM ĐỘ LÚN LỆCH

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số ngành:

60. 58. 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2009


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày..........tháng..........năm 2009


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày
tháng năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN QUỐC PHONG
Ngày, tháng, năm sinh: Ngày 26 tháng 01 năm 1975
Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Khố (năm trúng tuyển): 2007

Giới tính: Nam
Nơi sinh: Thừa Thiên Huế
MSHV: 00907779

1- TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH TÁC DỤNG CỦA BỆ PHẢN ÁP LÊN ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG
ĐẮP THEO MỨC ĐỘ TIẾP CẬN TRẠNG THÁI GIỚI HẠN VÀ KHẢ NĂNG GIẢM
ĐỘ LÚN LỆCH
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
2.1 NHIỆM VỤ
Đánh giá sự phân bố độ lún của nền cơng trình khi khơng có và khi có bệ phản áp, từ đó
làm rõ vai trị và chọn lựa kích thước bệ phản áp hợp lý. Đánh giá mức độ ổn định của nền
đất xử lý bệ phản áp bằng phương pháp cung trượt lăng trụ tròn và sự phân bố vùng nguy
hiểm theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn. Kết quả phân tích tổng hợp độ ổn định và
phân bố biến dạng cho phép chỉ ra kích thước bệ phản áp hợp lý.
2.2 NỘI DUNG
Chương 1. Biện pháp xử lý nền đất yếu khi xây dựng cơng trình đường
Chương 2. Cơ sở tính tốn ổn định của cơng trình nền đường đắp
Chương 3. Phân tích ảnh hưởng của bệ phản áp lên độ ổn định của nền đường đắp theo
mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn và khả năng giảm độ lún lệch.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

ngày……tháng .......năm 2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

ngày……tháng .......năm 2009

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MƠN QL CHUN NGÀNH

TS. BÙI TRƯỜNG SƠN

TS. VÕ PHÁN


LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp này được hoàn thành không những từ nỗ lực của
bản thân học viên mà cịn nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình và giúp đỡ của quý
thầy cô, đồng nghiệp cùng bạn bè thân hữu.
Trước tiên, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ mơn Địa cơ nền
móng đã nhiệt tình giảng dạy tất cả chúng em trong suốt thời gian qua,
đồng thời đã quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất trong giai đoạn
thực hiện Luận văn của học viên.
Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Tiến sĩ Bùi Trường
Sơn, người đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong thời gian học viên thực hiện
Luận văn và luôn quan tâm, động viên về tinh thần cũng như vật chất, giúp
cho học viên có thêm tự tin để tiếp thu những kiến thức mới hữu ích, làm
nền tảng cho việc học tập và công tác sau này.
Xin cảm ơn các bạn học viên cùng lớp Địa Kỹ Thuật Xây Dựng K2007,
những người đã luôn kề vai sát cánh trong suốt thời gian học tập.
Cuối cùng, xin cảm ơn Gia đình, Cơ quan và bạn bè thân hữu đã động
viên, giúp đỡ học viên trong thời gian học tập và thực hiện Luận văn.

Học viên

Nguyễn Quốc Phong


TĨM TẮT LUẬN VĂN: PHÂN TÍCH TÁC DỤNG CỦA BỆ PHẢN ÁP LÊN
ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẮP THEO MỨC ĐỘ TIẾP CẬN TRẠNG
THÁI GIỚI HẠN VÀ KHẢ NĂNG GIẢM ĐỘ LÚN LỆCH
Bệ phản áp là biện pháp đầu tiên được đề xuất sử dụng để xử lý nền trong
trường hợp cơng trình nền đường đắp khơng ổn định. Đặc biệt, trong các tình huống
xử lý sự cố nền đắp bị phá hoại do trượt trồi, biện pháp này cho thấy ưu thế vượt
trội nhờ khả năng thi công khắc phục nhanh chóng, đáp ứng yêu cầu về thời gian
thơng xe nhanh nhất. Bên cạnh đó, với mục đích gia tăng tốc độ lún cố kết của nền
bằng biện pháp gia tải trước, việc áp dụng bệ phản áp có ý nghĩa thiết thực cho một
số vị trí có chiều cao đắp gần bằng với chiều cao đắp giới hạn. Nội dung chính của
Luận văn là thơng qua việc đánh giá vùng nguy hiểm theo mức độ tiếp cận trạng
thái giới hạn kết hợp với độ lún lệch ban đầu trong nền đất yếu để tính tốn xác định
kích thước bệ phản áp nhanh chóng và hợp lý nhằm đảm bảo điều kiện ổn định của
cơng trình đắp cũng như khả năng làm giảm độ lún lệch của nền đất. Việc tính tốn
được thực hiện bằng những chương trình tự thiết lập.
THE SUMMARY OF THE THESIS: ANALYSIS OF EFFECT OF THE
COUNTERWEIGHT ON THE STABILITY OF THE EMBANKMENT IN
CONFORMITY WITH THE DEGREE OF APPROXIMATION TO THE
LIMIT STATE AND ABILITY OF REDUCING THE UNEVEN
SETTLEMENT
The counterweight is the first proposed method used for sub-soil treatment, in
case, embankment works is unreliable. Especially, for the conditions of
embankment treatment are damaged by sliding and heaving, this method indicates
an optimum advantage owing to its prompt construction ability and meets the
requirement of the soonest opening time. Besides, for the purpose of increasing the
time for consolidation settlement of the embankment by surcharge method, the
application of counterweight is greatly significant for some locations where the

height of backfilling approximates to the height of limited backfilling. The main
contents of this Thesis are stated that through evaluation of the dangerous area
complies with the degree of approximation to the limit state in coordination with the
initial uneven settlement in the soft-soil ground for calculating and defining the
dimension of counterweight in the prompt and appropriate manner for the purpose
of ensuring the stable conditions of the embankment works and ability of reducing
the uneven settlement of the soft-soil accordingly. Such calculation shall be
executed by the self-prepared programs.


MỞ ĐẦU

............................................................................................... 1

CHƯƠNG 1. BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN
ĐƯỜNG ĐẮP CAO .............................................................. 3
1.1. Các phương pháp xử lý nền ............................................................................. 3
1.1.1. Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát ........................................................... 3
1.1.2. Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm ........................................................... 6
1.1.3. Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không ......................................... 8
1.2. Các phương pháp gia cường ............................................................................ 9
1.2.1. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi ..................... 9
1.2.2. Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật .................. 13
1.3. Các phương pháp phân bố lại ứng suất .......................................................... 14
1.3.1. Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát ........................................................... 14
1.3.2. Xử lý nền bằng bệ phản áp .................................................................. 16
1.4. Nhận xét và phương hướng của đề tài ........................................................... 22

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG
NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI CƠNG TRÌNH ĐẮP .................... 23

2.1. Độ bền sức chống cắt và một số dạng mất ổn định ........................................ 23
2.1.1. Mất ổn định theo dạng phình trồi hay lún sụp của đất .......................... 24
2.1.2. Mất ổn định do nền đất yếu bị đẩy ngang ............................................ 25
2.1.3. Mất ổn định theo dang trượt sâu hay trượt trồi ..................................... 25
2.1.4. Các dạng tính toán ổn định của nền đường đắp trên đất yếu................. 25
2.2. Tính tốn khả năng ổn định nền đường đắp theo khả năng chịu lực ............... 27
2.2.1. Tính sức chịu tải của nền đất yếu theo tải trọng an toàn (qat)................ 27
2.2.2. Tính sức chịu tải của nền đất yếu theo tải trọng giới hạn (qgh) ............. 29
2.2.3. Các phương pháp khác ........................................................................ 31
2.3. Tính tốn ổn định mái dốc nền đường đắp ..................................................... 33
2.3.1. Tính tốn ổn định mái dốc theo phương pháp mặt trượt giả định ......... 35
2.3.2. Tính tốn ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn
thuần t ............................................................................................. 39
2.4. Tính tốn ổn định lún của nền đường đắp ...................................................... 45
2.4.1. Độ lún đàn hồi (lún tức thời) ............................................................... 47


2.4.2. Độ lún cố kết sơ cấp ............................................................................ 49
2.4.3. Độ lún cố kết thứ cấp (từ biến) ............................................................ 51
2.5. Kết luận chương 2 ......................................................................................... 54

CHƯƠNG 3. 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 VÀ KHẢ NĂNG GIẢM ĐỘ LÚN LỆCH ................ 55
3.1. Xác định kích thước ban đầu của bệ phản áp ................................................. 58
3.2. Phân tích ảnh hưởng của của bệ phản áp lên mức độ ổn định của cơng
trình theo mức độ tiếp cận trạng thái giới hạn................................................ 61
3.3. Tác dụng của bệ phản áp lên sự phân bố độ lún của nền đất yếu dưới
cơng trình đắp ............................................................................................... 67

3.3.1. Độ lún tức thời .................................................................................... 69
3.3.2. Độ lún ổn định..................................................................................... 71
3.4. Kết quả mô phỏng kiểm tra bằng phần mềm Plaxis ....................................... 72
3.4.1. Mô phỏng giai đoạn ban đầu sau khi đắp ............................................. 73
3.4.2. Kết quả mô phỏng bằng Plaxis khi đất nền đạt ổn định về cố kết
thấm .................................................................................................... 76
3.5. Kết luận chương 3 ......................................................................................... 80

KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ ........................................................................ 81
I.

KẾT LUẬN .................................................................................................. 81

II.

KIẾN NGHỊ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............. 82

III. HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI .............................................................................. 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 83
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2
PHỤ LỤC 3
PHỤ LỤC 4
PHỤ LỤC 5
LÝ LỊCH HỌC VIÊN


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài:
Cơng trình đắp là loại hình cơng trình phổ biến trong xây dựng cơ sở hạ tầng ở
các tỉnh khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long và Thành phố Hồ Chí Minh. Do phổ
biến lớp đất yếu trên bề mặt nên cơng trình đắp cao trên đất yếu có khả năng bị mất
ổn định do trượt ngang và trượt sâu. Một trong những biện pháp cải tạo thường
được sử dụng là bố trí bệ phản áp nhằm mục đích gia tăng độ ổn định của nền đắp
và nền đất dưới nền đắp. Việc chọn lựa kích thước và vật liệu cho khối đắp bệ phản
áp hiện nay thường được căn cứ theo một số công thức kiến nghị hoặc theo kinh
nghiệm.
Có thể nhận thấy rằng khi có bố trí bệ phản áp, khả năng trượt trồi sẽ được hạn
chế. Ngoài ra, do tải trọng của khối đắp bệ phản áp, các thành phần ứng suất trong
nền sẽ được phân bố lại và làm tăng khả năng ổn định của cơng trình. Hệ số ổn định
tăng lên, độ lún khơng đồng đều sẽ giảm thiểu, đảm bảo điều kiện làm việc của
cơng trình.
Nhằm mục đích đánh giá vai trị của bệ phản áp trong việc gia tăng mức độ ổn
định và làm giảm độ lún lệch của nền đường, từ đó xác định kích thước bệ phản áp
hợp lý, an tồn và tiết kiệm, chúng tơi lựa chọn đề tài: “Phân tích tác dụng của bệ
phản áp lên độ ổn định của nền đường đắp theo mức độ tiếp cận trạng thái giới
hạn và khả năng giảm độ lún lệch”.
Nhiệm vụ đề tài bao gồm:
-

Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu ổn định và biến dạng của đất nền dưới
nền đường đắp và các công thức áp dụng cho việc sử dụng bệ phản áp.

-

Đánh giá sự phân bố độ lún của nền cơng trình khi khơng có và khi có bệ
phản áp. Từ đó làm rõ vai trị và chọn lựa kích thước bệ phản áp hợp lý.

-

Đánh giá mức độ ổn định của nền đất khi có bệ phản áp bằng phương pháp
cung trượt lăng trụ tròn và sự phân bố vùng nguy hiểm theo mức độ tiếp cận
trạng thái giới hạn.


2

-

Sử dụng chương trình Plaxis để mơ phỏng và tính tốn các đặc tính của cơng
trình có bố trí bệ phản áp. Từ đó có thể đối chiếu và so sánh kết quả của các
phương pháp tính.

Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu chọn lựa cho luận văn bao gồm:
-

Tổng hợp lý thuyết về độ ổn định của nền đất yếu dưới cơng trình đắp cao.

- Phân tích và chọn lựa các phương pháp lý thuyết và tính tốn phù hợp với
mục đích đề tài là xác định độ lún và độ lún lệch cũng như độ ổn định của
nền đất yếu dưới cơng trình đắp.

- Thiết lập các chương trình tính tốn phục vụ tính tốn bài tốn cụ thể. Ở đây
cũng nên lưu ý rằng việc tính tốn xác định các thành phần ứng suất dưới tải
trọng san lấp và bệ phản áp, tương ứng là chuyển vị tại vị trí bất kỳ cũng như
thể hiện kết quả tính tốn là cơng việc phức tạp và chỉ có thể thực hiện được

nhờ sự trợ giúp của các công cụ tính tốn hiện đại.


3

CHƯƠNG 1. BIỆN PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN
ĐƯỜNG ĐẮP CAO
Do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, biến dạng lớn nên cần thiết phải có các
biện pháp xử lý trước khi xây dựng cơng trình bên trên. Đối với cơng trình đường ở
Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm 2 nhóm chính:
•

Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: Vải địa kỹ thuật, lưới địa
kỹ thuật, đất trộn vôi, trộn ximăng, silicat. Trong trường hợp này, đất nền và
đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính
biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của cơng trình được gia tăng và đảm bảo điều
kiện làm việc của cơng trình. Trong điều kiện thực tế ở Việt nam, các biện
pháp vải địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng nhiều nhất.

•

Các biện pháp xử lý thường được áp dụng như giếng cát, bấc thấm kết hợp gia
tải trước hoặc bơm hút chân không. Trường hợp này, thời gian cố kết được rút
ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa vào sử dụng cơng trình.
Ngồi ra, việc chọn lựa chiều cao đắp hay bố trí kích thước cơng trình hợp lý
cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều
kiện làm việc ổn định. Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp
này là: Đệm cát, làm xoải mái taluy, bệ phản áp.

1.1.

Các phương pháp xử lý nền

1.1.1. Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát
Để rút ngắn thời gian cố kết, người ta thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng
đứng, giếng cát là một trong những dạng đó.
Với hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét, khi bố trí giếng cát trong nền
đất và kết hợp gia tải, dưới tác dụng của tải trọng ngoài làm nước lỗ rỗng trong đất
nền thấm về hướng giếng cát rồi sau đó thốt nhanh theo phương đứng ra khỏi nền
đất.
Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước thường
có ba bộ phận chính: lớp đệm cát, giếng cát, tải trọng tạm như hình 1.1 [5, 7, 17]


4

- Lớp đệm cát
+ Ngoài chức năng phân bố lại ứng suất trong đất nền do ứng suất tập trung vào
lớp cát thay thế, lớp đệm cát đóng vai trị như lớp đệm thoát nước. Nước lỗ rỗng
trong đất bị nén ép bởi tải trọng khối đắp gia tải bên trên sẽ thoát hướng về giếng, từ
các giếng cát nước lỗ rỗng này theo mơi trường cát trong giếng (có tính thấm tốt)

Tải trọng tạm

1 :n

Đệm cát thoát nước

1 :n

thốt về phía đệm cát, đệm cát dẫn nước thốt ngang và tiêu tán ra ngồi.

Hđắp

Nền
đất
yếu
dưới
nền
đường

Giếng cát

Hình 1.1: nền được xử lý bằng giếng cát
- Các giếng cát
+ Thường dùng cát hạt thơ, hạt trung (có hệ số thấm lớn).
+ Đường kính giếng cát thường sử dụng: 0,2~0,6 m.
+ Chiều sâu giếng cát bố trí hết vùng hoạt động chịu nén của nền.
+ Sơ đồ bố trí giếng cát thường có hai dạng chủ yếu: lưới tam giác và ô vuông
♦ Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.2.a)
Giếng cát

d

Vùng ảnh hưởng về thoát
nước xung quanh Giếng cát

3*S
1.1

S

Khoảng cách lưới Giếng cát

Hình 1.2.a: sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều


5

♦ Dạng lưới hình vng (như trong hình 1.2.b)
Giếng cát

d

Vùng ảnh hưởng về thoát
nướ c xung quanh Giếng cát

1.05*S

S

Khoảng cách lướ i Giếng cát

Hình 1.2.b: sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vng
- Tải trọng tạm:
+ Thường dùng cát hoặc đất, nhằm tạo quá trình nén trước nền đất trước khi đặt
tải trọng cơng trình.
+ Chiều cao đắp (hay tải trong cơng trình) được chọn sao cho đảm bảo điều kiện
ổn định của nền đất yếu và khối đắp, phải tạo ra được ứng suất lớn hơn áp lực tiền
cố kết của nền đất, để nền đất có thể cố kết.

* Có khá nhiều phương pháp tính tốn khác nhau cho bài toán dự báo độ lún
của nền đất yếu xử lý giếng cát kết hợp gia tải trước. Tổng qt lại, các giá trị cần
tính tốn là:
- Độ lún cố kết cuối cùng (Sf )
- Độ lún theo thời gian (St )
+ Sf - giá trị độ lún khi mà áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất nền bị tiêu tán
hoàn toàn.
+ St = Ut * Sf
Với:
Ut –Mức độ cố kết theo thời gian, thường được tính theo cơng thức [17]:
Ut = 1-(1-Uv)*(1- Uh)
Trong đó:
Uv: Độ cố kết trung bình do thốt nước theo phương đứng.
Uh: Độ cố kết trung bình do thốt nước theo phương ngang.


6

1.1.2. Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm
Tương tự như giếng cát, với hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét, khi bố
trí bấc thấm trong nền đất và kết hợp gia tải, nhờ tải trọng ngoài làm nước lỗ rỗng
trong đất nền thấm về hướng bấc thấm rồi sau đó thốt nhanh theo phương đứng ra
khỏi đất nền.
* Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước
cũng gồm ba phần chính như hình 1.3:
- Lớp đệm cát và tải trọng tạm tương tự như hệ thống xử lý bằng giếng cát kết hợp

Tải trọng tạm

1:n

Đệm cát thoát nước

1:n

gia tải trước.

Hđắp

Nền
đất
yếu
dưới
nền
đường

Bấc thấm

Hình 1.3: xử lý nền bằng bấc thấm
- Bấc thấm:
+ Q trình thi cơng bấc thấm nhanh nếu có máy thi cơng chun dụng.
+ Cũng như giếng cát, bấc thấm chỉ nên sử dụng khi có mặt bằng rộng.
+ Khi cắm bấc thấm xuống độ sâu lớn thì khả năng thốt nước của bấc thấm sẽ
giảm đi do giảm tiết diện ngang của bấc thấm, do các hạt nhỏ tích vào lịng bấc
thấm khi qua được màng lọc. Trong cơng trình đường, thường thì vùng hoạt động
chịu nén sẽ không quá lớn nên bấc thấm kết hợp gia tải trước vẫn được sử dụng khá
nhiều.
+ Để tiện cho việc tính tốn, xem mặt cắt ngang của bấc thấm tương đương có
dạng hình trịn đường kính dw. Theo Rixner và Hansbo, dw được tính như sau [17]:
dw =

( a + b)
2

Với: a ≈ 100mm ; b ≈ (3÷7)mm


dw

7

Mặt cắt ngang tương đương

b

Bấc thấm

a
Hình 1.4: mặt cắt ngang tương đương của bấc thấm
+ Bấc thấm được bố trí theo sơ đồ tương tự như giếng cát, thường có hai dạng
như hình 1.5a và 1.5b.
♦ Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.5a)
Bấc thấm

Vùng ảnh hưởng về thoát
nước xung quanh Bấc thấm

dw

S

1.13*S

S

Khoảng cách lưới Bấc thấm

Hình 1.5a: sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình tam giác đều
♦ Dạng lưới hình vng (như trong hình 1.5b)
dw

Vùng ả nh hưởng về thoát
nước xung quanh Bấc thấm

S

1.05*S

Bấc thấm

S

Khoảng cá ch lưới Bấc thấ m

Hình 1.5b: sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình vng
* Phương pháp tính tốn tương tự như giếng cát nhưng được xét với các thông số
của bấc thấm [17].


8

1.1.3. Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không
Bơm hút chân không là biện pháp sử dụng áp lực của cột khí quyển (xấp xỉ
100KN/m2) thay thế cho vật liệu gia tải. Trong thực tế, giá trị tải trọng có thể đạt
được từ bơm hút chân khơng xấp xỉ 80KN/m2 [7].

Hình 1.6: mơ hình xử lý nền bằng bơm hút chân không
Ưu thế của biện pháp này là khi bơm hút, ứng suất tác dụng vào nền đất chỉ là
ứng suất đẳng hướng, ứng suất lệch không phát sinh nên điều kiện ổn định được
đảm bảo.
Tuy nhiên, đây là phương pháp xử lý có yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp hơn
các phương pháp khác, thiết bị thi cơng chun dụng.
Trong q trình thi cơng bơm hút chân khơng, nếu khơng có biện pháp xử lý tốt
có khả năng gây nứt, lún các cơng trình lân cận.
Nên sử dụng cho cơng trình u cầu gấp về tiến độ.


9

1.2. Các phương pháp gia cường
1.2.1. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi
Trước đây biện pháp xử lý đất trộn vôi đã được sử dụng nhiều trong nước. Thời
gian gần đây, với công nghệ, thiết bị thi công du nhập từ nước ngoài vào, cộng thêm
việc nghiên cứu được chú trọng nên cọc đất gia cố ximăng được sử dụng phổ biến
hơn trong xây dựng cơng trình đắp.
Cọc đất gia cố ximăng thường dùng cho các cơng trình chịu tải trọng lớn (đường
lăn, bãi đỗ trong sân bay, bến cảng); các công trình địi hỏi độ ổn định cao (đường
đắp cao đầu cầu, bãi đúc các cấu kiện lớn, nền kho bãi,...); các cơng trình gia cố nền
trong phạm vi nhỏ hẹp (nhà móng nơng bị nghiêng lún...) [7,19].
Mơ hình cấu tạo của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi

măng, gia cố vôi cho đường đắp cao đầu cầu thường gặp như hình 1.7.
i%

i%

Vải địa
kỹ thuật

Hđắp

Nền
đất
yếu
dưới
nền
đường

Cọc đất trộn
vôi/ximăng

Hình 1.7: xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi
Hiệu quả của việc xử lý nền bằng xi măng hoặc vôi sẽ kém khi độ ẩm và hàm
lượng hữu cơ gia tăng. Chỉ số dẻo của đất càng lớn thì khả năng cải tạo nền càng
kém. Cải tạo nền hữu cơ bằng ximăng hiệu quả hơn cải tạo bằng vôi. Hiệu quả của
xi măng sẽ giảm dần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo tăng. Như vậy, độ linh hoạt
của sét càng lớn thì cường độ của đất xử lý bằng xi măng càng thấp. Đối với đất
trộn xi măng thì cường độ phụ thuộc chủ yếu vào sự xi măng hoá trong quá trình
thủy hợp [7].

10

Có hai phương pháp trộn xi măng vào đất khi thi công cọc đất trộn xi măng:
♦ Phương pháp trộn khơ (Minh họa như hình 1.8a)

Hình 1.8a: thi cơng cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn khô [7]
Trong phương pháp này bột xi măng được phun vào đất qua các lỗ ở đầu ống
bằng hệ thống khí nén, sau đó bột xi măng được trộn với đất bằng cách xoay hai
cánh gắn đối xứng ở đầu ống. Phương pháp này không cần sử dụng nước nên không
làm tăng lượng nước trong đất, vì thế việc cải tạo nền có hiệu quả hơn phương pháp
trộn ướt.
♦

Phương pháp trộn ướt (Minh họa như hình 1.8b)

Hình 1.8b: thi cơng cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn ướt [7]


11

Trong phương pháp này, xi măng được trộn với nước thành một dung dịch lỏng
trước khi bơm chúng vào đất qua các lỗ ở đầu ống với áp lực khoảng 20Mpa.
Phương pháp này có thiết bị thi cơng gọn nhẹ hơn phương pháp trộn khô. Tuy
nhiên, phương pháp này thường cho cọc có tiết diện khơng đều vì sức chống cắt của
đất thay đổi theo độ sâu trong khi áp lực phun không thay đổi. Nên khi sử dụng
phương pháp này, cần có thử nghiệm thay đổi áp lực phun phù hợp theo địa chất
cơng trình. Đến nay, với kinh nghiệm rút ra được từ nhiều cơng trình thực tế trong
điều kiện địa chất khu vực, việc điều chỉnh áp lực phun đã có nhiều cải tiến. Kết quả
kiểm tra tại hiện trường những cơng trình gần đây cho thấy chất lượng của cọc đất
trộn xi măng được cải thiện đáng kể nên đạt được cường độ cao. Tuy nhiên giá

thành xử lý chiếm tỷ trọng đáng kể trong xây dựng nên phương pháp này thường
được lựa chọn cho những cơng trình quan trọng và cần thiết như sân bay, bãi chứa
có tải trọng lớn.
Tính tốn cọc đất xi măng theo nguyên lý cơ bản như sau: Khả năng chịu tải
của cọc xi măng phụ thuộc vào sức chống cắt của đất nền ở xung quanh cọc và sức
chống cắt của bản thân cọc. Cơ chế phá hoại của đất nền phụ thuộc vào sức kháng
hông và sức kháng mũi. Cơ chế phá hoại của cọc phụ thuộc vào vật liệu bản thân
cọc [7].
Khả năng chịu tải theo đất nền
soil
Qult
= (πdH col+2,25πd 2 )C u

Trong đó:

d – đường kính cọc; Hcol – chiều dài cọc.
Cu – sức chống cắt trung bình của đất xung quanh cọc.
Khả năng chịu tải theo vật liệu
Khả năng chịu tải trọng dài hạn của cọc xi măng là:
creep
Qult
= (0,65 ÷ 0,80)

A
C col
S2

Trong đó:
A – tiết diện ngang của cọc;
S – khoảng cách giữa các cọc trong lưới ơ vng

Ccol – sức chống cắt khơng thốt nước của cọc xi măng
Khi thiết kế cọc xi măng, phải khống chế ứng suất trong cọc nhỏ hơn ứng suất từ
biến trong cọc. Theo Sweroad, σcol có thể tính như sau:


12

σ col =

Qcol
=
Acol

q
a + (1 − a )

M soil
M col

Trong đó:
+ q – áp lực dưới đáy móng
+ a=

N * Acol
- tỷ số diện tích tương đối giữa cọc và nền được xử lý.
B*L

Với: N – số cọc;
Acol – tiết diện ngang của cọc.
B, L - kích thước vùng nền được xử lý.

+ Msoil , Mcol – Môđun nén của đất nền xung quanh cọc và của cọc.
Kiểm tra nhóm cọc

Hình 1.9: Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp trong nhóm cọc đất - xi măng
Trong trường hợp nhiều cọc và khoảng cách giữa các cọc khơng vượt q
1,5~2m thì cọc và đất nền giữa các cọc làm việc như một khối cứng (hình 1.9). Cọc
trong khối cứng giữ vai trò như cốt cứng gia cường đất nền.
Độ lún lệch sẽ nhỏ nếu như ứng suất cắt trung bình trên mặt bên của khối nhỏ
hơn sức chống cắt trung bình của đất nền ở xung quanh cọc.
Ứng suất cắt trung bình trên mặt bên phải thoả điều kiện sau:
τ per =

0,8W g
2( B + L) H

<

cu
fc

Trong đó:
+ B, L, H – kích thước khối cọc.
+ Wg – tổng tải trọng của cơng trình bên trên.
+ cu – sức chống cắt trung bình của nền đất xung quanh cọc.
+ fc – hệ số an toàn, f c ≥ 1,5 .


13

1.2.2. Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật

Có nhiều dạng áp dụng vải địa kỹ thuật – lưới địa kỹ thuật để gia cường nền đất.
Dưới đây chúng tôi sơ lược trường hợp sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng mức độ ổn
định của nền đắp trên nền đất yếu [17].
Khi bố trí vải địa kỹ thuật giữa nền đất yếu và nền đắp (hình 1.10), ma sát giữa
đất đắp và mặt trên của vải địa kỹ thuật sẽ tạo ra lực giữ khối trượt F và nhờ đó mức
độ ổn định của nền đắp trên nền đất yếu tăng lên.

Hình 1.10 – vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp [17].
(I)
- vùng hoạt động (khối trượt).
(II) - vùng bị động (vùng vải địa kỹ thuật đóng vai trị neo giữ).
F – lực kéo mà vải phải chịu (T/m).
Y – cánh tay đòn của lực F đối với tâm trượt nguy hiểm nhất (O).
Điều kiện cần bảo đảm trong tính toán thiết kế khi sử dụng giải pháp này là:
F ≤ Fcp
Với:
Fcp - lực kéo cho phép của vải rộng 1m (T/m)
Lực kéo cho phép của vải được xác định theo các điều kiện sau:
* Điều kiện bền của vải
Fcp =

Fmax
k

Trong đó:
Fmax: cường độ chịu đứt của vải khổ 1m.
k: hệ số an toàn, lấy k=2 khi vải làm bằng polieste và k =5 khi vải
làm bằng polipropilen hoặc poliethilen.
* Điều kiện về lực ma sát cho phép đối với lớp vải rải trực tiếp trên đất yếu
- Tổng lực ma sát trên vải trong phạm vùng hoạt động

14

l1

Fcp = ∑ γ d h i f ′
0

- Tổng lực ma sát trên vải trong phạm vùng bị động
Fcp =

l2

∑γ d hi f ′
0

Trong đó:
l1: chiều dài vải trong phạm vi vùng hoạt động.
l2: chiều dài vải trong phạm vi vùng bị động.
γd: dung trọng đất đắp.
hi: chiều cao đắp trên vải (thay đổi từ hi=h đến hi =0).
f’: hệ số ma sát giữa đất đắp và vải cho phép dùng để tính tốn,
xác định theo cơng thức sau:

2
f ′ = k ′ tgϕ
3
Với: ϕ- góc ma sát trong của đất đắp xác định tương ứng với độ chặt thực
tế của khối đất đắp trên vải.

k’- hệ số dự trữ ma sát, lấy bằng 0,66.
Vải địa kỹ thuật có thể sử dụng nhiều lớp xem kẽ với các lớp vật liệu đắp dày từ
15cm ~ 30cm để làm tăng lực ma sát giữa vải và nền đắp, tăng mức độ ổn định nền.
Ngoài ra, sự xuất hiện của vải địa kỹ thuật làm phân bố lại ứng suất trong thân khối
đắp và trong nền đất yếu, làm giảm độ lún và độ lún lệch của cơng trình cũng như
làm tăng hệ số ổn định.
1.3. Các phương pháp phân bố lại ứng suất
Theo mục đích đề tài, nội dung cần thiết đề cập là vai trò của bệ phản áp trong
tính tốn độ ổn định của cơng trình đắp. Căn cứ tính tốn hiện nay chủ yếu dựa theo
Tiêu chuẩn ngành và các kết quả nghiên cứu phục vụ tính tốn cơng trình đê trên
đất yếu [6, 17].
1.3.1. Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát
Lớp đệm cát có tác dụng phân bố lại ứng suất lên nền đất yếu bên dưới cơng
trình đường, do ứng suất tập trung vào lớp đệm cát có khả năng chịu tải cao hơn.
Đệm cát làm tăng độ ổn định của cơng trình, đẩy nhanh tốc độ cố kết của nền đất.
Xử lý bằng đệm cát thường dùng khi tải trọng đắp không lớn, lớp đất yếu dưới
cơng trình khơng q dày và có sẵn vật liệu cát tại địa phương [5, 12].


15

Vật liệu cát sử dụng làm đệm cát thường dùng cát hạt trung, hạt thô không lẫn
bùn đất với yêu cầu kỹ thuật như sau [17]:
+ Loại cát có tỷ lệ hữu cơ ≤ 5%, cỡ hạt lớn hơn 0,25 mm chiếm trên 50%,
cỡ hạt nhỏ hơn 0,08 mm chiếm ít hơn 5% và phải thỏa mãn một trong hai điều kiện:
D60
> 6
D10

( D30 ) 2

D10 . D60

> 1 và < 3

Trong đó:
D30 - là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 30% .
D10 - là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 10%.
Chiều dày đệm cát thường chọn theo kinh nghiệm, theo độ lún cơng trình và
phải có giá trị lớn hơn 0,5m. Độ chặt đầm nén của tầng đệm cát phải đạt ít nhất là
90% độ chặt đầm nén tiêu chuẩn [17].
Bề rộng lớp đệm cát phải bao phủ hết bề rộng ảnh hưởng của tải trọng nền tác
dụng lên đất nền.
Cấu tạo đệm cát xử lý nền thường thấy như hình 1.11.
b'

b

i%
Phần nền đường

1:n

Đệm cát

1:n

i%

b'

Hđắp

Nền đất yếu dưới nền đường

Hình 1.11: xử lý nền bằng đệm cát
Phương pháp này thi công rất đơn giản nên rất hay được sử dụng. Tuy nhiên
trong trường hợp tầng đất yếu dày thì biện pháp này ít có hiệu quả. Khi đó nên sử
dụng kết hợp đệm cát với các biện pháp xử lý khác.


16

1.3.2. Xử lý nền bằng bệ phản áp
bpa

bpa

b

i%

Hpa

1:n

1 :n

i%

Phần phản áp

H
Phần phản áp

Đệm cát

Hình 1.12: sơ đồ bố trí bệ phản áp
Bệ phản áp là một trong những biện pháp xử lý có hiệu quả khi xây dựng các
nền đường, đê, đập… trên đất yếu. Nội dung của phương pháp xử lý này là dùng vật
liệu địa phương như đất, đá, cát đắp ở hai bên mái taluy cơng trình để chống trượt,
trồi đất do sự phát triển vùng biến dạng dẻo gây ra. Ngồi ra, khi có mặt bệ phản áp,
các thành phần ứng suất trong nền sẽ phân bố lại: Ứng suất nén đẳng hướng tăng
lên, ứng suất lệch giảm xuống làm gia tăng độ ổn định của nền và cơng trình.
Xác định kích thước bệ phản áp là vấn đề mấu chốt trong việc tính tốn và thiết
kế bệ phản áp. Hiện nay có nhiều phương pháp tính tốn kích thước bệ phản áp dựa
vào các giả thiết khác nhau và thường là những phương pháp gần đúng. Khi xác
định kích thước bệ phản áp, có tác giả dựa vào sự hình thành của vùng biến dạng
dẻo phát triển ở hai bên cơng trình, có tác giả dựa vào giả thiết mặt trượt của nền đất
có dạng hình trụ trịn và cũng có tác giả tính tốn theo lý luận cân bằng giới hạn để
xác định mặt trượt và suy ra trạng thái giới hạn của đất nền [5, 12]. Đơi khi để đơn
giản trong tính tốn, một số tác giả dựa vào điều kiện khống chế ứng suất ngang để
quyết định kích thước bệ phản áp. Trong tất cả các phương pháp kể trên thì phương
pháp tính tốn bệ phản áp dựa vào lý luận cân bằng giới hạn, xét về mặt lý thuyết là
chặt chẽ nhất. Tuy nhiên vì mức độ phức tạp của phương pháp tính tốn cho nên
trong thiết kế thường ít được sử dụng [5, 12].
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 ở nước ta theo
nhiều phương pháp khác nhau như:

17

• Dựa vào sự phát triển của vùng biến dạng dẻo được áp dụng ở đoạn đường
phía Bắc cầu Hàm Rồng [12]
• Dựa vào phương pháp mặt trượt trụ trịn được áp dụng tại phần đường hai
đầu cầu đắp cao của các cầu thuộc gói thầu số 02 Dự án thi công Đại Lộ
Đông Tây Tp. HCM (Cá Trê Lớn, Cá Trên Nhỏ, Kênh 1, Kênh 2).
a. Tính tốn bệ phản áp theo dạng làm tăng độ chôn sâu của nền đường
a.1. Xác định chiều cao bệ phản áp [5]
L

B

L
qH
q pa

H

q tt

hpa

q pa

Nền đất yếu dưới tải trọng đắp

Hỡnh 1.13: bệ phản áp theo sơ đồ làm tăng độ chôn sâu nền đường
Khi chiều rộng của bệ phản áp (bpa) bằng hoặc lớn hơn phạm vi tồn tại mặt trượt
nguy hiểm nhất (L) tính từ chân taluy nền đường (hình 1.14), có thể xem như chiều

rộng này là kéo dài vơ tận. Từ đó mặt đất thiên nhiên được xem như đắp thêm một
lớp có chiều dày bằng chiều cao bệ phản áp. Đồng thời đáy nền được xem như đặt
sâu hơn mặt đất mới đắp thêm một giá trị bằng chiều cao bệ phản áp. Trong trường
hợp này áp lực tính tốn thực tế của nền đường tác dụng lên đất yếu (qtt) được xác
định theo biểu thức thường gặp trong cơ học đất:
qtt = q H − q pa

(1.1)

Trong đó:
qH

- tải trọng thực tế của nền đường mà nền đất yếu không chịu được;

qpa

- tải trọng của bệ phản áp.

Điều kiện đảm bảo ổn định cho nền đất yếu theo tải trọng an toàn (vùng phá hoại
chỉ xuất hiện tại 1 điểm) là:
qat = qtt

(1.2)
Ở đây tải trọng an tồn cho nền đất yếu bên dưới qat có thể xác định theo các
công thức: q at =

2 * c w * cos ϕ w + γ * b * sin ϕ w
.
α0

α0 - thông số xác định theo bảng 1.3


18

Từ (1.1) và (1.2) chiều cao bệ phản áp được xác định bởi biểu thức:
H pa =

Trong đó:

q − q at
γ

(1.3)

γ

- trọng lượng thể tích của đất đắp bệ phản áp;

q

- tải trọng khối đắp;

qat

- tải trọng an toàn;

Tải trọng bệ phản áp cũng phải thoả mãn điều kiện:
qpa ≤ qat
Có thể thấy rằng chiều cao đắp của bệ phản áp trong trường hợp này được chọn

lựa sao cho tải trọng của bệ phản áp cân bằng với tải trọng gia tăng vượt quá tải
trọng an toàn. Tuy nhiên, trường hợp chiều cao bệ phản áp nhỏ hơn mà điều kiện ổn
định vẫn được đảm bảo là vấn đề quan trọng cịn chưa được xem xét và phân tích.
a.2. Xác nh chiu rng b phn ỏp
L

H

B

Mặt trượt nguy hiểm nhất

Hỡnh 1.14: sơ đồ xác định phạm vi tồn tại của mặt trượt nguy hiểm nhất
Chiều rộng bệ phản áp (bpa) được xác định căn cứ vào phạm vi tồn tại mặt trượt
nguy hiểm nhất (L) xảy ra trong đất nền do tải trọng nền đường đắp gây ra khi chưa
đắp bệ phản áp. Phổ biến có hai cách xác định phạm vi tồn tại mặt trượt nguy hiểm
nhất.
-

Dựa vào mặt trượt lớn nhất tìm được theo nguyên lý cân bằng giới hạn của
đất. Ví dụ theo lời giải của Berezansev, phạm vi tồn tại mặt trượt lớn nhất
(L) được giới thiệu trên hình (hình 1.14) và trong (bảng 1.1). Trường hợp
này cần phải biến đổi sơ đồ tải trọng phân bố hình thang về sơ đồ hình chữ
nhật tương đương (về diện tích) có đáy là đường trung bình của hai đáy hình
thang.

-

Dựa vào mặt trượt nguy hiểm nhất xác định theo phương pháp mặt trượt lăng
trụ trịn (tính tốn bệ phản áp theo phương pháp mặt trượt giả định).