Tính toán ổn định nền đất đắp khi thi công bằng phương pháp đắp theo giai đoạn

1. Đặt vấn đề

Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp. ĐBSCL được hình thành và phát triển trên nền đất yếu với những điều kiện hết sức phức tạp của đất nền dọc theo các dòng sông và bờ biển.

Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn.

Các loại đất yếu thường gặp ở ĐBSCL như là đất sét mềm gồm các loại đất sét hoặc á sét tương đối chặt, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp; bùn là các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; than bùn là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy.

Trong quá trình thi công nền đất đắp, đất dọc theo tuyến đường thường được thi công đào và đổ trực tiếp lên nền thiên nhiên, việc sử dụng một lượng đất đắp lớn là không tránh khỏi. Tuy nhiên, một thách thức đối mặt là độ lún của nền đất, đặc biệt là khi nền đường cần được đắp cao.

Để giải quyết vấn đề này, việc tính toán ổn định và triển khai biện pháp thi công theo phương pháp đắp giai đoạn trở nên vô cùng quan trọng. Phương pháp này không chỉ giúp tối ưu hóa khối lượng đất sử dụng mà còn nâng cao sự ổn định của nền đất đắp trên đất yếu, đồng thời giảm thiểu chi phí xử lý các vấn đề liên quan đến sự lún sụt của nền. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh kinh tế và kỹ thuật đòi hỏi sự hiệu quả và tiết kiệm.

2. Cơ sở lý thuyết tính toán

2.1. Tính sức chịu tải của nền đường theo tải trọng an toàn

a. Tải trọng của đất đắp phân bố theo dạng tam giác cân hoặc gần với tam giác cân

2.2. Tính sức chịu tải của nền đất yếu theo tải trọng giới hạn

a. Phương pháp Jocghenxon

Phương pháp này dùng cho nền đất yếu có chiều dày H nhỏ hơn nửa bề rộng của đáy nền đất đắp. Tải trọng đất đắp được quy ước phân bố theo dạng tam giác cân. 

Trong đó: C là lực dính của đất nền yếu.

b. Phương pháp Mandel và Salencon

Tải trọng giới hạn trên đất nền có lực dính Cu được xác định bởi biểu thức:

q_max = C_u.N_c                                                                     (5)

Trong đó: B là chiều rộng trung bình của trắc ngang khối đất đắp; H là chiều dày của lớp đất yếu; N_c là hệ số chịu tải phụ thuộc vào tỷ số B/H.

2.3. Tính toán ổn định mái dốc của nền đất đắp

a. Phương pháp mặt trượt trụ tròn của Fellenuis

Hệ số an toàn về ổn định:

b. Phương pháp Bishop

Hệ số an toàn:

2.4. Trình tự tính toán chia đoạn đắp

a. Xác định chiều cao an toàn h_at của khối đất đắp đối với nền đất yếu

P = 3,14.C_u                                                                   (8)

c. Chọn chiều dày lớp đất đắp đợt đầu h₁

Để đảm bảo ổn định nền đất yếu dưới khối đất đắp, chiều dày lớp đất đắp lần thứ nhất h₁ không nên vượt quá chiều cao an toàn hat đối với đất nền: h ≤ h_at. Trường hợp cần thiết có thể chọn h_at ≤ h₁ ≤ h_gh.                

d. Xác định thời đoạn cần ngừng thi công T₁

So sánh nếu chiều cao yêu cầu hđ không vượt quá chiều cao giới hạn cho phép h_gh tức là h_đ ≤ h_gh thì chỉ cần đắp thêm lớp thứ hai có chiều dày h₂ là: h₂ = h_đ – h₁.
Như vậy quá trình thi công nền đất đắp được chia ra làm hai giai đoạn:

Giai đoạn 1: Chờ mực nước triều hạ đến mức thấp trong ngày tiến hành thi công đắp lớp 1 đến chiều cao 1,9 m (từ cao trình +0,7 m đến cao trình thiết kế +2,6 m); hệ số mái dốc m₁ = m₂ = 2,0;  bề rộng nền đất đắp B = 9,60 m.

3. Kết quả tính toán
3.1. Chuyển vị của đất nền

Khi có ảnh hưởng của mực nước thường xuyên tác dụng vào thân nền đất đắp thì tại vị trí giữa nền và phía hạ lưu đất nền lún nhiều hơn nhưng tại phía thượng lưu do áp lực đẩy nổi tác dụng lên đất nền nên độ lún nhỏ hơn so với trường hợp không có mực nước tác dụng.

Trong giai đoạn đắp đất thì đất có xu hướng vừa bị lún tại vị trí giữa nền đất đắp vừa hình thành các mặt trượt và di chuyển theo những cung trượt gây ra trồi tại vị trí thượng lưu và hạ lưu của nền đất đắp. Sau một khoảng thời gian cố kết do có sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng, tại vị trí giữa khối đất đắp lún sụt xảy ra nhanh hơn và kéo theo lún sụt ở phía thượng lưu và hạ lưu của công trình, do đó phải thực hiện bù lún sau thời gian nhất định.

3.2. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất nền

Nhìn vào biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian thì quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng diễn ra chậm hơn do nước chứa đầy trong các lỗ rỗng của đất và quá trình đắp đất diễn ra ở thời điểm tức thời, nước trong lỗ rỗng chưa kịp thoát ra ngoài, khi tải trọng của nền đất đắp truyền xuống đất nền thì lúc này phần lớn tải trọng do nước trong lỗ rỗng và khung hạt đất chịu và tiêu tán xảy ra chậm hơn so với không có mực nước tác dụng.

3.3. Ổn định của đất nền qua các giai đoạn thi công và lâu dài

Do áp lực nước tác dụng vào thân nền đất đắp và đất nền làm cho quá trình cố kết xảy ra chậm hơn nên hệ số an toàn nhỏ hơn. Tuy nhiên hệ số ổn định theo các giai đoạn thi công đều đạt yêu cầu về ổn định, nền đất sau khi được đắp theo phương pháp phân đoạn đã cố kết và ổn định.

3.4. Kết quả tính ổn định mái dốc nền đất đắp

Bảng 1: Tổng hợp kết quả tính ổn định qua các trường hợp

4. Kết luận

Tại vị trí giữa nền và phía hạ lưu đất nền lún nhiều hơn nhưng ở phía thượng lưu do áp lực đẩy nổi tác dụng lên đất nền nên độ lún nhỏ hơn. Tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng diễn ra chậm hơn trong suốt quá trình cố kết và sức chống cắt của đất nền giảm so với không có mực nước tác dụng. Kết quả tính toán cho thấy lưu lượng nước thấm qua nền đất đắp tại cửa sông khi thi công đắp lần thứ 1 và lần thứ 2 rất nhỏ, hầu như không đáng kể, công trình đảm bảo chất lượng ngăn nước từ phía sông.

Hệ số an toàn nhỏ hơn so với trường hợp không có mực nước tác dụng. Tuy nhiên hệ số ổn định theo các giai đoạn thi công đều đạt yêu cầu về ổn định, nền đất được thi công bằng phương pháp đắp theo phân đoạn đã cố kết tăng sức chống cắt và ổn định.

Xem file PDF tại đây

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] 22TCN 262:2000, Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu, Bộ Giao thông vận tải, 2000.
[2] E. N. Kurbatskiy, N. A. Telyatnikova, N. N. Thang and N. Anh Tuan, Study on Using Laboratory Model to Research for Bearing Capacity of Soft Ground Improved by Deep Cement Mixing Columns due to Embankment Load with Different Montmorillonite Contents, 2018 IEEE Inter. Conf. "Quality Management, Transport and Information Security, Information Technologies", 2018, pp. 121-127.
[3] Han-Georg Kempfert and Berhane Gebreselassie, Excavations and Foundation in Soft Soil, Krips bv, Meppel, 2006.
[4] Lê Bá Lương, Lê Bá Khánh và Lê Bá Vinh, Nghiên cứu tính toán biến dạng theo phương đứng và phương ngang của nền đất yếu dưới các công trình ven sông ở ĐBSCL trong điều kiện chung sống với lũ, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, 2005.
[5] Nguyễn Văn Thơ, Trần Thị Thanh, Xây dựng tuyến đê đập dân cư ở đồng bằng Sông Cửu Long, NXB Nông nghiệp, 2002
[6] Trần Thị Thanh, Nguyễn Việt Tuấn. Biện pháp xây dựng và nâng cao ổn định đê bao ở Đồng bằng sông Cửu Long. NXB Nông Nghiệp, TP.HCM, 2008.
[7] Trần Thị Thanh, Võ Ngọc Hà, Đánh giá mức độ cố kết của lớp bùn sét, sét chảy dưới nền một số đoạn đê thực tế ở Tiền Giang, Tuyển tập kết quả Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, NXB Nông Nghiệp, TP.HCM, 2000. 
[8] Tuan Anh Nguyen, Thang Ngoc Nguyen, Study on Stress Distribution in Soft Ground Consolidated with Deep Cement Mixing Columns under Road Embankment, Civil Engineering and Architecture, 8(6), 2020, 1251. 1265.
[9] Võ Ngọc Hà, Nguyễn Việt Tuấn, Dùng biện pháp thi công theo nhiều giai đoạn để nâng cao sự ổn định của đê đắp trên nền đất yếu. Tuyển tập kết quả khoa học và công nghệ năm 2001, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, NXB Nông nghiệp TP.HCM, 2002.