Tóm tắt
Trong thiết kế nền đường đắp cao bằng đất có gia cường VĐKT, chọn đặt ở ví trí nào trong nền và sử dụng các lớp VĐKT có khoảng cách bao nhiêu để có thể phát huy khả năng và huy động đồng thời sự làm việc hiệu quả của hệ kết cấu đất-cốt là nhiệm vụ cần được quan tâm. Bài báo này, tác giả phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH), thực nghiệm trên phần mềm tính toán, bàn về giải pháp vị trí đặt cốt trong nền và khoảng cách giữa các lớp VĐKT là bao nhiêu nhằm giúp nâng cao hiệu quả làm việc, tăng hệ số an toàn ổn định nền đắp, cũng như tiết kiệm vật liệu sử dụng, hạ giá thành xây dựng công trình. Trong tính toán của bài báo này, tác giả phân tích từ các số liệu của công trình cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi ở đoạn từ Km0+00 đến Km8+00 về tính chất cơ lý của đất nền, đất đắp và cường độ VĐKT gia cường cũng như dạng hình học của đường đắp cao này.
Abstract
In embankment designs of highways using geotextile for stabilization of soil foundation, the choice of location to put geotextile layers in the background and how much distance between them to be able to promote ability and mobilize simultaneously the efficient functioning of the soil-geotextile structure system is an important consideration. In this article, the author analyzes the finite element method, experiments on computational software and discusses the location solution to improve the efficiency of work, increase safety factor stability of embankment, as well as save materials, and lower construction costs. In the calculation of this paper, the author analyzes the data of the Da Nang – Quang Ngai highway (Vietnam), in the section from Km0 + 00 to Km8 + 00 on the mechanical properties of the ground soil, embankment soil and strength of geotextile as well as geometry of this high embankment.
Khi gia cường VĐKT trong công trình xây dựng đường, đê, đập… nếu phát huy tốt, hệ số an toàn ổn định công trình đạt được khá cao. Trong thời gian qua, các tính toán thiết kế bằng phương pháp giải tích hoặc phương pháp số, người ta thường quan tâm đặt cốt VĐKT với chức năng gia cường ở những vị trí như: mặt nền đất tự nhiên (đáy công trình nền đắp) nhằm làm lớp phân cách vật liệu giữa nền đất (có thể đất yếu) bên dưới và nền đắp bên trên, kết hợp với gia cường; hoặc VĐKT gia cường một số lớp đặt cách nhau từ 0.2m đến 0.5m hoặc 1m ở vị trí đáy công trình nền đắp. Tuy nhiên, một số kết quả nghiên cứu tính toán bằng phân tích PTHH cho thấy, với cùng số lớp VĐKT như nhau, nếu đặt VĐKT trong nền đắp ở giữa thân hoặc bên trên mặt nền đắp trở xuống có thể cho kết quả hệ số an toàn lớn hơn. Nghĩa là khi chọn vị trí đặt VĐKT ở bên trên thì hệ số an toàn ổn định sẽ lớn hơn đồng thời tiết kiệm được vật liệu do bên trên diện tích nền đắp bé hơn. Hoặc ngoài ra còn có thể chọn kết hợp đặt cốt VĐKT ở những vị trí phù hợp với chức năng sử dụng tùy từng trường hợp cụ thể.
Tuy nhiên, chọn ví trí nào trong nền và sử dụng các lớp VĐKT có khoảng cách bao nhiêu để có thể phát huy khả năng và huy động đồng thời sự làm việc hiệu quả của hệ kết cấu đất-cốt là nhiệm vụ đặt ra trong thiết kế. Trong báo cáo này, tác giả sử dụng phương pháp phân tích PTHH để trình bày giải pháp vị trí đặt cốt nhằm giúp nâng cao hiệu quả làm việc, tăng hệ số an toàn ổn định và tiết kiệm vật liệu sử dụng, hạ giá thành xây dựng công trình.
Các số liệu để thực nghiệm phân tích này được lấy từ công trình cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi, đoạn có mặt cắt ngang với chiều cao đắp lên đến có đoạn trên 12m, với bề rộng mặt đường đến 25m; bề rộng đáy đường đắp lên đến 50m chưa kể phần bệ phản áp hai bên, tại đường dẫn hai bên cầu tại KM003+661.086 (vị trí này, thực tế đã sử dụng VĐKT cường độ cao T = 400 kN/m để gia cường nền đắp). Các phân tích sau đây chọn các thông số mặt cắt ngang đường có chiều rộng mặt đường là 25m, chiều cao đắp 10m, hệ số mái taluy chọn tính trong bài báo này là 1:1.25 (thực tế tại KM003+661.086 mái dốc của cao tốc là 1:2) như sau: đối với đất nền có dung trọng riêng của đất nền γs = 17 kN/m3 ; góc nội ma sát đất nền φs = 20o ; lực dính đơn vị đất nền cs = 10 kN/m2 ; hệ số Poisson đất nền νs = 0.3 ; mô đun đàn hồi đất nền Eos = 10,000 kN/m2 và đối với đất đắp có dung trọng riêng đất đắp γe = 18 kN/m3 ; góc nội ma sát đất đắp φe = 20o; hệ số Poisson đất đắp νe = 0.3 ; mô đun đàn hồi đất đắp Eoe = 45,000 kN/m2 và lực dính đơn vị đất đắp ce (kN/m2) được thay đổi gồm ce = 5kN/m2; 10 kN/m2; 20 kN/m2 theo các trường hợp tính để có sự so sánh trong phần sau. Tải trọng xe chất tải để tính toán chọn bằng hai lần loại xe tiêu chuẩn 120 kN/trục và xếp 6 xe trên trắc ngang đường. VĐKT được sử dụng trong các phân tích này là loại cường độ cao Tmax = 200 kN/m có độ cứng EAg = 8254 kN và loại cường độ Tmax = 400 kN/m có độ cứng EAg = 16,508 kN. Hệ số an toàn gọi tắt là FS.
Phần thứ nhất thực nghiệm lựa chọn vị trí đặt VĐKT trong nền: coi nền đắp cao tốc có ba vùng để đặt VĐKT, đó là vùng đáy nền đắp, vùng giữa nền đắp và vùng trên của nền đắp. Mỗi vùng đặt lần lượt một, hai và ba lớp VĐKT chạy thực nghiệm và cho kết quả hệ số an toàn.
Bảng 1: FS khi gia cường một lớp VĐKT ở vị trí có khoảng cách d so với mặt đường, đắp cao 10m; mái dốc 1:1.25; ce = 5kN/m2; Tmax = 400kN/m; EAg = 16,508kN
| d(m) | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 7.0 | 8.0 | 9.0 |
| FS | 1.1 | 1.11 | 1.14 | 1.17 | 1.21 | 1.25 | 1.29 | 1.34 | 1.34 | 1.34 | 1.3 | 1.17 | 1.05 | 1.01 |
Bảng 2: FS khi gia cường một lớp VĐKT ở vị trí có khoảng cách d so với mặt đường, đắp cao 10m; mái dốc 1:1.25; ce = 10kN/m2; Tmax = 400kN/m; EAg = 16,508kN
| d(m) | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 7.0 | 8.0 | 9.0 |
| FS | 1.26 | 1.28 | 1.3 | 1.33 | 1.36 | 1.39 | 1.43 | 1.46 | 1.5 | 1.52 | 1.52 | 1.4 | 1.29 | 1.19 |
Bảng 3: FS khi gia cường một lớp VĐKT ở vị trí có khoảng cách d so với mặt đường, đắp cao 10m; mái dốc 1:1.25; ce = 20kN/m2; Tmax = 200kN/m; EAg = 8254kN
| d(m) | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 | 6.0 | 7.0 | 8.0 | 9.0 |
| FS | 1.41 | 1.42 | 1.43 | 1.44 | 1.44 | 1.45 | 1.45 | 1.46 | 1.46 | 1.47 | 1.47 | 1.49 | 1.5 | 1.51 |
Bảng 4: FS khi gia cường một lớp VĐKT ở vị trí có khoảng cách d so với mặt đường, đắp cao 5.5m; mái dốc 1:1.25; ce = 0kN/m2; Tmax = 200kN/m; EAg = 8254kN
| d(m) | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 |
| FS | 1.48 | 1.43 | 1.53 | 1.59 | 1.64 | 1.62 | 1.62 | 1.55 | 1.42 |
Bảng 5: FS khi gia cường một lớp VĐKT ở vị trí có khoảng cách d so với mặt đường, đắp cao 5.5m; mái dốc 1:1.25; ce = 10kN/m2; Tmax = 200kN/m; EAg = 8254kN
| d(m) | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 |
| FS | 1.96 | 1.93 | 2.0 | 2.03 | 2.06 | 2.06 | 2.06 | 2.05 | 2.06 |
Bảng 6: FS khi gia cường một lớp VĐKT ở vị trí có khoảng cách d so với mặt đường, đắp cao 5.5m; mái dốc 1:1.25; ce = 20kN/m2; Tmax = 200kN/m; EAg = 8254kN
| d(m) | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 |
| FS | 2.07 | 2.06 | 2.12 | 2.15 | 2.18 | 2.18 | 2.19 | 2.18 | 2.17 |
Bảng 7: FS khi gia cường hai lớp VĐKT cách nhau 0.5m ở vị trí có khoảng cách d so với mặt đường, đắp cao 10m; hệ số mái dốc 1:1.25; lực dính đơn vị đất đắp ce = 5 kN/m2; VĐKT có cường độ Tmax = 400 kN/m và độ cứng EAg = 16,508 kN.
| d(m) | 1.0 | 4.5 | 8.5 |
| FS | 1.13 | 1.43 | 1.02 |
Bảng 8: FS khi gia cường ba lớp VĐKT cách nhau 1m ở vị trí có khoảng cách d so với mặt đường, đắp cao 10m; hệ số mái dốc 1:1.25; lực dính đơn vị đất đắp ce = 5 kN/m2; VĐKT có cường độ Tmax = 400 kN/m và độ cứng EAg = 16,508 kN.
| d(m) | 1.0 | 4.0 | 7.0 |
| FS | 1.28 | 1.66 | 1.18 |
Kết quả phân tích trên cho thấy: vị trí gia cố VĐKT có ảnh hưởng lớn đến hệ số an toàn FS. Tùy thuộc vào tính chất cơ lý của đất nền, đất đắp và cường độ cũng như độ cứng của VĐKT mà hệ số an toàn FS tăng dần theo vị trí đặt gia cố VĐKT từ trên xuống như Bảng 3. Trong các trường hợp phân tích khác, khi VĐKT được đặt ở ba vùng: trên, giữa và dưới thì khi đặt ở giữa nền đắp sẽ cho hệ số ổn định cao nhất. Nó đúng với cả ba trường hợp một lớp VĐKT, hai lớp VĐKT hoặc ba lớp VĐKT. Kết quả thể hiện trong bảng 1 đến Bảng 8. Các kết quả này có khác với kết quả tính hệ số an toàn FS trong công thức giải tích thông thường.
Phần thứ hai thực nghiệm khoảng cách đặt các lớp VĐKT trong nền: chọn lực dính đơn vị đất đắp có ce = 20 kN/m2 để tính. VĐKT được đặt các nhau từ 0.2m; 0.3m; 0.4m; 0.5m; 1m; 1.5m và 2m, chạy thực nghiệm và cho các kết quả hệ số an toàn FS trong các bảng tổng hợp như sau:
Bảng 9: FS khi VĐKT từ 0 đến 5 lớp đặt ở vùng trên, cách nhau 0.2; 0.3; 0.5; 1; 1.5 và 2m
| Số lớp VĐKT | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| FS0.2m | 1.33 | 1.45 | 1.46 | 1.49 | 1.5 | 1.51 |
| FS0.3m | 1.33 | 1.43 | 1.48 | 1.5 | 1.52 | 1.54 |
| FS0.5m | 1.33 | 1.45 | 1.49 | 1.53 | 1.57 | 1.61 |
| FS1.0m | 1.33 | 1.45 | 1.52 | 1.6 | 1.71 | 1.85 |
| FS1.5m | 1.33 | 1.45 | 1.75 | 2.01 | 2.06 | 2.37 |
| FS2m | 1.33 | 1.45 | 1.59 | 1.82 | 2.11 | 2.46 |
Bảng 10: FS khi VĐKT từ 0 đến 5 lớp đặt vùng giữa, cách nhau 0.2; 0.3; 0.5; 1; 1.5 và 2m
| Số lớp | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| FS0.2m | 1.33 | 1.6 | 1.76 | 1.79 | 1.78 | 1.81 |
| FS0.3m | 1.33 | 1.61 | 1.78 | 1.81 | 1.83 | 1.84 |
| FS0.5m | 1.33 | 1.6 | 1.74 | 1.84 | 1.87 | 1.96 |
| FS1.0m | 1.33 | 1.6 | 1.76 | 1.95 | 1.99 | 2.21 |
| FS1.5m | 1.33 | 1.6 | 1.75 | 2.01 | 2.06 | 2.37 |
| FS2m | 1.33 | 1.6 | 1.74 | 2.06 | 2.13 | 2.46 |
Bảng 11: FS khi VĐKT từ 0 đến 5 lớp đặt vùng dưới, cách nhau 0.2m; 0.3m; 0.5m; 1m; 1.5m và 2m
| Số lớp | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| FS0.2m | 1.33 | 1.5 | 1.74 | 1.74 | 1.78 | 1.84 |
| FS0.3m | 1.33 | 1.5 | 1.77 | 1.76 | 1.89 | 1.88 |
| FS0.5m | 1.33 | 1.5 | 1.78 | 1.85 | 1.97 | 2.15 |
| FS1.0m | 1.33 | 1.5 | 1.8 | 2.06 | 2.55 | 2.79 |
| FS1.5m | 1.33 | 1.5 | 1.86 | 2.32 | 2.56 | 2.73 |
| FS2m | 1.33 | 1.5 | 2.01 | 2.31 | 2.53 | 2.61 |
Tổng hợp các kết quả, một số biểu đồ đặt VĐKT ở ba vùng như sau:
Lấy giá trị trung bình cộng của hệ số an toàn FSav trong ba trường hợp đặt tại các vùng trên, giữa và dưới cho từng loại VĐKT cách nhau: 0.2m; 0.3m; 0.5m; 1m; 1.5m và 2m ta có Bảng 12 sau:
Bảng 12: Hệ số an toàn trung bình (FSav)
| Số lớp VĐKT | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| FSav 0.2m | 1.33 | 1.52 | 1.65 | 1.67 | 1.69 | 1.72 |
| FSav 0.3m | 1.33 | 1.51 | 1.68 | 1.69 | 1.75 | 1.75 |
| FSav 0.5m | 1.33 | 1.52 | 1.67 | 1.74 | 1.80 | 1.91 |
| FSav 1m | 1.33 | 1.52 | 1.69 | 1.87 | 2.08 | 2.28 |
| FSav 1.5m | 1.33 | 1.52 | 1.79 | 2.11 | 2.23 | 2.49 |
| FSav 2m | 1.33 | 1.52 | 1.78 | 2.06 | 2.26 | 2.51 |
Lấy tỷ lệ giữa FSav 0.3m và FSav 0.2m đối với các trường hợp đặt 1, 2, 3, 4, 5 lớp VĐKT. Thực hiện tương tự đối với các trường hợp tỷ lệ khác giữa FSav 0.5m và FSav 0.3m; tỷ lệ giữa FSav 1 và FSav 0.5m; tỷ lệ giữa FSav 1.5 và FSav 1m; tỷ lệ giữa FSav 2 và FSav 1.5m, chúng ta có Bảng 13 sau:
Bảng 13: Tỷ lệ hệ số trung bình của các giá trị an toàn trung bình (FSav)
| Số lớp VĐKT | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| FSav(0.3/0.2)m | 1.00 | 1.00 | 1.01 | 1.01 | 1.04 | 1.02 |
| FSav(0.5/0.3)m | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.03 | 1.03 | 1.09 |
| FSav(1/0.5)m | 1.00 | 1.00 | 1.01 | 1.07 | 1.16 | 1.20 |
| FSav(1.5/1)m | 1.00 | 1.00 | 1.06 | 1.13 | 1.07 | 1.09 |
| FSav(2/1.5)m | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 0.98 | 1.01 | 1.01 |
Các kết quả thực nghiệm trên có thể tổng kết lại như sau: nền đắp cao được gia cố bằng 2 hoặc 3 lớp VĐKT thì hệ số an toàn đạt cao nhất khi các lớp VĐKT đặt cách nhau 1.5m; gia cố 4 hoặc 5 lớp VĐKT, hệ số an toàn đạt cao nhất khi các lớp VĐKT đặt cách nhau 1m. Trong nền đắp cao số lớp VĐKT cách nhau 0.2m; 0.3m; 0.5m hoặc 2m, hệ số an toàn không được phát huy tốt như khi đặt cách nhau 1m hoặc 1.5m. Ngoài ra, với việc bố trí các lớp VĐKT cách nhau 1m hoặc 1,5m, hệ số an toàn trung bình tăng từ 2 đến 3 lớp, lên 4 lớp và tối đa 5 lớp. Do đó việc lựa chọn vị trí đặt VĐKT gia cố trong nền đắp cao đã có ảnh hưởng đến hệ số an toàn. Với kết quả phân tích thực nghiệm này, chọn vị trí đặt VĐKT trong nền đắp, nếu nền đắp cao được chia thành 3 vùng: trên, giữa và dưới thì các lớp VĐKT gia cố ở giữa nền sẽ cho hệ số an toàn cao hơn 2 khu vực còn lại. Khi đất làm việc cùng với VĐKT, lực dính đơn vị đất đắp (ce) ảnh hưởng đến hệ số an toàn (FS). Khi ce = 0 hoặc bé, các kết luận như trên là hợp lý. Tuy nhiên, khi lực dính của đất đắp (ce) cao (≥ 20 kN/m2) cần có thêm các trường hợp phân tích thực nghiệm khác để kết luận được hoàn thiện hơn.
Với kết quả phân tích trong phần thứ hai “Phân tích thực nghiệm khoảng cách giữa các lớp VĐKT trong nền đắp” thấy rằng khi sử dụng đất đắp có ce = 20 kN/m2 thì các lớp VĐKT được gia cố ở giữa nền đắp cũng có hệ số an toàn cao hơn 2 khu vực còn lại (số lớp VĐKT đặt một, hai hoặc ba lớp cách nhau 0.2m; 0.3m; 0.5m; 1.5m và 2m). Sau đó, tăng lên 4 hoặc 5 lớp VĐKT, cũng với 0.2; 0.3; 0.5; 1; 1.5 và 2m thì kết quả của hệ số an toàn khi đặt VĐKT dưới đáy nền là lớn nhất rồi đến vùng giữa và tiếp theo là vùng trên của nền đắp. Khi đặt các lớp VĐKT cách nhau 0.2; 0.3; 0.5m, hệ số an toàn tăng nhỏ, nhưng các lớp VĐKT cách nhau 1; 1.5 và 2m thì hệ số an toàn tăng mạnh.
Như vậy khoảng cách đặt VĐKT tùy thuộc vào tính cơ lý của đất; cường độ, độ cứng của VĐKT, chọn sao cho cả đất và VĐKT đều đạt đến trạng thái phá hoại thì hệ số an toàn phát huy cao nhất. Với loại đất đắp, đất nền và VĐKT đã được chọn phân tích trong phạm vi báo cáo thông tin khoa học này, hệ số an toàn được phát huy cao nhất là khi các lớp VĐKT đặt cách nhau từ 1m đến 1,5m.
Huỳnh Ngọc Hào
Phân hiệu Trường Đại học Xây dựng miền Trung Tp Đà Nẵng. E-mail: [email protected]
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bộ Giao thông vận tải – Tổng công ty đầu tư phát triển đường cao tốc Việt Nam (2015), Hồ sơ thiết kế và thi công cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi. Và các chương trình tính toán.
[2]. Huỳnh Ngọc Hào, Vũ Đình Phụng (2013), “Mô hình tính bài toán ổn định nền đắp đường, đê, đập gia cường VĐKT bằng phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến ứng xử kéo của VĐKT và quan hệ ứng suất biến dạng của phần tử tiếp xúc giữa đất nền và VĐKT”. Tạp chí Cầu Đường ISSN 1859-459X, (số 11),Tr.08-11.
[3]. Huỳnh Ngọc Hào, Vũ Đức Sỹ, Vũ Đình Phụng (2014), “So sánh kết quả phân tích mặt trượt ổn định mái dốc theo phương pháp phần tử hữu hạn bằng chương trình tính hnh_ress và phương pháp giải tích”, Tạp chí Cầu Đường ISSN 1859-459X, (số 1+2), Tr.38-41.
[4]. Huỳnh Ngọc Hào (2014), “Nghiên cứu xác định hình dạng mặt trượt nguy hiểm mái dốc nền đường ô tô đắp cao”, Hội thảo Quốc tế Việt – Pháp, An toàn cho các công trình Đê và Đập nhỏ. Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội, ISBN 978-604-82-1322-0, Tr.37-44.
[5]. Huỳnh Ngọc Hào (2017), Sự ảnh hưởng của độ cứng VĐKT gia cường đến hệ số an toàn ổn định nền đường đắp cao tốc. Tạp chí Cầu Đường Việt Nam ISSN 1859-459X Số 7-2017, Tr.5-12.
[6]. Huỳnh Ngọc Hào (2017), “Bàn về vị trí đặt cốt mềm VĐKT gia cường trong công trình xây dựng đường, đê, đập nhằm phát huy tăng cường hệ số an toàn ổn định”, Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-0762, Số 12-2017. Tr 69-72.
[7]. THuỳnh Ngọc Hào (2020), “Bàn về sự lựa chọn khoảng cách giữa các lớp VĐKT gia cường trong nền đường đắp nhằm phát huy hệ số an toàn ổn định”, Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-0762, Số 08-2020. Tr 226-231.
[8]. Koerner, R. M. (2005), Designing with Geosynthetics – fifth edition, The Pearson Prentice Hall publisher in the United States of America.
