TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 319
ĐÁNH GIÁ LÚN LỆCH NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP VEN
SÔNG THEO THÀNH PHẦN ỨNG SUẤT TRONG NỀN GIỚI HẠN
EVALUATING DIFFERENT SETTLEMENT OF SOFT GROUND UNDER
EMBANKMENT ALONG RIVER SIDE ACCORDING TO STRESS ELEMENTS
IN LIMITED GROUND
PGS. TS. Bùi Trường Sơn
Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM
TÓM TẮT
Do bị phân cắt nên phân bố ứng suất trong nền đường đắp ven sông khác biệt. Căn
cứ cơ sở phân chia độ lún thành hai thành phần và phân bố ứng suất trong nền giới
hạn, việc đánh giá sự phân bố độ lún và độ lún lệch được thực hiện. Kết quả tính
toán cho thấy độ lún và độ lún lệch của nền đường ven sông lớn hơn so với trường
hợp bán không gian vô hạn. Kết quả tính toán cho thấy sự cần thiết xét đến điều kiện
mặt bằng thực tế kế cận công trình, đặc biệt đối với khu vực có nhiều kênh rạch như
khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.
ABSTRACT
Because of cleavage, stress distribution in ground under embankment along river
side is different. Based on division of settlement into two components and stress
distribution of limited ground, the evaluating settlement distribution is carried out.
The calculation results show that settlement and different settlement are greater in
comparison with unlimited half space. The research results show the necessary to
account the real site next to construction, espectially for the area consisted of many
canals as Mekong delta.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Chuyển vị của nền đất yếu dưới công trình đắp chủ yếu được nghiên cứu đánh giá
căn cứ vào kết quả quan trắc và từ đó mức độ chuyển vị ngang hay tỷ lệ chuyển vị
ngang và đứng được rút ra theo kinh nghiệm [1], [2], [3]. Trong tính toán trên cơ sở lý
thuyết, việc dự tính độ lún và độ lún của nền đất theo thời gian thường được thực hiện
với ứng suất theo phương đứng khi xem nền là bán không gian đàn hồi tuyến tính [4],
[5], [6].
Chuyển vị ngang của nền trong quá trình thi công cũng như sử dụng lâu dài được
phân tích dựa trên lộ trình ứng suất có hiệu xảy ra trong nền trong quá trình thi công
cũng như sử dụng lâu dài. Các tài liệu [1], [2], [3] trình bày lộ trình ứng suất có hiệu
cũng như mối quan hệ giữa độ lún S và chuyển vị ngang lớn nhất ym. Ngoài ra, khi nền
sét bão hòa ở điều kiện không thoát nước, độ gia tăng chuyển vị ngang lớn nhất gần
bằng với độ lún ở bề mặt nền bên dưới tâm công trình đắp. Kết hợp nhiều số liệu quan
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
320 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
trắc, Tavenas đề nghị biểu thức quan hệ đánh giá mức độ chuyển vị ngang lớn nhất: ∆ym
= 0,19.∆S.
Thực tế, chuyển vị và độ lún của nền đất phụ thuộc vào điều kiện mặt bằng xây
dựng và chịu ảnh hưởng của trạng thái ứng suất ban đầu. Đối với công trình đường và
đắp ở khu vực lân cận kênh rạch, do giới hạn của biên ngang, chuyển vị ngang có thể
lớn hơn và gây độ lún lệch cho công trình. Để đánh giá sự chênh lệch chuyển vị hay độ
lún có thể căn cứ vào trạng thái ứng suất trong nền giới hạn hoặc mô phỏng bằng
phương pháp phần tử hữu hạn.
2. CÁC VẤN ĐỀ VỀ ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT TRONG NỀN GIỚI
HẠN VÀ ĐẶC ĐIỂM BIẾN DẠNG CÓ XÉT ĐẾN CHUYỂN VỊ NGANG CỦA
ĐẤT NỀN
Cho đến nay, trong các bài toán Địa kỹ thuật, việc tính toán thông thường được
bắt đầu bằng cách đánh giá trạng thái ứng suất ban đầu và sự thay đổi trạng thái ứng
suất do việc xây dựng công trình. Sau đó, giá trị biến dạng hay khả năng mất ổn định
được đánh giá tiếp theo do thay đổi trạng thái ứng suất ban đầu. Đối với các bài toán
thông thường, ứng suất trong nền được xác định theo mô hình bán không gian đàn hồi
tuyến tính. Đối với công trình ven sông, do bề mặt bị phân cắt nên trạng thái ứng suất
khu vực gần bờ sông có thể khác biệt. Do đó, mức độ chuyển vị và độ lún của nền công
trình gần biên này có thể khác biệt và gây chênh lệch trong độ lún. Nội dung dưới đây
bao gồm các vấn đề về đánh giá trạng thái ứng suất trong nền giới hạn và đặc điểm biến
dạng có xét đến sự trượt ngang của đất nền.
2.1. Các thành phần ứng suất trong nền giới hạn
Trong việc ước lượng độ lún nền công trình, việc chọn lựa mô hình nền đóng vai
trò quan trọng và là yếu tố quyết định đến kết quả dự báo độ lún. Ngoài ra, tồn tại nhiều
nghiên cứu liên quan đến việc chọn lựa phạm vi ảnh hưởng của tác động tải trọng công
trình, ở đây có thể liệt kê một số phương pháp: TCVN, phương pháp lớp tương đương
theo N.A. Txưtovich, phương pháp căn cứ vào độ bền cấu trúc theo N.A. Txưtovich,
phương pháp xác định vùng chịu nén cố kết thấm theo giá trị gradient ban đầu io theo
N.N. Maslov.
Hình 1. Sơ đồ nền giới hạn theo phương đứng và phương ngang do tải trọng hình băng phân bố
đều
2b
+
l
h
z
x
-
l
0
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 321
Quá trình hình thành trạng thái ứng suất biến dạng trong đất nền khi chịu tác dụng
tải trọng ngoài chỉ giới hạn trong một phạm vi nào đó. Phạm vi ảnh hưởng này phụ
thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm đặc trưng cơ lý, độ bền cấu trúc của đất nền, độ lớn và
kích thước diện gia tải và các yếu tố khác. Để thuận tiện cho việc sử dụng các thuật toán
và tính toán, có thể chọn mô hình nền dạng hình chữ nhật (Hình 1). Mô hình này có thể
áp dụng được do có xét đến giới hạn vùng biến dạng theo phương đứng và phương
ngang đối với bài toán phẳng.
Xét bài toán ứng suất phân bố đều trên diện chịu tải với bề rộng 2b có nền giới
hạn theo phương đứng tới độ sâu h và theo phương ngang từ -l đến +l (Hình 1). Để xác
định ứng suất trong khối đất giới hạn dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều, điều kiện
biên trên và biên dưới như sau [7]:
Khi z = h: chuyển vị đứng: v = 0; (1)
Khi z = 0: σz(x, 0) = p (-b ≤ x ≤ b) (2)
σz(x, 0) = 0 (-l ≤ x ≤ -b) và (b ≤ x ≤ l)
τxz(x, 0) = 0 (3)
Điều kiện biên ngang khi xem không có ứng suất tại biên này ứng với trường hợp
không bị khống chế bởi đất do gần kênh rạch:
Khi x = ± l: z x
( l, z) 0; ( l, z) 0;
σ ± = σ ± =
(4)
Các thành phần ứng suất cho điều kiện biên thứ hai có thể tìm được dưới dạng [7]:
( )
(
)
(
)
(
)
[
]
(
)
[
]
(
)
(
)
[
]
[
]
( ) ( )
x
hhsh
hshhzshhzhzchhchhhsh
m
bp
zx
m
z
α
αα
αααααααα
π
σ
cos
22
sin4
,
1+
⋅−⋅−−−⋅⋅+
⋅= ∑
∞
=
( )
]
]
)
)
(
)
[
( ) ( )
x
hhsh
hzshhshzhhzchhchhhsh
m
bp
zx
m
x
α
αα
αααααααα
π
σ
cos
22
sin4
,
1+
−⋅⋅−−−⋅⋅+−
⋅−= ∑
∞
=
( )
(
)
(
)
(
)
[
]
(
)
(
)
(
)
[
]
( ) ( )
x
hhsh
hzchhshhzhzshhchh
m
bp
zx
m
xz
α
αα
ααααααα
π
τ
sin
22
sin4
,
1+
−⋅⋅−−−⋅⋅
⋅−= ∑
∞
=
Với:
l
m
2
π
α
=
Từ các giá trị các thành phần ứng suất có thể tìm được các thành phần biến dạng
tại điểm bất kỳ trong nền trên cơ sở lý thuyết đàn hồi. Hơn nữa, bằng phương pháp chia
bậc, các thành phần ứng suất dưới tác dụng của tải trọng hình thang cũng có thể được
xác định [7].
2.2. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị trên cơ sở lý thuyết đàn hồi
Để xác định độ lún trên cơ sở lý thuyết đàn hồi theo sơ đồ bài toán phẳng cần thiết
phải phân chia độ lún thành 2 thành phần: do biến dạng thể tích và do biến dạng hình
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
322 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
dạng. Trong trường hợp này, chuyển vị đứng hay độ lún tại điểm có tọa độ bất kỳ có thể
xác định bằng công thức sau [8]:
-
2
h
z
z
v S dz
G K
σ σ σ
= = +
∫ (5)
Với: h – bề dày lớp chịu nén; K – module biến dạng thể tích:
( )
3 1- 2
E
K
ν
=; G –
module biến dạng hình dạng:
( )
2 1
E
G
ν
=
+
; E – module biến dạng; ν - hệ số Poisson;
σz, σ - ứng suất theo phương đứng và ứng suất đẳng hướng do tải trọng ngoài.
Khi z = 0: chuyển vị theo phương đứng tại bề mặt nền chính là độ lún.
3. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ LÚN LỆCH NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG
VEN SÔNG Ở AN GIANG
3.1. Giới thiệu sơ đồ bài toán và cấu tạo địa chất đặc trưng ở An Giang
Do điều kiện tự nhiên nên đặc điểm giao thông ở các tỉnh miền Tây Nam Bộ
thường kết hợp giao thông thủy - bộ. Do khan hiếm vật liệu và việc vận chuyển khó
khăn nên công trình đường thường sử dụng đất đắp địa phương và đường bộ được bố trí
cặp song song với kênh rạch khai đào (Hình 2).
Hình 2. Đường giao thông ven sông rạch ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long
Để đánh giá chuyển vị của nền đất yếu dưới công trình ven kênh rạch, chúng tôi
lựa chọn quy mô đường cấp III đồng bằng, đoạn ven kênh ở tỉnh An Giang. Trong
trường hợp này, chiều cao đắp lớn nhất có giá trị đến 1,5 m, độ dốc mái taluy 1:1,5. Sơ
đồ cấu tạo đặc trưng của đường trên đất yếu ven kênh rạch thể hiện như ở Hình 3. Vật
liệu đắp có dung trọng trung bình γ = 19 KN/m3.
TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 323
Hình 3. Sơ đồ mặt cắt ngang và kích thước đường đắp ven kênh rạch
Căn cứ hồ sơ khảo sát địa chất công trình ở khu vực huyện Chợ Mới, tỉnh An
Giang, đặc trưng cơ lý các lớp đất được tóm tắt như sau:
- Lớp 1: Bùn sét pha, bụi màu xám nâu, có bề dày 6 m: độ ẩm W = 48,0%, trọng
lượng riêng tự nhiên γ = 16,5 KN/m3, trọng lượng riêng khô γd = 11,2 KN/m3, hệ số
rỗng e = 1,416, độ rỗng n = 57,1%, độ bão hòa Sr = 99,2%, lực dính hữu hiệu (CU) c’ =
10,1 KN/m2, góc ma sát trong hữu hiệu (CU) ϕ’ = 12o25’.
- Lớp 2: Cát bụi, màu xám, chặt vừa, có bề dày 2,5 m: độ ẩm W = 26,2%, trọng
lượng riêng tự nhiên γ = 18,6 KN/m3, trọng lượng riêng khô γ d = 14,7 KN/m3, hệ số
rỗng e = 0,791, độ rỗng n = 44,2%, độ bão hòa Sr = 89,2%, lực dính c = 6,1 KN/m2, góc
ma sát trong ϕ = 32o25’.
- Lớp 3 : Cát trung, màu xám, chặt vừa, có bề dày 15 m: độ ẩm W = 19,8%, trọng
lượng riêng tự nhiên γ = 19,3 KN/m3, trọng lượng riêng khô γ d = 16,1 KN/m3, hệ số
rỗng e = 0,639, độ rỗng n = 39%, độ bão hòa Sr = 83,3%, lực dính c = 4,2 KN/m2, góc
ma sát trong ϕ = 33o23’.
Do bên dưới lớp đất yếu là các lớp khá tốt và biến dạng không đáng kể nên độ lún
chủ yếu xảy ra trong lớp đất yếu có bề dày 6 m. Căn cứ kết quả nén lún và trạng thái
ứng suất trong nền, module tổng biến dạng trung bình của lớp bùn á sét có giá trị Eo =
873 KN/m2. Ở đây, hệ số Poisson được chọn ν = 0,3. Module biến dạng không thoát
nước Eu được xác định theo kết quả thí nghiệm nén ba trục theo sơ đồ CU ở cấp áp lực
buồng σ3 = 50 KN/m2 có giá trị Eu = 3209 KN/m2.
Theo [9], độ lún của nền đường trên đất yếu được dự tính theo sơ đồ bài toán một
chiều như sau:
1
0
0 0
0,136 48
log 6 log 0,132
1 1 1, 416 19,5
c
Cp
S h m
e p
= = =
+ +
m