Những vấn đề thường gặp phải của các kỹ sư ở Việt Nam nói riêng, châu Á nói chung. Là thiết kế và thi công công trình đường bộ và các công trình dân dụng trên nền đất yếu. Bão hòa nước có sức kháng xuyên thủng CBR thường nhỏ hơn 1%.
Đặc tính và địa chất hầu hết ở Việt Nam chủ yếu là đất sét yếu và bùn sét. Chúng có hệ số nén lún và biến dạng rất lớn. Vậy nên cần phải có phương án xử lý lún, nén. Ngăn ngừa các biến dạng lún không đều. Được đề cập một cách khiêm tốn trong bài viết này.
Vải địa kỹ thuật dệt và vải địa kỹ thuật không dệt, cũng như Phức hợp. Hiện nay chúng được phổ biến hơn bao giờ hết. Nhằm cải thiện sự ổn định của nền móng trên những tầng đất yếu. Đồng thời giảm thiểu chi phí và thời gian thi công các công trình.
Việc nhận thức rõ ràng về lợi ích của vải địa, cũng như việc tính toán vải địa kỹ thuật phù hợp với công trình. Cũng như các nguyên tắc thiết kế của các kỹ sư ở Việt Nam. Chưa phản ánh đúng thực trạng, cũng như những bất cập mà họ gặp phải chưa phù hợp với đất nền của thực địa.
Bài viết nhằm cung cấp thêm một vài điểm cần tham khảo cho quý khách. Bởi lẻ những Tiêu chuẩn vải địa kỹ thuật và chỉ tiêu thí nghiệm là rất phức tạp. Đòi hỏi yêu cầu thí nghiệm và các chỉ tiêu nghiệm thu theo TCVN 9844 : 2013.
Những ưu điểm của công trình sử dụng vải địa
Khi xây dựng nền đường bộ, hoặc các công trình dân sinh khác trên nền đất yếu. Độ bão hòa nước xuất phát từ ổn định hóa nền đường hoặc nền công trình. Trường hợp không dùng vải địa kỹ thuật các lớp vật liệu sẽ trộn lẫn vào nhau. Ứng suất của lực nén từ cơ giới như xe cộ, bị phá vỡ. Và chúng rất khó để đắp theo một khối thông thường.
Khi sử dụng vải địa kỹ thuật, lợi ích mang lại tức thời như sau:
Ngăn ngừa đất yếu thâm nhập lên kết cấu nền đường, nền công trình, bảo toàn các tính chất cơ lý của nền móng và do đó đảm bảo tính truyền tải hiệu quả của nền đường và mặt phẳng của các công trình xây dựng trên nó.
Giảm khối lượng đất cho khối đắp. Các lớp vật liệu yếu và vật liệu thô không trộn lẫn vào nhau. Bảo đảm khối lượng đất đắp và giảm giá thành thi công.
Giảm chiều sâu bóc tách nền móng cho khối đắp. Giảm chi phí cho công tác san lấp mặt bằng.
Gia tăng khả năng chịu tải dưới áp lực cục bộ của phương tiện cơ giới.
Lĩnh vực áp dụng:
Tài liệu được cung cấp bởi nhà sản xuất vải địa kỹ thuật TS. Tuy vậy, quý bạn có thể sử dụng những tính toán này để áp dụng cho các loại vải không dệt khác. Bất cứ kết cấu của công trình nào được xây dựng trên nền đất yếu. Các tính toán vải địa kỹ thuật này áp dụng trong các lĩnh vực tiêu biểu sau đây:
Đường cao tốc, đường nông thôn, đường liên tỉnh liên xã. Hoặc các khối đắp gia cố bờ be.
Đê kè, chân đập và lót sử dụng chung với Rọ đá, thảm đá.
Sân bãi, kho hàng và cầu cảng.
Nền cho các khu dân cư, khu công nghiệp.
Các chức năng của vải địa kỹ thuật
Vải địa kỹ thuật không dệt TS được các kỹ sư ở Việt Nam sử dụng từ rất sớm. Với công nghệ dệt xuyên kim sợi dài liên tục. Chúng được khuyến cáo sử dụng trong hầu hết các công trình trên nền đất yếu.
Từ những năm 2000 trở lại đây. Thị trường ở Việt Nam, vải địa kỹ thuật không dệt được sản xuất trong nước và dần thay thế chúng ở những công trình trọng điểm Quốc Gia.
Vải địa kỹ thuật nói chung, kể cả vải địa kỹ thuật dệt, chúng có một chức năng chung là phân cách gia cường và tiêu thoát nước. Trên nền đất yếu có độ bão hòa CBR 1%, gọi là đất mềm “nhũn như cháo” thì mọi công trình xây dựng trên đó đều phải được xử lý với một hoặc nhiều chức năng sau:
Phân cách các lớp vật liệu cho khối đắp
Gia cường nền đất cho khối đắp
Tiêu thoát nước, lọc ngược
Chức năng Phân cách:
Phương pháp thông thường để ổn định lớp đất trên nền đất yếu, bằng khối đắp có hệ số bão hòa nước là tăng chiều dày khối đắp. Nhằm bù vào lượng đất bị lún hoặc chìm mất vào nền đất yếu. Nếu độ bão hòa CBR nhỏ hơn 0.5 nó có thể tăng chiều dày khối đắp lên gấp đôi.
Việc tính toán vải địa kỹ thuật sử dụng một cách hợp lý, giữa đất yếu và nền đường. Ngăn cản sự hòa lẫn giữa hai loại đất. Ngăn ngừa tổn thất của đất đắp và do đó tiết kiệm được chi phí xây dựng.
Ngoài ra vải địa kỹ thuật phân cách còn ngăn chặn không cho cốt vật liệu đất yếu thâm nhập vào nền đường. Đảm bảo các tính chất cơ lý của vật liệu đắp.(modul đàn hồi, góc ma sát…) và do đó nền đường hấp thu và chịu được toàn bộ tải trọng của cơ giới.
Chức năng gia cường:
Đối với những nền đường có cao độ thấp từ 0.5 đến 1.5m, theo thiết kế khuyến cáo thì nên dùng vải địa kỹ thuật cường độ cao. Chúng được cho như là một kết cấu chịu lực của nền móng đường bộ.
Trong khi đó hai lực tác động lên nền của cơ giới, lực kháng kéo của vải địa kỹ thuật gia cường là theo phương ngang. Lực tác động của bánh xe cơ giới là theo phương đứng.
Vải địa kỹ thuật gia cường hiện nay ở Việt Nam thông dụng nhất vẫn là vải địa kỹ thuật dệt GET. Chúng được sử dụng cùng với các loại thông dụng như vải địa kỹ thuật PP hoặc vải địa kỹ thuật cường độ cao nhập khẩu.
Cường độ chịu kéo và chịu uốn, biến dạng của vải rất quan trọng. Chúng quyết định hầu hết lực chịu tải của bánh xe lên nền đường. Trong thực tế, tải trọng của bánh xe lên nền có vải địa kỹ thuật. Chủ yếu là vải có chức năng phân cách, hơn là vải gia cường cốt liệu.
Trong trường hợp đường có tầng mặt cấp cao. (đường nhựa, đường bê tông). Hiệu năng từ chức năng gia cường rất giới hạn. Bởi vì để lực kéo của vải địa có tác dụng. Chuyển vị của mặt đường phải lớn trong kết cấu móng. Để lực biến dạng ngang tương ứng. Điều này không cho phép trong thiết kế của tầng mặt đường cấp cao.
Trường hợp xây dựng đê đập, hay đường có khối đắp cao, có thể dẫn đến khả năng trượt mái hoặc chuyển vị ngang của đất đắp. Vải địa kỹ thuật gia cường có thể đóng vai trò cốt gia cường.
Cung cấp lực chống trượt theo phương ngang, nhằm gia tăng ổn định của mái dốc. Trong trường hợp này vải địa có chức năng gia cường. Mời bạn xem tiếp phần sau.
Việc tính toán vải địa kỹ thuật không dệt, trong trường hợp phân cách. Là một loại vật liệu có khả năng tiêu thoát tốt, cả hai phương đứng và ngang. Vì vậy loại vải này có khả năng tiêu tán nhanh các áp lực nước thặng dư trong quá trình thi công.
Do đó sức kháng cắt của khối đắp sau khi thi công sẽ được gia tăng.
Vải địa kỹ thuật dệt trong trường hợp này, khả năng tiêu thoát kém. Hoặc các loại vải địa kỹ thuật có kích thước lổ không đáp ứng, dễ bồi tắc vô tình chúng lại làm như một lớp chống thấm. Vải địa kỹ thuật lúc này lại làm chậm quá trình cố kết của nền đất đắp.
Phân biệt các tính năng của vải địa kỹ thuật:
Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc tính toán vải địa kỹ thuật và thiết kế. Giữa đất đắp và nền đất yếu là việc xác định chức năng chính của vải Phân cách hay Gia cường.
Xây dựng các loại đường và công trình đất
Đối với các công trình trên nền đất yếu với chiều cao tương đối thấp. Chức năng chính (Sơ cấp) của vải địa là chức năng phân cách, kể cả trong quá trình xây dựng. Cũng như trong thời kỳ vận hành sau này.
Các chức năng thứ cấp như, tiêu thoát, lọc ngược. Góp phần đáng kể và làm cải thiện điều kiện làm việc của nền đường đắp trên các loại nền đất yếu bão hòa nước. Có độ bão hòa CBR 1%.
Đê đập và đường dẫn vào cầu
Trong công tác xây dựng đường dẫn vào cầu và đê đập cao. Việc đánh giá ảnh hưởng của vải địa trong mỗi giai đoạn thi công tương ứng là rất cần thiết. Thường xuyên và theo dõi chặt chẽ hơn. Chức năng phân cách đóng vai trò chính trong các trường hợp sau:
Trong quá trình thi công, chiều cao khối đắp chưa đủ lớn để gây ra ứng suất kéo thích hợp trong vải địa.
Nếu phá hủy của đập là “phá hủy nền” (trượt sâu không qua thân đập) do khả năng chịu tải của nền quá nhỏ. Toàn bộ thân đập chìm lún sâu xuống nền đất yếu.
Nếu thời gian thi công đủ dài cho nền đất yếu cố kết. Theo dõi sự gia tăng sức kháng cắt sau mỗi lớp đất đắp.
Các chức năng chính của vải địa kỹ thuật gia cường, đồng thời là phân cách trong các trường hợp sau:
Ở cuối giai đoạn thi công. Khi mà áp lực đứng do chiều cao đất đắp gây ra đủ lớn, để phát triển biến dạng ngang trong vải địa. Trong trường hợp này, mặt trượt cắt qua lớp vải địa theo kiểu Phá hủy chân. (Trượt sâu qua thân và nền đập).
Thời gian không đủ để nền đất yếu cố kết và gia tăng sức kháng cắt sau mỗi lớp đất đắp.
Trong tất cả các ứng dụng trên. Các chức năng tiêu thoát và lọc ngược của vải địa kỹ thuật rất quan trọng. Nhằm tạo điều kiện tiêu tán nhanh áp lực nước thặng dư trong các kẻ rổng của quá trình thi công khối đắp.
Các tiêu chuẩn thiết kế
Với những ứng dụng mà vải địa có những chức năng chính là phân cách. Tiêu biểu như các loại đường có và không có mặt cấp cao. Thì các tiêu chuẩn chính cho việc chọn lựa vải địa kỹ thuật là.
Vải có khả năng chống hư hỏng trong thi công và lắp đặt
Vải có đặc điểm thích hợp là lọc ngược và tiêu thoát nước.
Với các đê đập cao, các chức năng chính là gia cường và phân cách, thì cường độ chịu kéo của vải cũng phải đủ lớn. Vải cũng phải chịu được ứng suất thi công của cơ giới, đảm bảo tính chất thoát nước hai chiều trong vải, tiêu thoát lọc ngược.
Tính toán vải địa kỹ thuật – Sức kháng chọc thủng trong thi công
Để có khả năng phân cách hiệu quả. Vải địa kỹ thuật phải được bảo đảm không bị chọc thủng,hư hỏng trong thi công. Trong khi đổ đất, đặc biệt là trên diện rộng. Các vật liệu sắc nhọn, các lớp đắp không đủ dày. Do đó chiều dày thiết kế tối thiểu của vải là phải được đảm bảo trong suốt quá trình thi công.
Ngăn ngừa các trường hợp chọc thủng vải như, bánh xích xe cớ giới, đất đá sắc nhọn, rễ cây thực vật… Vì thế vải địa kỹ thuật phải thỏa mãn các yêu cầu đó xuyên suốt quá trình thi công nền đất, nền đường.
Lực kháng xuyên thủng trong tính toán vải địa kỹ thuật có thể xác định dựa theo điều kiện cân bằng lực sơ họa. Tổng nội lực theo phương đứng sinh ra trong vải địa là (FEven) ngay tại thời điểm xuyên thủng được tính như sau:
Feven = πdh.hh.P
Trong đó:
dh = Đường kính trung bình của lổ thủng
hh = Độ lún xuyên thủng lấy bằng dh
P = Áp lực do tải trọng bánh xe tác dụng ở cao trình lớp vải.
Cần lưu ý rằng: để đánh giá sức kháng thủng trong thi công và lắp đặt. Cần phải xem xét cả về cường độ chịu kéo, lẫn biến dạng kéo đứt của vải. Để hấp thu và chống đỡ ứng suất xuyên thủng, vải địa kỹ thuật không dệt phải có độ giãn dài lớn. Hoặc cường độ chịu kéo cao, hoặc cả hai trường hợp. Vì năng lượng chọc thủng là tích số của cường độ chọc thủng và độ giãn dài khi thủng.
Vì vậy. Để thỏa mãn một năng lượng chọc thủng, vải có độ dài kéo đứt nhỏ hơn cần phải có cường độ chọc thủng thiết kế lớn hơn và ngược lại. Vải có độ giãn dài kéo đứt lớn hơn có thể chọn cường độ tương ứng nhỏ hơn.
Tính toán vải địa kỹ thuật theo Tiêu chuẩn lọc ngược
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 lổ hổng đủ nhỏ để ngăn chặn không cho các hạt đất cần bảo vệ đi qua. Đồng thời kích thước lổ cũng phải đủ lớn để khả năng thấm nước. Bảo đảm cho áp lực nước trong kẻ rỗng được thoát đi nhanh chóng.
Tiêu chuẩn về vải địa kỹ thuật không dệt TS hiện nay. Được cho là tốt nhất bởi công nghệ dệt xuyên kim sợi dài. Được minh họa trong bảng 4.
Tiêu chuẩn này được thiết kế dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và ở hiện trường. Trong thời gian 20 năm qua mà nhà sản xuất vải địa kỹ thuật TS đã cung cấp.
Đường kính lổ hổng hiệu dụng của vải địa kỹ thuật TS. Được chọn lựa trên loại đất đắp với nền đất sét yếu, cùng với trầm tích ở vùng Đông Nam Á. Thường chỉ số dẻo lớn hơn 17.
Với đất sét có chỉ số dẻo lớn hơn 17 thì kích thước lổ O <=0.15mm là hoàn toàn đảm bảo tiêu chuẩn về giữ đất.
Tính toán vải địa kỹ thuật gia cường
Với các loại công trình như đường bộ và đê đập cao. Khi mà khá năng phá hủy có dạng trượt sâu qua thân và nền. Để tăng cường độ ổn định, có thể dùng một hay nhiều lớp vải gia cường, được xác định bằng cung tròn Bishop.
Việc tính toán vải địa kỹ thuật theo thiết kế. Yêu cầu của vải địa kỹ thuật cường độ cao, tương đối phức tạp. Do đó mời quý bạn tham khảo thêm các bài viết Hưng Phú xuất bản trong chuyên mục. Hoặc tham khảo thêm các tiêu chuẩn thiết kế theo TCVN.
Phương pháp thiết kế
Thiết kế chiều dày lớp đắp nhỏ nhất
Trong việc xây dựng công trình đất và các loại đường trên nền đất yếu có CBR <3. Cũng là địa chất tiêu biểu ở Đông Nam Á. Lớp đất đắp đều tiên trên vải, trải trên nền đất yếu phải có chiều dày thích hợp. Được đảm bảo trong suốt quá trình thi công.
Điều này cho phép thiết bị thi công đi vào công trường để tiến hành các công tác thi công tiếp theo. Tất cả các vết lún của vệt bánh xe phải được lấp đầy lại. Nhằm duy trì chiều dày khối đắp vào đảm bảo ổn định của nền móng đường.
Chiều dày lớp đất đắp đầu tiên đối với đường có và không có tầng mặt cấp cao, phụ thuộc vào cường độ CBR của nền đất. Điều kiện hiện trường, tải trọng và lượt xe. Chiều dày này có thể tính theo phương pháp sau:
Phương pháp AASHTO
Phương pháp Steward et al (1977)
Do các yêu cầu về điều kiện làm việc lâu dài, phương pháp thiết kế đường hoặc công trình đất có tầng mặt cấp cao không thể áp dụng cho thiết kế đường. Đó là do tầng mặt cấp cao không cho phép xảy ra vết lún dưới bánh xe.
Tuy nhiên với đường có tầng mặt cấp thấp thường cho phép xảy ra viết lún dưới bánh xe với một chiều sâu giới hạn nào đó. Với đất nền có CBR >3. Thường không cần sử dụng vải địa kỹ thuật phân cách, mà chỉ cần thiết cho chức năng lọc ngược, phân cách và tiêu thoát.
Mối tương quan giữa CBR và sức kháng cắt không thoát nước (Cu) của đất được trình bày trong bảng 3.
Phương pháp 1: Phương pháp AASHTO
Phương pháp này do hiệp hội Giao Thông và Xa Lộ Hoa Kỳ đề xuất năm 1972. Được bổ sung và cải tiến từ thực tiển sau 20 năm áp dụng vải địa kỹ thuật TS thi công các loại đường cùng với các kết quả bổ sung trong phòng thí nghiệm.
Trong trường hợp đường không có tầng mặt cấp cao, cần phải cộng thêm ít nhất 75mm vào chiều dày tính toán của lớp trên cùng. Nhằm bù trừ tổn thất cho xe và mưa gió. Ngoài ra trong trường hợp không dùng vải địa kỹ thuật phân cách, cũng cần phải cộng thêm ít nhất 150mm vào chiều dày của lớp dưới cuối cùng đề bù cho phần nền đường bị đất yếu thâm nhập.
Phương pháp 2: Phương pháp Steward (1977)
Phương pháp này được Steward, Williamson và Mohney (1977) đề xuất. Được cục Lâm nghiệp Hoa Kỳ sử dụng (USFS), dựa trên cơ sở phân tích lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn, từ trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa.
Phương pháp này xem xét viết lún có thể xảy ra do tải trọng xe. Trong trường hợp không có vải. Khả năng chịu tải của nền đất yếu dưới tải trọng của bánh xe được tính theo công thức cổ điển. (Cu,Nc) trong đó Cu là sức kháng cắt không thoát nước của đất nền và Nc là hệ số khả năng chịu tải được xác định theo bảng 5. Phạm vi áp dụng của phương pháp Steward như sau:
Số lượt xe tác dụng không quá 10.000
Đất đắp hạt thô được dầm nện với CBR >80.
Nền đất yếu có CBR <3.
Sức kháng cắt không thoát nước (Cu) của đất nền có thể tính từ CBR như sau:
Cn(kPa) = 28 x CBR
Giá trị của Nc được xác định từ chiều sâu viết lún, r số lượt xe tương đương, W80kN cho trường hợp có và không có vải địa phân cách (Bảng 5). Từ đó tính được chiều dày thiết kế theo giá trị (CuNc) và loại tải trọng xe ở các hình 15, 16 và 17.
Tính toán vải địa kỹ thuật cho Thiết kế đường có tầng mặt cấp cao
Đường có tầng mặt cấp cao (Nhựa asphalt, bê tông v.v…) không cho phép có vết lún. Vì vậy Christopher và Holtz (1991) đề nghị các giới hạn sau đây nhằm ngăn ngừa vết lún.
Vải địa kỹ thuật không làm tiết giảm chiều dày tính toán vải địa kỹ thuật của các lớp vật liệu trong kết cấu móng, kể cả móng trên (base Course) và móng dưới (subbase course).
Giữa nền đất yếu và móng dưới (subbase) cần phải có thêm một lớp đất đắp. (Có thể là cùng hoặc khác với loại vật liệu móng dưới). Gọi là lớp ổn định hóa nền đường. Nhằm bảo đảm ổn định chất lượng thi công đầm nén lớp nền đường theo thiết kế. Ngăn ngừa các vết lún và phá hoại cục bộ của lớp nền đường chịu lực. Chiều dày của lớp ổn định này giảm đáng kể khi dùng vải địa kỹ thuật làm lớp phân cách.
Lún và thoát nước cũng cần phải được xem xét, đánh giá đầy đủ như các thiết kế thông thường.
Đối với lớp đất đắp ổn định hóa nền đường vừa nêu. Việc thiết kế vải địa phân cách cũng tiến hành tương tự như đối với đường không có tầng mặt cấp cao. Như tải trọng xe tính toán là tải trọng và số lượt xe trong thời kỳ thi công.
Dựa vào các giả thiết trên. Trình tự thiết kế như sau:
Thiết kế các lớp áo đường theo phương pháp AASHTO không có vải
Thiết kế chiều dày lớp đất đắp ổn định hóa nền đường với lớp vải địa phân cách trên nền đất yếu theo trình tự giống như đường không có tầng mặt cấp cao, dùng phương pháp AASHTO. Vải địa kỹ thuật không dệt TS cải tiến. Cho tổng số lưỡng xe quy đổi lớn hơn 1.000. Hoặc dùng phương pháp Steward (đối với xe quy đổi nhò hơn 1000).
tổng chiều dày của đường là tổng chiều dày của lớp xác định ở bước 1 và bước 2 nêu trên.
Xác định sức kháng xuyên thủng của vải trong thi công
Kiểm tra tiêu chuẩn lọc ngược của vải
Lựa chọn vỉ, thiết lập các quy định kỹ thuật về vật liệu
Thiết kế đường không có tầng mặt cấp cao và sân kho bãi
Đối với đường có tầng mặt cấp thấp, một chiều sâu giới hạn của viết lún thường được cho phép xảy ra trong quá trình sử dụng. Vì vậy toàn bộ chiều dày của đường xem như hệ thống một lớp.
Quy trình thiết kế như sau:
Thiết kế chiều dày đất đắp trên đất yếu không có vải phân cách thỏa mãn điều kiện xe thi công theo phương pháp AASHTO.
Thiết kế chiều dày lớp đất trên đất yếu có vải địa phân cách, thỏa mãn điều kiện xe thi công theo phương pháp AASHTO – Stewar tổng hợp nhỏ hơn 10.000 lượt xe.
Lựa chọn chiều dày lớn nhất tính được trong bước 2.
So sánh chiều dày và giảm giá thành trong trường hợp có và không có sử dụng vải.
Tính toán cường độ kháng chọc thủng của vải.
Kiểm tra tiêu chuẩn lọc ngược
Lựa chọn vải và lập quy định kỹ thuật vật liệu
Tạm kết
Tính toán vải địa kỹ thuật trong thi công các công trình trên nền đất yếu, hiện nay tại Việt Nam có các quy chuẩn thiết kế và nghiệm thu riêng. Vải địa kỹ thuật TS và vải địa kỹ thuật ART được ứng dụng sớm nhất từ những năm 1990.
Tài liệu này được cung cấp bởi công ty Polyelt. Tài liệu bao gồm các phương pháp tính toán vải địa kỹ thuật trong công trình, thích hợp với địa chất vùng đông Nam Á. Những sai lầm mà các kỹ sư thương mắc phải trong công tác thiết kế và thi công.
Liên hệ với chúng tôi để nhận được tư vấn và báo giá tốt nhất nhé.
CÔNG TY TNHH XÂY DỰNG VÀ THƯƠNG MẠI ĐÔNG NAM PHÚ
4/26/12/28 đường Hiệp Thành 45, P. Hiệp Thành, Q. 12
