Độ cứng vải địa kỹ thuật cường độ cao ảnh hưởng đến hệ số an toàn ổn định nền đường đắp cao tốc

Xác định giá trị độ cứng vải địa kỹ thuật cường độ cao gia cường ảnh hưởng đến hệ số an toàn ổn định nền đường đắp cao tốc 

TS. Huỳnh Ngọc Hào
Khoa cầu đường, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung

Tóm tắt

Ở nước ta hiện nay, đường cao tốc đang được xây dựng trên quy mô lớn. Tuy nhiên, khi tính toán ổn định đường đắp cao tốc có gia cường vải địa kỹ thuật (VĐKT), người ta thường quan tâm đến thông số cường độ của vải mà chưa có quan tâm nhiều đến độ cứng của VĐKT.

Trong bài viết này, tác giả trình bày về độ cứng của vải địa kỹ thuật (VẢI ĐỊA KỸ THUẬT), cách xác định độ cứng thông qua cường độ của vải địa với mô đun đàn hồi đất nền và các kết quả phân tích phần tử hữu hạn trên phần mềm ứng dụng.

Hệ thống giao thông đường bộ trong cả nước ngày càng phát triển và hoàn thiện, đòi hỏi ngành giao thông cần có nhiều nghiên cứu sâu rộng đến lĩnh vực này một cách hiệu quả nhằm tăng cường tính an toàn ổn định, bền trong sử dụng, và hiệu quả về mặt kinh tế, giảm giá thành xây dựng công trình.

Trong đó công trình đường cao tốc hiện nay đang được xây dựng khắp cả nước với quy mô lớn đang được nhà nước và các nhà đầu tư đặc biệt quan tâm.

• Mời bạn tham khảo 10 báo giá vải địa kỹ thuật thông dụng nhất thị trường Việt Nam hiện nay: Theo link
• Hoặc bạn có thể tham khảo thêm 04 báo giá vải địa kỹ thuật thuộc 04 thương hiệu được

Các đường cao tốc đang xây dựng hiện nay có khối lượng thi công rất lớn, như cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi có cao độ chiều cao đắp 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.

Trong cao tốc này, thiết kế có sử dụng loại vật liệu mềm – vải địa kỹ thuật cường độ cao (T = 400 kN/m) để gia cường nền đắp, có đoạn dùng đến 5 lớp, dài 55m, đặt cách nhau 1,2m trong nền đắp.

Abstract

In our country today, highways are being built on a large scale. However, when calculating the stabilization of embankment with geotextile reinforcement, people are likely to be interested in the strength parameters of geotextile rather than pay attention to its stiffness. In this paper, the author presents the stiffness of geotextile, how to determine the stiffness of geotextile through intensity with elastic modulus of soil and the results of finite element analysis on the application software.

Thông thường, trong tính toán thiết kế người ta quan tâm đến cường độ VĐKT (Tmax) mà chưa có quan tâm nhiều đến độ cứng của vải địa kỹ thuật (EAg). Phần sau đây, bài viết này trình bày cách xác định độ cứng của VĐKT và các kết quả phân tích sự ảnh hưởng của độ cứng VĐKT đến hệ số an toàn ổn định nền đường đắp:

Độ cứng (Stiffness) của VĐKT được hiểu như sau:

Một cách khái niệm độ cứng của vải địa kỹ thuật, là độ cứng uốn: là một thước đo của sự tương tác giữa khối VĐKT và độ cứng uốn của nó, được thể hiện thông qua cách mà VĐKT bị uốn cong dưới trọng lượng bản thân; phương pháp thí nghiệm là ASTM D1388.

Độ cứng uốn còn được gọi là độ cứng linh hoạt. Phương pháp này lấy một mẫu VĐKT rộng 25 mm và trải theo chiều dọc trên các biên của một bề mặt ngang.

Chiều dài của phần lồi ra được đo khi đầu của tấm VĐKT uốn cong dưới trọng lượng bản thân và chỉ cần chạm vào một mặt phẳng nghiêng tạo thành một góc 41,5 ° so với bề mặt ngang.

Một nửa chiều dài này là chiều dài uốn của mẫu vật. Lập phương của số lượng này nhân với khối lượng trên đơn vị diện tích của VĐKT chính là độ cứng uốn của nó, đơn vị mg – cm.

Trong phạm vi bài viết này, độ cứng không sử dụng theo khái niệm độ cứng uốn, ở đây khái niệm độ cứng được hiểu là: (EAg /L) là độ cứng đơn vị của phần tử thanh chịu lực dọc trục, mô hình hóa phần tử VĐKT trong bài toán phần tử hữu hạn.

Và như vậy EAg được gọi là độ cứng của phần tử VĐKT. Trong đó A là diện tích tiết diện VĐKT xác định theo chiều dày vải. (EAg – đơn vị tính kN); E là mô đun đàn hồi của VĐKT hiểu như sau: Mô đun đàn hồi (Modulus of elasticity): là độ dốc đoạn đầu của đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng VĐKT.

Tùy theo phương pháp chế tạo khác nhau, độ dốc của mỗi loại vải địa sẽ khác nhau.Một số khái niệm mô đun ở các giai đoạn quan hệ ứng suất – biến dạng khác nhau của VĐKT như sau:

Mô đun tiếp tuyến ban đầu (Initial tangent modulus): Mô đun này đơn giản đối với nhiều loại VĐKT dệt theo cả chiều dọc, chiều ngang và kể cả đối với loại VĐKT không dệt, chế tạo phương pháp nhiệt hóa.

Ở đây, độ dốc ban đầu là xấp xỉ tuyến tính (giống như trong thí nghiệm đất thông thường) và sẽ cho một giá trị mô đun khá chính xác. Mô đun tiếp tuyến trục tung dời ngang (Offset tangent modulus):

Khái niệm này thường được sử dụng khi độ dốc ban đầu của đường cong là rất thấp và điển hình là loại VĐKT không dệt khâu lỗ kim. Mô đun cát tuyến (Secant modulus): ví dụ một mô đun cát tuyến cong ở mức 10%, ở đây người ta vẽ một đường từ gốc của trục đến đường cong định ở mức 10% và đo độ dốc của nó từ gốc trục không kể đường cong đến điểm này, gọi đó là độ dốc 10% và xác định được mô đun cát tuyến ES10. 

Để đảm bảo VĐKT cùng tham gia chịu tải hay VĐKT huy động hết khả năng chịu lực thì đất nền và vải địa kỹ thuật phải phá hoại tại cùng mức biến dạng. Từ biểu thức (1) có thể nhận thấy mức biến dạng để đạt tới trạng thái phá hoại càng nhỏ khi độ cứng EAg của VĐKT càng lớn.

Biến dạng của đất nền khi phá hoại tại vị trí cần xem xét để so sánh với biến dạng giới hạn của VĐKT phụ thuộc vào mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của đất nền. Khi phá hoại, quan hệ giữa các thành phần ứng suất trong đất là:

Một số kết quả phân tích PTHH cho thấy sự ảnh hưởng của độ cứng VĐKT

– EAg(15)đến hệ số an toàn ổn định (Fs) đối với loại đất thông thường:

Ảnh hưởng độ cứng của vải địa kỹ thuật EAg kể đến cường độ Tmax(=12; 14; 16 kN/m) của VĐKT đến Fs

Ảnh hưởng độ cứng của vải địa kỹ thuật EAg kể đến cường độ Tmax của VĐKT và mô đun đàn hồi đất (Es) đến Fs

Bảng 5: Ảnh hưởng độ cứng (EAg), cường độTmax = 500 ÷ 900 kN/m VĐKT và mô đun đàn hồi của đất Es đến an toàn ổn định Fs =1.2 

2.3. Biểu đồ quan hệ ảnh hưởng của độ cứng của vải địa kỹ thuật (EAg), cường độ (Tmax) VĐKT và mô đun đàn hồi của đất (Es) đến an toàn ổn định (Fs=1,2)

KẾT LUẬN

Từ các kết quả phân tích trên cho thấy độ cứng của vải địa kỹ thuật (EAg) gia cường trong nền đắp có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số an toàn ổn định (Fs). Biểu thức (15) đề xuất tính toán Độ cứng của vải địa kỹ thuật, không những có liên quan đến cường độ của VĐKT mà còn có ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi đất đắp.

Với mỗi loại vải địa kỹ thuật dệt hay không dệt có cường độ (Tmax) được gia cường trong nền đất có mô đun đàn hồi (Es) bao nhiêu thì cần có giá trị độ cứng (EAg) VĐKT tương ứng mới phát huy hiệu quả làm việc, đảm bảo an toàn và kinh tế.

Việc nghiên cứu độ cứng VĐKT trong đường cao tốc có gia cường vải địa kỹ thuật sẽ hoàn thiện tính toán đối với loại bài toán này đồng thời kiểm soát kỹ thuật, sử dụng hiệu quả vật liệu, giảm giá thành xây dựng công trình.