Tính Toán Ổn Định Nền Đắp Có Vải Địa Kỹ Thuật Không Dệt

Việc Tính Toán ổn định Nền đắp Có Vải địa Kỹ Thuật Không Dệt đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng và tuổi thọ của các công trình xây dựng, đặc biệt tại Việt Nam với đặc thù địa chất phần lớn là đất sét yếu và bùn sét có hệ số nén lún và biến dạng cao. Sự phát triển của các giải pháp sử dụng vật liệu mới như vải địa kỹ thuật không dệt đã mang lại những bước tiến vượt bậc trong việc xử lý nền đất yếu, giúp cải thiện đáng kể sự ổn định của nền móng, đồng thời tối ưu hóa chi phí và rút ngắn thời gian thi công. Tuy nhiên, việc nhận thức đầy đủ về lợi ích, cũng như áp dụng đúng đắn các phương pháp tính toán vải địa kỹ thuật sao cho phù hợp với điều kiện thực tế của công trình và đặc điểm đất nền tại Việt Nam vẫn là một thách thức. Bài viết này sẽ cung cấp những thông tin chuyên sâu, phân tích các yếu tố quan trọng và hướng dẫn chi tiết về quy trình tính toán, nhằm giúp các kỹ sư và đơn vị thi công đưa ra lựa chọn tối ưu, đảm bảo hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cho dự án. Chúng tôi sẽ đi sâu vào các tiêu chuẩn, phương pháp luận và những kinh nghiệm thực tiễn, giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về giải pháp tiên tiến này.

Tổng Quan về Vải Địa Kỹ Thuật Không Dệt và Ứng Dụng trong Nền Đắp

Vải địa kỹ thuật, bao gồm cả loại dệt, không dệt và phức hợp, ngày càng trở nên phổ biến trong ngành xây dựng hiện đại. Đặc biệt, vải địa kỹ thuật không dệt được ưa chuộng nhờ những đặc tính ưu việt trong việc cải thiện độ ổn định của nền móng trên các tầng đất yếu.

Lịch sử phát triển và sự cần thiết của vải địa kỹ thuật

Đặc điểm địa chất tại Việt Nam với nền đất yếu, có độ bão hòa nước cao và sức chịu tải kém đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về các giải pháp xử lý nền móng hiệu quả. Trước đây, các phương pháp truyền thống thường tốn kém và mất nhiều thời gian. Sự ra đời và phát triển của công nghệ vải địa kỹ thuật, đặc biệt là vải địa kỹ thuật không dệt từ những năm đầu 2000, đã mang lại một cuộc cách mạng. Ban đầu, các sản phẩm chủ yếu được nhập khẩu, nhưng sau đó, ngành sản xuất trong nước đã phát triển mạnh mẽ, cung cấp các sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu của các công trình trọng điểm quốc gia. Việc hiểu rõ và áp dụng đúng các tiêu chuẩn, ví dụ như TCVN 9844 : 2013, là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng công trình.

Ưu điểm vượt trội khi sử dụng vải địa kỹ thuật không dệt

Khi triển khai xây dựng nền đường bộ hoặc các công trình dân dụng khác trên nền đất yếu, vấn đề ổn định hóa nền đường hoặc nền công trình do độ bão hòa nước cao là một thách thức lớn. Nếu không sử dụng vải địa kỹ thuật, các lớp vật liệu có xu hướng trộn lẫn vào nhau, làm suy giảm khả năng chịu lực và gây khó khăn trong việc đắp đất theo đúng thiết kế.

Sử dụng vải địa kỹ thuật không dệt mang lại những lợi ích tức thời và lâu dài:

• Ngăn chặn hiệu quả sự thâm nhập của đất yếu vào kết cấu nền đường, nền công trình, qua đó bảo toàn các tính chất cơ lý quan trọng của lớp móng và đảm bảo khả năng truyền tải lực hiệu quả, giữ vững mặt phẳng công trình.
• Giảm thiểu khối lượng đất cần thiết cho công tác đắp nền. Việc các lớp vật liệu yếu và vật liệu thô không bị trộn lẫn giúp bảo toàn khối lượng đất đắp và đáng kể giảm chi phí thi công.
• Giảm chiều sâu cần thiết cho việc bóc tách lớp đất yếu ban đầu, từ đó tiết kiệm chi phí cho công tác san lấp mặt bằng.
• Tăng cường khả năng chịu tải của nền dưới tác động của các áp lực cục bộ từ phương tiện cơ giới và các hoạt động xây dựng.

Các lĩnh vực ứng dụng phổ biến

Thông tin kỹ thuật và hướng dẫn tính toán thường được cung cấp bởi các nhà sản xuất uy tín, ví dụ như vải địa kỹ thuật TS. Tuy nhiên, các nguyên tắc tính toán này có thể được áp dụng một cách linh hoạt cho nhiều loại vải địa kỹ thuật không dệt khác nhau trên thị trường. Bất kỳ kết cấu công trình nào được xây dựng trên nền đất yếu đều có thể hưởng lợi từ việc ứng dụng vải địa kỹ thuật. Các lĩnh vực áp dụng tiêu biểu bao gồm:

• Xây dựng đường cao tốc, đường giao thông nông thôn, đường liên tỉnh, liên xã, và các khối đắp gia cố bờ kè, bờ ao.
• Công trình đê kè, gia cố chân đập, và sử dụng làm lớp lót kết hợp với rọ đá, thảm đá.
• Xây dựng sân bãi, kho hàng, và các công trình cầu cảng.
• Chuẩn bị mặt bằng nền cho các khu dân cư, khu công nghiệp.

Các lĩnh vực có thể áp dụng vải địa kỹ thuật trong xây dựng nền đắp

Các Chức Năng Cơ Bản của Vải Địa Kỹ Thuật Không Dệt trong Tính Toán Ổn Định

Vải địa kỹ thuật không dệt, chẳng hạn như loại TS được sản xuất bằng công nghệ dệt xuyên kim từ sợi dài liên tục, đã được các kỹ sư Việt Nam tin dùng từ rất sớm và thường được khuyến cáo sử dụng trong hầu hết các công trình xây dựng trên nền đất yếu. Thị trường Việt Nam hiện nay cũng đã có nhiều sản phẩm vải địa kỹ thuật không dệt sản xuất trong nước, dần thay thế hàng nhập khẩu tại các công trình quan trọng.

Minh họa các chức năng chính của vải địa kỹ thuật trong ứng dụng thực tế

Nhìn chung, vải địa kỹ thuật, bao gồm cả loại dệt và không dệt, đều có những chức năng cốt lõi là phân cách, gia cường và tiêu thoát nước. Đối với nền đất yếu có độ bão hòa nước cao (ví dụ CBR < 1%, thường gọi là đất “nhão như cháo”), mọi công trình xây dựng trên đó đều cần được xử lý bằng một hoặc nhiều chức năng sau của vải địa kỹ thuật:

• Phân cách các lớp vật liệu khác nhau trong khối đắp.
• Gia cường, tăng khả năng chịu lực cho nền đất.
• Tiêu thoát nước và lọc ngược, ngăn chặn sự xói mòn bên trong.

Chức năng Phân cách và vai trò trong nền đắp

Phương pháp truyền thống để ổn định hóa lớp đất trên nền yếu thường là tăng chiều dày của khối đắp nhằm bù đắp vào lượng đất bị lún hoặc chìm sâu vào nền đất yếu. Trong trường hợp chỉ số CBR của đất nền nhỏ hơn 0.5, chiều dày khối đắp có thể phải tăng lên gấp đôi so với tính toán ban đầu.

Việc tính toán ổn định nền đắp có vải địa kỹ thuật không dệt một cách hợp lý, đặt giữa lớp đất yếu và nền đường, sẽ ngăn cản sự hòa lẫn giữa hai loại vật liệu này. Điều này giúp ngăn ngừa tổn thất vật liệu đắp và do đó tiết kiệm đáng kể chi phí xây dựng.

Vải địa kỹ thuật thực hiện chức năng phân cách giữa lớp đất yếu và vật liệu đắp

Ngoài ra, lớp vải địa kỹ thuật phân cách còn có tác dụng ngăn chặn không cho các hạt cốt liệu mịn từ lớp đất yếu thâm nhập lên lớp nền đường. Điều này đảm bảo các tính chất cơ lý của vật liệu đắp (như modul đàn hồi, góc ma sát trong) được duy trì, giúp nền đường hấp thu và chịu đựng toàn bộ tải trọng từ các phương tiện giao thông một cách hiệu quả.

Chức năng gia cường và tăng cường sức chịu tải

Đối với các nền đường có cao độ thiết kế thấp, thường từ 0.5 đến 1.5m, việc sử dụng vải địa kỹ thuật cường độ cao được khuyến cáo. Trong trường hợp này, vải địa kỹ thuật đóng vai trò như một thành phần kết cấu chịu lực của nền móng đường bộ.

Cơ chế gia cường của vải địa kỹ thuật dưới tác động của tải trọng bánh xe

Khi đó, có hai lực chính tác động lên nền: lực kháng kéo của vải địa kỹ thuật gia cường tác động theo phương ngang, và lực nén từ bánh xe của các phương tiện cơ giới tác động theo phương đứng. Vải địa kỹ thuật gia cường phổ biến ở Việt Nam hiện nay là vải địa kỹ thuật dệt GET, thường được sử dụng kết hợp với các loại vải PP hoặc vải địa kỹ thuật cường độ cao nhập khẩu.

Cường độ chịu kéo, độ giãn dài khi đứt và khả năng chịu uốn của vải là những yếu tố cực kỳ quan trọng, quyết định phần lớn khả năng chịu tải của bánh xe tác động lên nền đường. Tuy nhiên, trong thực tế, tải trọng của bánh xe lên nền có sử dụng vải địa kỹ thuật chủ yếu được đáp ứng bởi chức năng phân cách của vải, hơn là chức năng gia cường cốt liệu trực tiếp.

Trong trường hợp đường có tầng mặt cấp cao (như đường nhựa, đường bê tông), hiệu quả từ chức năng gia cường của vải địa kỹ thuật thường bị giới hạn. Điều này là do để lực kéo của vải địa có tác dụng, chuyển vị của mặt đường phải đủ lớn trong kết cấu móng để tạo ra biến dạng ngang tương ứng trong vải. Tuy nhiên, những chuyển vị lớn như vậy thường không được phép trong thiết kế của các tầng mặt đường cấp cao.

Ứng dụng vải địa kỹ thuật gia cường trong ổn định mái dốc và nền đắp cao

Trong các trường hợp xây dựng đê đập hoặc đường có khối đắp cao, có nguy cơ xảy ra trượt mái hoặc chuyển vị ngang của đất đắp, vải địa kỹ thuật gia cường có thể đóng vai trò như cốt liệu gia cường. Nó cung cấp lực kháng trượt theo phương ngang, nhằm gia tăng độ ổn định của mái dốc.

Chức năng tiêu thoát nước và lọc ngược

Việc tính toán ổn định nền đắp có vải địa kỹ thuật không dệt, đặc biệt trong trường hợp vải thực hiện chức năng phân cách, cần chú ý đến khả năng tiêu thoát nước tốt của loại vật liệu này, cả theo phương đứng và phương ngang. Nhờ đó, vải địa kỹ thuật không dệt có khả năng tiêu tán nhanh chóng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư hình thành trong quá trình thi công. Điều này giúp gia tăng sức kháng cắt của khối đắp sau khi thi công.

Ngược lại, vải địa kỹ thuật dệt thường có khả năng tiêu thoát nước kém hơn. Hoặc các loại vải địa kỹ thuật có kích thước lỗ không phù hợp, dễ bị bít tắc, vô tình có thể hoạt động như một lớp chống thấm. Trong những trường hợp này, vải địa kỹ thuật lại làm chậm quá trình cố kết của nền đất đắp.

Phân biệt và lựa chọn chức năng phù hợp (Sơ cấp vs. Thứ cấp)

Bước đầu tiên và quan trọng nhất trong việc tính toán và thiết kế lớp vải địa kỹ thuật giữa đất đắp và nền đất yếu là xác định rõ ràng 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 đắp tương đối thấp, chức năng chính (sơ cấp) của vải địa kỹ thuật là chức năng phân cách, cả trong giai đoạn thi công lẫn trong suốt thời kỳ vận hành sau này. Các chức năng thứ cấp như tiêu thoát nước và lọc ngược đóng góp đáng kể vào việc cải thiện điều kiện làm việc của nền đường đắp trên các loại nền đất yếu bão hòa nước, có chỉ số CBR thấp (ví dụ, CBR < 1%).

Thi công nền đường sử dụng vải địa kỹ thuật trên nền đất yếu

• Đê đập và đường dẫn vào cầu:
  Trong công tác xây dựng đường dẫn vào cầu và các công trình đê đập cao, việc đánh giá cẩn thận ảnh hưởng của vải địa kỹ thuật trong từng giai đoạn thi công tương ứng là rất cần thiết và cần được theo dõi chặt chẽ. Chức năng phân cách đóng vai trò chính trong các trường hợp sau:

  • Trong quá trình thi công, khi chiều cao khối đắp chưa đủ lớn để gây ra ứng suất kéo đáng kể trong vải địa kỹ thuật. Nếu sự phá hủy của đập là dạng “phá hủy nền” (cung trượt sâu không đi qua thân đập) do khả năng chịu tải của nền đất quá nhỏ, toàn bộ thân đập có thể bị chìm lún sâu xuống nền đất yếu.
  • Nếu thời gian thi công đủ dài để cho phép nền đất yếu cố kết, cần theo dõi sự gia tăng sức kháng cắt của đất nền sau mỗi lớp đất đắp.

  Các chức năng chính của vải địa kỹ thuật là gia cường, đồng thời là phân cách trong các trường hợp sau:

  1. Ở cuối giai đoạn thi công, khi áp lực thẳng 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 có thể cắt qua lớp vải địa theo kiểu “Phá hủy chân” (cung trượt sâu đi qua cả thân và nền đập).
  2. Thời gian thi công không đủ để nền đất yếu cố kết và gia tăng sức kháng cắt sau mỗi lớp đất đắp.
  3. Trong tất cả các ứng dụng trên, các chức năng tiêu thoát và lọc ngược của vải địa kỹ thuật không dệt là rất quan trọng. Chúng tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiêu tán nhanh chóng áp lực nước thặng dư trong các lỗ rỗng của đất trong quá trình thi công khối đắp.

Nguyên Tắc và Tiêu Chuẩn Thiết Kế Nền Đắp Có Vải Địa Kỹ Thuật Không Dệt

Với những ứng dụng mà vải địa kỹ thuật có chức năng chính là phân cách, ví dụ như các loại đường có hoặc không có tầng mặt cấp cao, thì các tiêu chuẩn chính cho việc lựa chọn vải địa kỹ thuật bao gồm:

• Vải phải có khả năng chống hư hỏng trong quá trình thi công và lắp đặt.
• Vải phải có các đặc điểm thích hợp cho chức năng lọc ngược và tiêu thoát nước.

Với các công trình đê đập cao, nơi các chức năng chính là gia cường và phân cách, thì cường độ chịu kéo của vải cũng phải đủ lớn. Đồng thời, vải cũng phải chịu được các ứng suất phát sinh trong quá trình thi công bằng cơ giới, đảm bảo tính chất thoát nước hai chiều trong vải, cũng như chức năng tiêu thoát và lọc ngược.

Tính toán sức kháng chọc thủng trong quá trình thi công

Để vải địa kỹ thuật có khả năng phân cách hiệu quả, nó phải được đảm bảo không bị chọc thủng hoặc hư hỏng trong suốt quá trình thi công. Trong khi đổ đất, đặc biệt là trên diện rộng, sự tồn tại của các vật liệu sắc nhọn, hoặc việc các lớp đắp không đủ dày, có thể gây nguy hiểm cho lớp vải. Do đó, chiều dày thiết kế tối thiểu của lớp đắp trên vải phải được đảm bảo trong suốt quá trình thi công.

Mô phỏng lực tác động gây chọc thủng vải địa kỹ thuật trong thi công

Cần ngăn ngừa các trường hợp chọc thủng vải như do bánh xích của xe cơ giới, đất đá sắc nhọn, rễ cây và các vật thể khác. Vì thế, vải địa kỹ thuật phải thỏa mãn các yêu cầu về sức kháng chọc thủng xuyên suốt quá trình thi công nền đất, nền đường.

Lực kháng xuyên thủng trong tính toán ổn định nền đắp có vải địa kỹ thuật không dệt có thể xác định dựa theo điều kiện cân bằng lực sơ họa. Tổng nội lực theo phương đứng sinh ra trong vải địa (F_Even) ngay tại thời điểm xuyên thủng được tính như sau:

• F_Even = π d_h h_h P
  Trong đó:*
  • d_h = Đường kính trung bình của lỗ thủng
  • h_h = Độ lún xuyên thủng, thường lấy bằng d_h
  • 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 độ 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. 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 yêu cầu, vải có độ giãn 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.

Biểu đồ minh họa mối quan hệ giữa cường độ và độ giãn dài trong khả năng chống chọc thủng của vải địa

Tính toán theo tiêu chuẩn lọc ngược

Hai tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá đặc trưng lọc ngược của vải địa kỹ thuật là khả năng giữ đất và hệ số thấm của vải. Vải địa kỹ thuật cần phải có kích thước lỗ hổng (O90) đủ nhỏ để ngăn chặn không cho các hạt đất cần bảo vệ đi qua, đồng thời kích thước lỗ cũng phải đủ lớn để đảm bảo khả năng thấm nước, cho phép áp lực nước trong các kẽ rỗng được tiêu tán nhanh chóng.

Tiêu chuẩn về vải địa kỹ thuật không dệt TS hiện nay, được xem là tối ưu nhờ công nghệ dệt xuyên kim từ sợi dài, được minh họa trong các tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất (ví dụ Bảng 4 trong tài liệu gốc).

Bảng thông số kỹ thuật liên quan đến tiêu chuẩn lọc ngược của vải địa kỹ thuật

Các tiêu chuẩn này thường được thiết kế dựa trên kết quả của nhiều thí nghiệm trong phòng và kiểm chứng tại hiện trường qua nhiều năm. Đường kính lỗ hổng hiệu dụng của vải địa kỹ thuật thường được chọn lựa dựa trên loại đất đắp và đặc điểm của nền đất sét yếu, ví dụ như trầm tích ở vùng Đông Nam Á thường có chỉ số dẻo lớn hơn 17. Với đất sét có chỉ số dẻo lớn hơn 17, kích thước lỗ O90 phải nhỏ hơn một giá trị nhất định (ví dụ 0.21mm theo một số khuyến cáo).

Tính toán vải địa kỹ thuật cho chức năng gia cường

Với các loại công trình như đường bộ và đê đập cao, khi mà khả năng phá hủy có thể xảy ra theo dạng trượt sâu qua thân và nền, việc sử dụng một hoặc nhiều lớp vải địa kỹ thuật gia cường có thể được áp dụng để tăng cường độ ổn định. Sự ổn định này thường được phân tích và xác định bằng các phương pháp phân tích ổn định mái dốc, ví dụ như phương pháp cung tròn Bishop.

Sơ đồ phân tích ổn định mái dốc có sử dụng vải địa kỹ thuật gia cường theo phương pháp Bishop

Việc tính toán vải địa kỹ thuật theo thiết kế cho chức năng gia cường, yêu cầu sử dụng vải địa kỹ thuật cường độ cao, thường tương đối phức tạp. Do đó, người đọc nên tham khảo thêm các tài liệu chuyên ngành hoặc các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như TCVN để có hướng dẫn chi tiết hơn.

Phương Pháp Tính Toán Chi Tiết Cho Nền Đắp Sử Dụng Vải Địa Kỹ Thuật Không Dệt

Thiết kế chiều dày lớp đắp tối thiểu đầu tiên

Trong việc xây dựng các công trình đất và các loại đường trên nền đất yếu có chỉ số CBR < 3, việc đắp một lớp vật liệu hạt có chiều dày tối thiểu ban đầu là rất quan trọng. Lớp đắp này phải đủ dày để hỗ trợ các thiết bị thi công di chuyển và hoạt động trên công trường, cho phép tiến hành các công tác thi công tiếp theo. Tất cả các vết lún của vệt bánh xe phải được lấp đầy lại ngay lập tức nhằm duy trì chiều dày khối đắp thiết kế và đảm bảo sự ổn định lâu dài của nền móng đường.

Thi công lớp đắp đầu tiên trên vải địa kỹ thuật trên nền đất yếu

Chiều dày lớp đất đắp đầu tiên này, đối với cả đường có và không có tầng mặt cấp cao, phụ thuộc vào nhiều yếu tố: cường độ CBR của nền đất, điều kiện cụ thể tại hiện trường, tải trọng và lưu lượng xe thi công. Chiều dày này có thể được tính toán theo các phương pháp sau:

• Phương pháp AASHTO
• Phương pháp Steward et al. (1977)

Do các yêu cầu khắt khe 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 trực tiếp cho thiết kế đường thông thường, bởi vì tầng mặt cấp cao không cho phép xảy ra hiện tượng lún vệt bánh xe. Tuy nhiên, với đường có tầng mặt cấp thấp, việc xảy ra lún vệt bánh xe với một chiều sâu giới hạn nào đó thường được chấp nhận. Với đất nền có CBR > 3, thường không cần thiết phải sử dụng vải địa kỹ thuật cho chức năng phân cách, mà chỉ cần thiết cho các chức năng lọc ngược, và tiêu thoát nước nếu cần.

Biểu đồ xác định chiều dày lớp đắp dựa trên chỉ số CBR và tải trọng xe

Mối tương quan giữa chỉ số CBR và sức kháng cắt không thoát nước (Cu) của đất nền thường được trình bày trong các bảng tra hoặc biểu đồ kỹ thuật (ví dụ Bảng 3 trong tài liệu gốc).

Phương pháp 1: Phương pháp AASHTO

Phương pháp này do Hiệp hội Quan chức Giao thông và Xa lộ Tiểu bang Hoa Kỳ (AASHTO) đề xuất vào năm 1972. Phương pháp đã được bổ sung và cải tiến dựa trên kinh nghiệm thực tiễn sau hơn 20 năm áp dụng vải địa kỹ thuật TS trong thi công các loại đường, cùng với các kết quả nghiên cứu bổ sung trong phòng thí nghiệm.

Biểu đồ tính toán chiều dày lớp đắp theo phương pháp AASHTO cải tiến

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 để bù trừ cho các tổn thất vật liệu do xe cộ di chuyển và ảnh hưởng của thời tiết (mưa gió). Ngoài ra, trong trường hợp không sử dụng vải địa kỹ thuật phân cách, cũng cần phải cộng thêm ít nhất 150mm vào chiều dày của lớp dưới cùng để bù cho phần nền đường có thể bị đất yếu thâm nhập và làm suy giảm chất lượng.

Phương pháp 2: Phương pháp Steward (1977)

Phương pháp này được Steward, Williamson và Mohney đề xuất vào năm 1977 và được Cục Lâm nghiệp Hoa Kỳ (USFS) sử dụng rộng rãi. Phương pháp này dựa trên cơ sở phân tích lý thuyết kết hợp với kinh nghiệm thực tiễn, thu thập từ các thí nghiệm trong phòng và quan trắc tại hiện trường.

Phương pháp Steward xem xét đến khả năng xảy ra vệt lún do tải trọng xe. Trong trường hợp không có vải địa kỹ thuật, khả năng chịu tải của nền đất yếu dưới tác động 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 các bảng tra (ví dụ Bảng 5 trong tài liệu gốc). Phạm vi áp dụng của phương pháp Steward thường như sau:

• Số lượt xe tác dụng không quá 10.000 lượt.
• Vật liệu đất đắp là loại hạt thô, được đầm nén tốt với CBR > 80%.
• Nền đất yếu có CBR < 3.

Sức kháng cắt không thoát nước (Cu) của đất nền có thể được ước tính từ chỉ số CBR theo công thức thực nghiệm, ví dụ: Cu (kPa) = 28 CBR.
Giá trị của hệ số Nc được xác định dựa trên chiều sâu vệt lún cho phép, số lượt xe tương đương (ví dụ W80kN) cho cả trường hợp có và không có sử dụng vải địa kỹ thuật phân cách (tham khảo Bảng 5). Từ đó, có thể tính được chiều dày thiết kế dựa trên giá trị (Cu Nc) và loại tải trọng xe cụ thể, sử dụng các biểu đồ tương ứng (ví dụ Hình 15, 16, 17 trong tài liệu gốc).

Biểu đồ xác định hệ số chịu tải Nc trong phương pháp Steward

Tính toán cho thiết kế đường có tầng mặt cấp cao

Đường có tầng mặt cấp cao (ví dụ như đường bê tông nhựa asphalt, đường bê tông xi măng) có yêu cầu rất nghiêm ngặt về độ ổn định và không cho phép xảy ra hiện tượng lún vệt bánh xe. Vì vậy, Christopher và Holtz (1991) đã đề nghị các giới hạn sau đây nhằm ngăn ngừa hiện tượng này:

• Vải địa kỹ thuật không làm giảm chiều dày tính toán của các lớp vật liệu trong kết cấu móng đường, bao gồm cả lớp móng trên (base course) và lớp móng dưới (subbase course).
• Giữa lớp nền đất yếu và lớp móng dưới (subbase) cần phải có thêm một lớp đất đắp. Lớp này (có thể cùng hoặc khác loại vật liệu với lớp móng dưới) được gọi là lớp ổn định hóa nền đường. Mục đích của lớp này là đảm bảo chất lượng thi công đầm nén của lớp nền đường theo đúng thiết kế, đồng thời ngăn ngừa các vết lún và phá hoại cục bộ của lớp nền đường chịu lực. Chiều dày của lớp ổn định này có thể giảm đáng kể khi sử dụng vải địa kỹ thuật làm lớp phân cách.
• Các vấn đề về lún và thoát nước cũng cần phải được xem xét và đánh giá đầy đủ như trong các thiết kế thông thường không sử dụng vải địa.

Đối với lớp đất đắp ổn định hóa nền đường vừa nêu, việc thiết kế vải địa kỹ thuật phân cách cũng được tiến hành tương tự như đối với đường không có tầng mặt cấp cao. Tải trọng xe tính toán trong trường hợp này là tải trọng và số lượt xe hoạt động trong thời kỳ thi công.

Dựa trên các giả thiết trên, trình tự thiết kế có thể như sau:

1. Thiết kế các lớp áo đường theo phương pháp AASHTO (hoặc các tiêu chuẩn tương đương) mà không có vải địa kỹ thuật.
2. Thiết kế chiều dày lớp đất đắp ổn định hóa nền đường, có sử dụng lớp vải địa kỹ thuật phân cách đặt trên nền đất yếu. Trình tự thiết kế tương tự như đối với đường không có tầng mặt cấp cao, có thể sử dụng phương pháp AASHTO (ví dụ, vải địa kỹ thuật không dệt TS cải tiến cho tổng số lượt xe quy đổi lớn hơn 1.000) hoặc phương pháp Steward (đối với số lượt xe quy đổi nhỏ hơn 1.000).
3. Tổng chiều dày của kết cấu đường là tổng của chiều dày lớp áo đường xác định ở bước 1 và chiều dày lớp đất đắp ổn định hóa nền đường xác định ở bước 2.
4. Xác định và kiểm tra sức kháng xuyên thủng của vải địa kỹ thuật trong điều kiện thi công.
5. Kiểm tra các tiêu chuẩn về lọc ngược của vải địa kỹ thuật đã chọn.
6. Lựa chọn loại vải địa kỹ thuật phù hợp và thiết lập các quy định kỹ thuật chi tiết về vật liệu.

Tính toán cho thiết kế đường không có tầng mặt cấp cao và sân kho bãi

Đối với các loại đường có tầng mặt cấp thấp (ví dụ đường cấp phối đá dăm, đường đất gia cố), một chiều sâu giới hạn của vệt lún thường được cho phép xảy ra trong quá trình khai thác và sử dụng. Vì vậy, toàn bộ chiều dày của kết cấu đường có thể được xem như một hệ thống một lớp.

Quy trình tính toán ổn định nền đắp có vải địa kỹ thuật không dệt cho trường hợp này như sau:

1. Thiết kế chiều dày lớp đất đắp trên nền đất yếu không có vải địa kỹ thuật phân cách, sao cho thỏa mãn điều kiện cho xe thi công hoạt động theo phương pháp AASHTO.
2. Thiết kế chiều dày lớp đất đắp trên nền đất yếu có sử dụng vải địa kỹ thuật phân cách, sao cho thỏa mãn điều kiện cho xe thi công hoạt động. Có thể sử dụng phương pháp AASHTO kết hợp với phương pháp Steward (ví dụ, khi tổng số lượt xe nhỏ hơn 10.000 lượt).
3. Lựa chọn chiều dày lớn nhất tính được từ bước 1 và bước 2.
4. So sánh chi phí và hiệu quả kinh tế giữa trường hợp có và không có sử dụng vải địa kỹ thuật.
5. Tính toán và kiểm tra cường độ kháng chọc thủng của vải địa kỹ thuật đã chọn.
6. Kiểm tra các tiêu chuẩn về lọc ngược của vải.
7. Lựa chọn loại vải địa kỹ thuật cụ thể và lập quy định kỹ thuật chi tiết cho vật liệu.

[internal_links]

Kết luận

Việc tính toán ổn định nền đắp có vải địa kỹ thuật không dệt là một công đoạn kỹ thuật quan trọng, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về đặc tính vật liệu, điều kiện địa chất và các phương pháp phân tích hiện hành. Tại Việt Nam, với các quy chuẩn thiết kế và nghiệm thu riêng, việc ứng dụng vải địa kỹ thuật, như các loại vải TS hay ART đã được triển khai từ những năm 1990, mang lại hiệu quả rõ rệt cho nhiều công trình trên nền đất yếu.

Các phương pháp tính toán được trình bày, dựa trên kinh nghiệm và nghiên cứu từ các nhà sản xuất và tổ chức uy tín, cung cấp một cơ sở tham khảo giá trị cho các kỹ sư thiết kế và thi công. Việc nắm vững các nguyên tắc về chức năng phân cách, gia cường, lọc ngược và tiêu thoát nước của vải địa kỹ thuật, cùng với khả năng lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp cho từng điều kiện cụ thể (như sức kháng chọc thủng, tiêu chuẩn lọc, chiều dày lớp đắp tối thiểu theo AASHTO hay Steward) sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo an toàn, bền vững cho công trình và tiết kiệm chi phí. Cần lưu ý tránh những sai lầm thường gặp trong công tác thiết kế và thi công để phát huy tối đa hiệu quả của giải pháp này.