Nghiên cứu tính toán lớp cốt địa kỹ thuật kết hợp cọc chống sử dụng trong nền đắp trên đất yếu

 Độ Góc nghiêng của mặt trượt phân tố với mặt phẳng nằm ngang a,k Độ Góc ma sát chủ động trong trường hợp nền đắp trên cọc  kN/m3 Trọng lượng thể tích của đất đắp  kN/m3 Trọng

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU i

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

1.Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

4 Bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC KẾT HỢP VỚI CỐT ĐỊA KỸ THUẬT TRONG XÂY DỰNG NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 5 1.1 Đất yếu và các giải pháp xử lý nền đất yếu 5

1.1.1 Tổng quan về đất yếu 5

1.1.2 Tổng quan các giải pháp công nghệ xử lý nền đất yếu dưới nền đường đắp 7

1.2 Giải pháp cọc kết hợp với cốt địa kỹ thuật 9

1.2.1 Mô tả giải pháp và một số ứng dụng tiêu biểu 9

1.2.2 Những tính toán hệ cọc kết hợp với cốt ĐKT hiện nay trên thế giới 16

1.2.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp kết hợp cọc với lưới địa kỹ thuật ở Việt Nam 41

1.3 Một số vấn đề rút ra từ nghiên cứu tổng quan 42

1.4 Lựa chọn vấn đề nghiên cứu 43

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TRUYỀN XUỐNG CỌC VÀ CHIỀU CAO NỀN ĐẮP TỐI THIỂU TRÊN HỆ CỌC KẾT HỢP VỚI CỐT ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG NỀN ĐẤT YẾU 44

2.1 Đặt vấn đề 44

2.2 Phương pháp số và mô hình vật liệu 44

2.2.1 Khái quát về phương pháp số sử dụng trong Địa kỹ thuật 44

2.2.2 Lựa chọn mô hình vật liệu 45

2.3 Phân tích tải trọng truyền xuống cọc 50

2.3.1 Tham số phân tích 50

2.3.2 Phân tích thực nghiệm Zaeske 2001 50

2.3.3 Phân tích số các yếu tố ảnh hưởng tới tải trọng truyền xuống cọc 56

2.4 Phân tích số xác định chiều cao đất đắp tối thiểu 66

2.4.1 Phương pháp phân tích 66

2.4.2 Sự phụ thuộc của vòm đất vào tải trọng 68

2.4.3 Sự phụ thuộc của vòm đất vào kích thước cọc (mũ cọc) 68

2.5 Kết luận chương 2 71

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH LỰC KÉO TRÊN CỐT ĐỊA KỸ THUẬT 72

3.1 Đặt vấn đề 72

3.2 Phân tích số lực kéo trên cốt ĐKT một lớp 76

3.2.1 Trường hợp phân tích và kết quả 76

3.2.2 Xây dựng tương quan lực kéo với hiệu quả truyền tải, chiều cao đất đắp và ngoại tải 83

3.2.3 Kiểm chứng công thức đề xuất 86

3.3 Phân tích số lực kéo trên cốt ĐKT nhiều lớp 87

3.4 Kết luận chương 3 96

Chương 4 NGHIÊN CỨU LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH BÀI TOÁN HỆ CỐT ĐỊA KỸ THUẬT KẾT HỢP VỚI CỌC TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẮP 97

4.1 Giới thiệu chung 97

4.2 Xây dựng trình tự, nội dung tính toán thiết kế 97

4.2.1 Xác định khoảng cách giữa các cọc 97

4.2.2 Phạm vị bố trí cọc 98

4.2.3 Chiều cao tối thiểu của nền đắp 98

4.2.4 Hiệu quả truyền tải trọng 98

4.2.5 Lực kéo trong cốt 98

4.2.6 Chiều dài tối thiểu để huy động đủ lực kéo Tds 99

4.2.7 Độ dãn dài trong cốt và độ lún lệch 99

4.2.8 Chiều dài cốt đảm bảo điều kiện neo giữ cốt theo mặt cắt ngang 99

4.2.9 Kiểm tra ổn định tổng thể của nền 99

4.3 Xây dựng chương trình tính GPEmb01 101

4.3.1 Cơ sở khoa học và lựa chọn ngôn ngữ lập trình 101

4.3.2 Sơ đồ thuật toán 101

4.3.3 Chức năng và giao diện của chương trình 103

4.4 Áp dụng tính tại công trình đường đầu cầu Trần Thị Lý 107

4.4.1 Giới thiệu về đặc điểm công trình 107

4.4.2 Sử dụng phần mềm GPEmb01 tính toán lớp cốt kết hợp với cọc 112

4.5 Kêt luận chương 4 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120

1 Kết luận 120

2 Hạn chế 121

3 Kiến nghị 121

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 PHẦN PHỤ LỤC 126

 Độ Góc nghiêng của mặt trượt phân tố với mặt phẳng nằm ngang

a,k Độ Góc ma sát chủ động trong trường hợp nền đắp trên cọc

 kN/m3 Trọng lượng thể tích của đất đắp

 kN/m3 Trọng lượng thể tích của đất đắp

 kN/m3 Trọng lượng thể tích của nước

’cv Độ Góc ma sát trong hữu hiệu của đất đắp

’cv1 Độ Góc ma sát trong của lớp đất phía trên cốt ĐKT

’cv2 Độ Góc ma sát trong của lớp đất lớp phía dưới cốt ĐKT

i Độ Góc ma sát trong của phần tử tiếp xúc

P Độ Góc đứng của phương đi qua mép ngoài của mũ cọc ngoài cùng và

vai đường

’v kPa Ứng suất thẳng đứng trung bình ở đáy nền đắp:

 Hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào độ dãn dài

s kPa Ngoại tải đặt trên nền đắp

Kí

m Chuyển vị của chân cọc

m Chuyển vị của đất tại chân cọc

a'2 Gệ số tương tác cốt ĐKT với lớp đất phía dưới cốt ĐKT

a'1 Hệ số tương tác cốt ĐKT với lớp đất phía trên cốt ĐKT

AC m2 Diện tích mũ cọc hoặc đỉnh cọc (trường hợp không có mũ cọc)

AE m2 Phần diện tích một ô cọc

ci kPa Lực dính đơn vị của phần tử tiếp xúc

d m Đường kính mũ cọc hoặc đường kính quy đổi

E MPa Mô đun đàn hồi vật liệu cọc

Ecap Hiệu quả truyền tải tại mũ cọc

Ecr Hiệu quả truyền tải tại đỉnh vòm

Emin Giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị Ecap và Ecr

Es,k MPa Mô đun đàn hồi của đất nền

Ffoot kN Lực nén tại chân cọc

fm Hệ số vật liệu riêng phần cho cốt ĐKT

FMax kN Lực nén lớn nhất cho phép tại chân cọc

fms Hệ số riêng phần vật liệu áp dụng với tan

fn Hệ số riêng phần trên phương diện thiệt hại về mặt kinh tế

fp Hệ số riêng phần của sức kháng kéo của cốt

Fpi kN/m Sức chịu tải của cọc i trên 1 m chiều dài tuyến đường

Kí

fs Hệ số riêng phần của sức kháng trượt cốt

H m Chiều cao đất đắp

hi m Khoảng cách giữa các lớp lưới

Hv m Chiều cao vòm đất

J1, J2 kN/m Mô đun độ dãn dài của cốt ĐKT theo phương 1 và 2

Jx, Jy kN/m Mô đun độ dãn dài của cốt ĐKT theo phương x và y

Li m Chiều dài đoạn cốt ĐKT lớp i

Ln m Chiều dài tính toán đoạn cốt ĐKT giới hạn trong tam giác vòm đất

LP m Khoảng cách theo phương nằm ngang từ mép ngoài của mũ cọc

ngoài cùng đến chân taluy

MD kN/m Mô men gây trượt

mi m Chiều dài phân bố của ngoại lực trên mảnh thứ i

MRP kN/m Mô men chống trượt do cọc

MRR kN/m Mô men chống trượt do cốt ĐKT

MRS kN/m Mô men chống trượt do đất

Kí

QP kN Khả năng chịu tải của mỗi cọc trong nhóm

Rd m Bán kính cung trượt

Rinter Hệ số suy giảm cường độ,

s m Khoảng cách giữa hai cọc liên kề tính từ tim cọc theo phương

vuông góc tm đường

sy

m Khoảng cách cọc tính theo phương song song với tim đường;

sd m Khoảng cách lớn nhất giữa hai cọc trong một ô lưới cọc tính từ tim

cọc

TD kN/m Cường độ thiết kế của cốt ĐKT

Ti kN/m Cường độ chịu kéo trong lớp cốt ĐKT thứ i

Tr kN/m Lực kéo tính toán được trên 1m rộng cốt, Tr = Trp + Tds

Trp kN/m Lực kéo trong cốt do tải trọng thẳng đứng

Trp1,

Trp2 kN/m Lực kéo theo phương ứng suất chính 1và 2

Tu kN/m Cường độ chịu kéo danh định của cốt ĐKT

tw m Chiều dầy lớp đất yếu

ui m Chiều cao mực nước ngầm tính từ mặt trượt của phân tố

uP m Chuyển vị của cọc

us m Chuyển vị của đất

Wi kPa Trọng lượng của mỗi mảnh

wi kPa Ứng suất trên lớp cốt thứ i

Wtr kN Lực thẳng đứng trên diện tích AE do tĩnh tải đất đắp và ngoại tải

gây ra

y m Độ lún lệch giữa cọc và đất yếu xung quanh

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tải trọng truyền vào cọc từ thực nghiệm Zaeske (2001) 17

Bảng 1.2 Bảng hệ số  theo phương pháp Colin 22

Bảng 1.3 Bảng hệ số riêng phần cho vât liệu cốt 23

Bảng 1.4 Bảng hệ số riêng phần cho thiết kế nền đắp trên đất yếu có cọc hỗ trợ 23

Bảng 1.5 Hệ số vòm cho nền đắp 27

Bảng 2.1 Hệ số tiếp xúc đất và kết cấu 49

Bảng 2.2 Bảng thông số vật liệu mô hình Zaeske 2001 51

Bảng 2.3 Bảng thông số kích thước hình học mô hình thực nghiệm Zaeske (2001) 51

Bảng 2.4 Bảng thông số điều kiện biên mô hình thực nghiệm Zaeske (2001) 51

Bảng 2.5 Kết quả tính hiệu quả truyền tải theo phương pháp số 53

Bảng 2.6 Kết quả tính hiệu quả truyền tải theo Marston 54

Bảng 2.7 Kết quả tính hiệu quả truyền tải theo Hewlett và Randolph 54

Bảng 2.8 Kết quả tính hiệu quả truyền tải theo GBGEO 2004 55

Bảng 2.9 Bảng tổng hợp các trường hợp khảo sát 57

Bảng 2.10 Hiệu quả truyền tải vào cọc Ef khi thay đổi mô đun biến dạng cốt ĐKT 58

Bảng 2.11 Hiệu quả truyền tải vào cọc Ef khi thay đổi vật liệu lớp đệm và số lớp cốt ĐKT 59

Bảng 2.12 Hiệu quả truyền tải vào cọc Ef khi thay đổi mô đun đàn hồi cọc 60

Bảng 2.13 Hiệu quả truyền tải vào cọc Ef khi thay đổi kích thước cọc 61

Bảng 2.14 Hiệu quả truyền tải vào cọc Ef khi thay đổi góc ma sát trong của đất đắp 61

Bảng 2.15 Hiệu quả truyền tải vào cọc Ef khi thay đổi chiều cao đất đắp 62

Bảng 2.16 Bảng hiệu quả truyền tải vào cọc Ef trên mô hình thực nghiệm Zaeske 65

Bảng 2.17 Chiều cao vòm đất khi thay đổi ngoại tải 68

Bảng 2.18 Chiều cao vòm đất khi thay đổi kích thước mũ cọc 69

Bảng 3.1 Lực kéo trên cốt tính theo tiêu chuẩn BS8006-1:2010 và EBGEO2004 74

Bảng 3.2 Bảng thông số kích thước hình học 77

Bảng 3.3 Bảng thông số và mô hình vật liệu 77

Bảng 3.4 Lực kéo của cốt ĐKT theo phương vuông góc với trục tim đường 80

Bảng 3.5 Lực kéo và độ dãn dài của cốt ĐKT theo phương song song với trục tim đường 82

Bảng 3.6 Tỉ lệ lực kéo phương vuông góc và phương song song tim đường 82

Bảng 3.7 Hiệu quả truyền tải và lực phân bố vào cốt ĐKT 83

Bảng 3.8 Hệ số tương quan lực phân bố trên cốt (F) và lực kéo trong cốt theo phương vuông góc và song song với trục tim đường 84

Bảng 3.9 Lực kéo Trp1 – bài toán kiểm chứng 87

Bảng 3.10 Bảng thông số kích thước hình học trường hợp nhiều lớp cốt 88

Bảng 3.11 Bảng thông số và mô hình vật liệu trường hợp nhiều lớp cốt 88

Bảng 3.12 Lực kéo lớn nhất trên cốt 1 lớp 91

Bảng 3.13 Lực kéo lớn nhất trên cốt trường hợp bố trí 2 lớp 93

Bảng 3.14 Lực kéo lớn nhất trên cốt trường hợp bố trí 3 lớp 95

Bảng 4.1 Đặc trưng của đất nền tại tại bờ Tây 109 Bảng 4.2 Đặc trưng của đất nền tại tại bờ Đông 110

Bảng 4.3 Đặc trưng của cọc tại bờ Đông 110

Bảng 4.4 Đặc trưng của cọc tại bờ Tây 111

Bảng 4.5 Đặc trưng vải ĐKT 111

Bảng 4.6 Đặc trưng của phần đắp và tải trọng 111

Bảng 4.7 Kết quả kiểm tra sức chịu tải của cọc 112

Bảng 4.8 Kết quả kiểm tra sức chịu tải của nền 112

Bảng 4.9 Kết quả kiểm tra về độ lún 112

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Giải pháp nền đắp trên cọc 10

Hình 1.2 Đường Gorinchem – Hà Lan [38] 11

Hình 1.3 Vải địa kỹ thuật 11

Hình 1.4 Lưới địa kỹ thuật 12

Hình 1.5 Một số trường hợp dùng cọc kết hợp cốt ĐKT 15

Hình 1.6 Tỉ lệ diện tích cọc (mũ cọc) phụ thuộc vào chiều cao nền đắp 16

Hình 1 7 Phân bố tải trọng trên cọc, cốt và đất yếu 16

Hình 1 8 Bố trí thực nghiệm Zaeske (2001) 17

Hình 1 9 Giả thiết vòm đất dạng bán cầu Hewlett và Randolph (1988) 18

Hình 1.10 Giả thiết vòm đất trong phương pháp Colin 19

Hình 1 11 Sơ đồ tính lớp cốt ĐKT theo phương pháp Colin 21

Hình 1 12 Trạng thái giới hạn về cường độ 24

Hình 1 13 Trạng thái giới hạn sử dụng 25

Hình 1 14 Giới hạn ngoài của mũ cọc 25

Hình 1.15 Giả thiết vòm đất trong tiêu chuẩn BS 8006 26

Hình 1.16 Phân bố tải trọng theo lý thuyết vòm đất của Marston 27

Hình 1.17 Vòm đất theo Hewlett và Randolph 29

Hình 1 18 Sơ đồ tính lực kéo Trp do tải trọng thẳng đứng 30

Hình 1.19 Sơ đồ tính Tds do trượt ngang khối đắp trên cốt ĐKT 31

Hình 1.20 Sơ đồ tính ổn định tổng thể nền đắp trên hệ cọc kết hợp cốt ĐKT 34

Hình 1.21 Vòm đất EBGEO 2004 36

Hình 1.22 Diện tích ô cọc 37

Hình 1.23 Lực thẳng đứng phân bố trên cốt 38

Hình 1.24 Toán đồ tra độ dãn dài lớn nhất trên cốt 39

Hình 2.1 Không gian ứng suất chính Mohr – Coulomb 45

Hình 2.2 Mô đun độ cứng của phần tử tiếp xúc dọc theo thân cọc và tại chân cọc 47

Hình 2.3 Lực kéo trong cốt ĐKT 49

Hình 2.4 Mô hình hình học và điều kiện biên thử nghiệm Zaeske (2001) 52

Hình 2.5 Phần tử tam giác 6 nút (a) và chóp tứ diện 10 nút (b) 52

Hình 2.6 Kết quả phân tích lực nén trên đỉnh cọc theo phương pháp số 53

Hình 2.7 Biểu đồ so sánh lực truyền vào cọc theo các phương pháp 55

Hình 2.8 Biểu đồ so sánh hiệu quả truyền tải trọng lên cọc theo các phương pháp 56

Hình 2.9 Biểu đồ Ef phụ thuộc vào mô đun biến dạng của lưới 58

Hình 2.10 Biểu đồ Ef phụ thuộc vào mô đun đàn hồi lớp đệm và số lớp cốt ĐKT 59

Hình 2.11 Biểu đồ Ef phụ thuộc vào tỉ số mô đun đàn hồi cọc (Ec) và đất yếu (Ed) 60

Hình 2.12 Biểu đồ Ef phụ thuộc vào tỉ số khoảng cách tim cọc (s) với kích thước mũ cọc (a) 61

Hình 2.13 Biểu đồ Ef phụ thuộc vào góc ma sát trong  của phần đất đắp 62

Hình 2.14 Biểu đồ Ef phụ thuộc vào tỉ số (H/s) 63

Hình 2.15 Biểu đồ xác định các trọng số xét ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hiệu quả truyền tải 64

Hình 2.16 Biểu đồ hiệu quả truyền tải trên mô hình thực nghiệm Zaeske 66

Hình 2.17 Thử nghiệm Terzaghi 66

Hình 2.18 Độ lún tại mặt cắt qua tim cọc Zaeske (2001) 67

Hình 2.19 Chiều cao vòm đất phụ thuộc vào tải trọng ngoài 68

Hình 2.20 Chiều cao vòm đất phụ thuộc vào kích thước mũ cọc 69

Hình 2.21 Chiều cao vòm đất xác định theo các phương pháp khác nhau 69

Hình 2.22 Biểu đồ xác định trọng số xét ảnh hưởng của tải trọng và tỉ số s/d đến chiều cao vòm đất 70

Hình 3.1 Sơ đồ tính hệ cọc kết hợp với cốt ĐKT để phân tích lực kéo 72

Hình 3.2 Lực kéo trong cốt ĐKT do tải trọng thẳng đứng 73

Hình 3.3 Lực kéo trên cốt do tải trọng thẳng đứng tính theo tiêu chuẩn Anh và Đức 75

Hình 3.4 Sơ đồ tính và mô hình 3D trong phần mềm Plaxis trường hợp 1 lớp cốt 77

Hình 3.5 Lực kéo trong cốt theo phương vuông góc với trục tim đường 79

Hình 3.6 Lực kéo trong cốt theo phương song song với tim đường 81

Hình 3.7 Quan hệ giữa tỉ số lực kéo trong cốt ĐKT phương song song và phương vuông góc với mô đun độ dãn dài cốt ĐKT 83

Hình 3.8 Tương quan giữa lực kéo theo phương vuông góc trục tim đường và 85

Hình 3.9 Quan giữa lực kéo theo phương song song trục tim đường và độ dãn dài của lưới 86 Hình 3.10 Biểu đồ so sánhlực kéo theo phương vuông góc với trục tim đường (Trp1) 87

Hình 3.11 Sơ đồ tính và mô hình 3D trong phần mềm Plaxis trường hợp nhiều lớp cốt

89

Hình 3.12 Lực kéo phương vuông góc trên lớp cốt ĐKT trường hợp dùng 1 lớp cốt 90

Hình 3.13 Lực kéo phương song song trên lớp cốt ĐKT trường hợp dùng 1 lớp cốt 90

Hình 3.14 Lực kéo phương vuông góc trong lớp cốt thứ 1 trường hợp dùng 2 lớp cốt 91 Hình 3.15 Lực kéo phương song song trên lớp cốt thứ 1 trường hợp dùng 2 lớp cốt 91

Hình 3.16 Lực kéo phương vuông góc trên lớp cốt thứ 2 trường hợp dùng 2 lớp cốt 92

Hình 3.17 Lực kéo phương song song trên lớp cốt thứ 2 trường hợp dùng 2 lớp cốt 92

Hình 3.18 Lực kéo phương vuông góc trên lớp cốt thứ 1 trường hợp dùng 3 lớp cốt 93 Hình 3.19 Lực kéo phương song song trên lớp cốt thứ 1 trường hợp dùng 3 lớp cốt 94

Hình 3.20 Lực kéo phương vuông góc trên lớp cốt thứ 2 trường hợp dùng 3 lớp cốt 94

Hình 3.21 Lực kéo phương song song trong lớp cốt thứ 2 trường hợp dùng 3 lớp cốt 94 Hình 3.22 Lực kéo phương vuông góc trên lớp cốt thứ 3 trường hợp dùng 3 lớp cốt 95

Hình 3.23 Lực kéo phương song song trong lớp cốt thứ 3 trường hợp dùng 3 lớp cốt 95 Hình 4.1 Sơ đồ tính cọc kết hợp cốt ĐKT 97 Hình 4.3 Vị trí xây dựng cầu Trần Thị Lý 107

Hình 4.4 Hình ảnh phối cảnh cầu Trần Thị Lý 107

Hình 4.5 Mặt bằng và mặt đứng của cầu 108

Hình 4.6 Bố trí gia cố cọc đất xi măng bờ Đông 109

Hình 4.7 Mặt cắt ngang điển hình 109

Hình 4.8 Các hình trụ lỗ khoan điển hình hai đầu cầu Trần Thị Lý 110

Hình 4.9 Cửa sổ nhập dữ liệu trong phần mềm GPEmb01 114

Hình 4.10 Xây dựng mặt cắt tính toán trong phần mềm GPEmb01 115

Hình 4.11 Khai báo phạm vi tính và chạy chương trình GPEmb01 115

Hình 4.12 Kết quả phân tích trường hợp chưa bố trí cọc và vải ĐKT 116

Hình 4.13 Kết quả phân tích trường hợp bố trí cọc và vải ĐKT 117

Hình 4.14 Kết quả phân tích ổn định tổng thể trường hợp chưa bố trí cọc và vải ĐKT bằng phần mềm GEOslope 118

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Với đặc điểm địa chất và tốc độ phát triển hạ tầng giao thông ở nước ta, việc xây dựng đường đắp cao trên nền đất yếu là vẫn đề đã và sẽ thường xuyên gặp phải Cùng với đó là các yêu cầu gắt gao về mặt kỹ thuật cũng như sự đòi hỏi đẩy nhanh quá trình thi công để sớm đưa công trình vào khai thác Giải pháp cọc xử lý nền đất yếu đã được ứng dụng ở nước ta từ những năm 80 với các giải pháp công nghệ như cọc đất xi măng, đất gia cố vôi, cọc tiết diện nhỏ như cọc BT, cọc BTCT Các giải pháp này thường kết hợp với sàn giảm tải BTCT với mục đích truyền toàn bộ tải trọng đất đắp

và giao thông xuống cọc, không cho đất yếu dưới phần đắp chịu tải trọng Giải pháp này hiệu quả mặt kỹ thuật, an toàn cho thiết kế tuy nhiên có thể dẫn đến lãng phí về mặt kinh tế

Tìm hiểu giải pháp công nghệ sàn giảm tải sử dụng kết hợp với cọc, NCS nhận thấy giải pháp sàn giảm tải bằng vật liệu địa kỹ thuật (ĐKT) cường độ cao (bao gồm lưới hoặc vải ĐKT – gọi chung là cốt ĐKT) đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi

ở nhiều nước trên thế giới Thay vì sử dụng sàn giảm tải cứng bằng tấm BTCT, một hoặc một số lớp cốt ĐKT được trải trên đỉnh cọc để tạo thành lớp truyền tải mềm, xen giữa các lớp cốt này có thể sử dụng cốt liệu thô như cát, đá dăm .Vai trò của lớp truyền tải này có được nhờ đặc điểm khả năng chịu kéo rất lớn của các lớp cốt ĐKT, cốt phát huy vai trò của hiệu ứng màng của bản thân và hiệu ứng vòm trong phần đất đắp từ đó làm tăng hiệu quả truyền tải xuống cọc và giảm tải trọng truyền xuống đất yếu một cách hiệu quả Ngoài ra, ưu điểm của giải pháp công nghệ này còn thể hiện ở tính đơn giản, tốc độ trong thi công và rất thân thiện với môi trường Chính vì những

ưu điểm đó đã có rất nhiều công trình lựa chọn giải pháp này cho các vị trí đắp cao, yêu cầu độ lún nhỏ như đường đầu cầu, phần mở rộng của đường hiện hữu, Song song với việc ứng dụng giải pháp là nghiên cứu từ thực nghiệm đến lý thuyết về sự làm việc phối hợp cọc và cốt ĐKT như: cơ chế truyền tải trọng, sự phân bố lực kéo trên cốt, hơn nữa một số nước đã ban hành tiêu chuẩn thiết kế cho giải pháp công nghệ này như Anh, Đức,

Tổng hợp các nghiên cứu công bố trên Thế giới, ở Việt Nam và phương pháp tính toán thiết kế trong tiêu chuẩn của Anh BS8006:1-2010, của Đức EBGEO 2004, NCS có một số nhận định sau:

- Phương pháp thực nghiệm mô hình: Các mô hình vật lý thu nhỏ cùng với sự hạn chế về loại vật liệu và kết cấu mặc dù đã mô phỏng được nguyên lý làm việc nhưng không thể phản ánh sát thực với bài toán thực tế với sự đa dạng của vật liệu, địa tầng

và đất đắp Tuy nhiên, các thí nghiệm trên mô hình thu nhỏ là cơ sở rất tin cậy cho việc phát triển, kiểm tra đối chiếu khẳng định các phương pháp tính toán giải tích hay các phương pháp số

- Phương pháp giải tích và phương pháp trong tiêu chuẩn: Phần lớn các phương pháp đều dựa trên các kết luận của các mô hình thực nghiệm trong phòng và xây dựng các bài toán cân bằng giới hạn Hạn chế của các phương pháp này xuất phát từ chính

sự hạn chế của các mô hình thực nghiệm và những giả thiết nhằm đơn giản hóa lời giải khi mô phỏng bài toán thực nghiệm về bài toán cân bằng giới hạn như không xét đến ảnh hưởng của đất yếu, đất đắp, khoảng cách cọc Và các thí nghiệm trên các vật liệu

sử dụng khác nhau kèm theo các giả thuyết khác nhau đã dẫn đến sự khác biệt rất lớn trong kết quả tính Ví dụ tiêu chuẩn Anh tồn tại hai cách tính tải trọng truyền tải xuống cọc dựa vào hai thực nghiệm cống chìm của Marston năm 1913 và Hewlett và Randolph năm 1988 của đã cho ra các kết quả rất khác nhau Bàn luận về phương pháp tính sự truyền tải, chính bản thân tiêu chuẩn Anh cũng khuyến cáo nên có những phương pháp tính toán phân tích khác để phù hợp với điều kiện địa chất, vật liệu cụ thể tại từng trường hợp, đặc biệt là phương pháp số Ngoài ra, khi tính toán lực kéo trên cốt ĐKT, các phương pháp đều giả thiết lực phân bố trên cốt chỉ tập trung vào rải cốt giữa hai cọc, điều này dẫn đến giá trị tính toán lực kéo sẽ quá lớn so với thực tế

- Phương pháp số: Nhìn chung việc sử dụng phương pháp số gồm phương pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn để phân tích bài toán cọc kết hợp với cốt ĐKT ngày càng phổ biến Nhờ khả năng phân tích số trên hầu hết các dạng mô hình hình học, kết cấu vật liệu và đất, một số phần mềm ĐKT xây dựng trên cơ sở phương pháp

số được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và nghiên cứu như FLAC, Plaxis, Tuy nhiên độ chính xác của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào việc mô phỏng số mô hình hình học bài toán phân tích, các điều kiện biên, mô phỏng sự tiếp xúc của vật liệu với kết cấu và đặc biệt là mô hình vật liệu lựa chọn Bên cạnh đó, việc sử hữu một phần mềm ĐKT và kĩ thuật viên sử dụng phần mềm đôi khi là một vấn đề khó trong thực tế sản xuất

Như vậy vấn đề đặt ra đó là cơ chế truyền tải trọng xuống cọc, cốt ĐKT và đất yếu có xét đến các yếu tố đất đắp, kích thước đầu cọc, khoảng cách cọc, mô đun đàn hồi của cọc và đất yếu, đặc trưng cơ học của cốt ĐKT, phân tích lực kéo trên cùng một lớp cốt và trên các lớp cốt từ đó bước đầu xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ cọc kết hợp với cốt ĐKT cũng như các công cụ hỗ trợ phục vụ tính toán Đó chính là lý do

hình thành đề tài: “Nghiên cứu tính toán lớp cốt địa kỹ thuật kết hợp cọc chống sử

dụng trong nền đắp trên đất yếu’’

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán lớp cốt ĐKT kết hợp cọc chống sử dụng trong nền đắp trên đất yếu từ đó đưa ra quy trình tính toán và lập trình tự động hóa các bước tính toán

Đối tượng nghiên cứu:

Sự làm việc của cọc kết hợp với cốt ĐKT gia cố nền đất yếu dưới nền đường đắp

Phạm vi nghiên cứu:

Sự truyền tải trọng xuống cọc, chiều cao đất đắp tối thiểu và lực kéo trong cốt ĐKT khi hệ chịu tác dụng của tải trọng phân bố thẳng đứng và hệ móng cọc đã được tính toán đủ khả năng chịu tải của cọc, của nền và độ lún đảm bảo yêu cầu thiết kế

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Tổng kết tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp công nghệ cọc kết hợp với

cốt ĐKT đã góp phần đánh giá sự khả thi, tính thực tế của giải pháp trong lĩnh vực xử

lý nền móng khi xây dựng đường đắp trên đất yếu

- Luận án phân tích được một số hạn chế của một số phương pháp thiết kế, tính toán hiện tại và chứng minh được sự phù hợp khi xây dựng mô hình số 3D phân tích với các điều kiện biên phù hợp, đồng thời lựa chọn được mô hình đất và mô hình vật liệu phù hợp góp phần thuận lợi cho việc lựa chọn mô hình tính khi sử dụng phương pháp số để phân tích, thiết kế

- Các công thức NCS đề xuất đã thể hiện được tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng tới

sự truyền tải trong hệ cọc làm việc với cốt ĐKT, điều này các nghiên cứu trước đây chưa làm được

- Xây dựng được trình tự tính toán, thiết kế hệ cọc kết hợp với vật liệu ĐKT dựa trên cơ sở của tiêu chuẩn Anh BS 8006:1-2010 và trên các đề xuất của NCS khi tính chiều cao vòm đất, hiệu quả truyền tải và lực kéo trên cốt

- Xây dựng được sơ đồ thuật toán để lập chương trình cho phép tự động hóa các bước tính, từ đó tăng nhanh tốc độ tính toán cũng như đảm bảo tính chính xác của từng bước tính

4 Bố cục của luận án

Chương 1: Tổng quan về phương pháp sử dụng cọc kết hợp với cốt địa kỹ thuật

trong xây dựng nền đắp trên đất yếu

Nội dung bao gồm:

- Một số vấn đề liên quan đến đất yếu và công nghệ xử lý đất yếu dưới nền đường đắp ở Việt Nam và trên Thế giới

- Tổng kết tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ kết hợp cọc với cốt ĐKT trên thế giới và ở Việt Nam Cuối chương là một số kết luận nhận xét và đưa ra mục đích, hướng nghiên cứu

Chương 2: Nghiên cứu xác định tải trọng truyền xuống cọc và chiều cao nền

đắp tối thiểu trên hệ cọc kết hợp với cốt địa kỹ thuật gia cường nền đất yếu

Nội dung chính bao gồm:

- Sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (dùng phần mềm Plaxis 3D); phương pháp theo tiêu chuẩn của Anh BS8006-1:2010, phương pháp của Đức EBGEO

2004 cùng phân tích sự truyền tải trọng xuống cọc trên mô hình thực nghiệm Zaeske(2001) Từ kết quả phân tích, đối chiếu khẳng định được sự tin cậy của việc mô phỏng số bài toán thực nghiệm Zaeske (2001) bằng phần mềm Plaxis 3D để từ đó mở rộng phân tích khi thay đổi các yếu tố vật liệu, đất đắp

- Mô phỏng số phân tích tải trọng truyền xuống cọc, đất yếu và cốt ĐKT khi có xét tới các yếu tố: đặc tính biến dạng lưới, số lớp lưới, chỉ tiêu cơ lý đất đắp, loại đất đệm giữa các lớp lưới, quan hệ độ cứng cọc và đất yếu, kích thước cọc (mũ cọc) và xây dựng công thức tính hiệu quả truyền tải

- Mô phỏng số phân tích xác định chiều cao đất đắp tối thiểu phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước cọc (mũ cọc) và tải trọng ngoài và xây dựng công thức tính chiều cao đắp tối thiểu

Chương 3: Nghiên cứu phân tích lực kéo trên cốt địa kỹ thuật

Nội dung của chương bao gồm:

- Sử dụng các phương pháp trong tiêu chuẩn Anh, Đức để tích lực kéo trong cốt ĐKT từ đó rút ra những tồn tại của các phương pháp trong các tiêu chuẩn

- Sử dụng phương pháp phân tích số để phân tích lực kéo trên cốt ĐKT có xét đến yếu tố khoảng cách cọc và tính chất của cốt thông qua mô đun độ dãn dài Kết hợp với kết quả hiệu quả truyền tải đã đề xuất ở chương 2, xây dựng công thức tính lực kéo trong lưới

- Phân tích sự phân bố lực kéo trên các lớp cốt ĐKT trong tường hợp bố trí nhiều lớp cốt và thay đổi vật liệu xen giữa các lớp cốt

Chương 4: Nghiên cứu lập chương trình tính bài toán hệ cốt địa kỹ thuật kết hợp

với cọc trong xây dựng đường đắp

Nội dung của chương bao gồm:

- Xây dựng trình tự tính toán nền đắp trên hệ cọc kết hợp với cốt ĐKT

- Xây dựng chương trình máy tính tự động hóa các bước tính toán: Phần mềm GPEmb01 và áp dụng cho một công trình thực tế

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC KẾT HỢP VỚI CỐT ĐỊA KỸ THUẬT TRONG XÂY DỰNG NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 1.1 Đất yếu và các giải pháp xử lý nền đất yếu

1.1.1 Tổng quan về đất yếu

1.1.1.1 Cách phân biệt nền đất yếu

Ở nước ta, định nghĩa và phân loại đất yếu được chỉ dẫn cụ thể ở điều 1.4 "Quy trình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu, 22TCN 262-2000" [2] Dựa vào các tiêu chí cụ thể mà có các cách phân loại nền đất yếu như sau:

a Phân loại theo nguồn gốc hình thành

Loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ

Loại có nguồn gốc khoáng vật: thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vũng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu Đối với loại đất này, được xác định là đất yếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng thường gần bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e  1,5, đất á sét e  1), cường độ lực dính không thoát nước  15 kPa, góc ma sát trong  từ 00 đến 100 hoặc cường độ lực dính

từ kết quả cắt cánh hiện trường < 35 kPa Ngoài ra, các vùng thung lũng còn hình thành đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1, độ bão hòa G > 0,8) Loại có nguồn gốc hữu cơ: hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa, phân huỷ tạo

ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật Loại này thường được gọi là đất đầm lầy than bùn, thường có màu đen hay nâu sẫm, hàm lượng hữu cơ chiếm từ 20% đến 80% và được phân thành:

- Hàm lượng hữu cơ từ 20-30%: đất nhiễm than bùn

- Hàm lượng hữu cơ từ 30-60%: đất than bùn

- Hàm lượng hữu cơ trên 60%: than bùn

b Phân loại theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên)

Để đánh giá sơ bộ về tính chất công trình trên đất yếu, từ đó xem xét các giải pháp thiết kế nền đường tương ứng, đất yếu được phân loại theo trạng thái tự nhiên của chúng sư sau:

- Với đất là sét hoặc á sét: được phân loại theo độ sệt B Khi B >1 thì gọi là đất bùn sét, khi 0,75 < B < 1 là đất yếu dẻo chảy

- Với đất là đầm lầy than bùn: Loại đất này được phân thành 3 loại:

Loại I: Có độ sệt ổn định, thuộc loại này nếu vách đất đào thẳng đứng sâu 1m nhưng chúng vẫn duy trì được độ ổn định từ 1 đến 2 ngày

Loại II: Loại có độ sệt không ổn định, không đạt tiêu chuẩn loại 1 nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy

Loại III: Đất than bùn ở trạng thái chảy

c Một số chỉ tiêu phân loại đất yếu theo tiêu chuẩn nước ngoài

Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn SPT (N) như sau:

- Đất rất yếu: Su  12,5 kPa hoặc N  2;

- Đất yếu: Su  25 kPa hoặc N  4

1.1.1.2 Phân bố đất yếu ở Việt Nam

Đất yếu ở Việt Nam chủ yếu là những tầng trầm tích tam giác châu được tạo thành trong kỷ thứ tư Tầng trầm tích này thường gặp ở các miền đồng bằng mà lớn nhất là đồng bằng Bắc Bộ và đồng bằng Nam Bộ Đặc điểm chung của các tầng đất mềm yếu ở Việt Nam như sau [16,11]

a Tầng đất yếu ở đồng bằng Bắc Bộ

Miền đồng bằng này rộng khoảng 15000 km2 và ít đồi núi sót Tầng đất yếu chủ yếu là loại trầm tích tam giác châu cũ và tam giác châu thổ của hai con sông lớn là sông Hồng và sông Thái Bình Chiều dầy tầng trầm tích ở vùng này rất dày, từ vài mét đến hơn 100m

b Vùng đồng bằng ven biển miền Trung

Là vùng đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình Trầm tích kỷ thứ tư ở đây thường thấy ở thung lũng các sông và thường là loại phù sa bồi tích Đất yếu trầm tích thường thấy là các loại bùn hoặc cát nhỏ bão hòa rời rạc, số lượng các lớp đất yếu thường không quá 3 lớp, chiều dầy lớp đất yếu < 20m, lớp đá dưới thường thấy là đá magma hay đá biến chất

c Đồng bằng Thanh Nghệ Tĩnh

Có những khu vực bồi tụ, mài mòn xen kẽ nhau và rất đa dạng gồm có trầm tích bồi tụ tam giác châu và trầm tích bồi tụ ven biển So với đồng bằng Bắc Bộ, tầng trầm tích ở khu vực này không dày lắm

d Đồng bằng Nam Bộ

Đất yếu thuộc khu vực đồng bằng bồi tích với nguồn gốc sông, đầm lầy, sông biển, vũng vịnh hỗn hợp Tầng trầm tích biến đổi phức tạp, chiều dày từ vài mét đến

100m, trong đó có loại trầm tích phù sa cổ chịu lực tốt (gồm sét, á sét, cát mịn), loại bồi tích trẻ - chịu tải kém (bùn sét, bùn sét hữu cơ bão hòa…) có chiều dày 8m đến 35m

1.1.2 Tổng quan các giải pháp công nghệ xử lý nền đất yếu dưới nền đường đắp

1.1.2.1 Các yêu cầu xử lý nền đất yếu xây dựng đường đắp

Khi xây dựng đường ô tô trên nền đất yếu, các biện pháp xử lý nền cần đảm bảo các yêu cầu sau [3,4,5,10,11,16]

a Các yêu cầu về khảo sát phục vụ thiết kế

Phải điều tra xác định được phạm vi phân bổ của các vùng đất yếu về phân bố, chiều sâu, nguồn gây ẩm, khả năng thoát nước

Lấy mẫu và tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường để xác định loại đất yếu, chỉ tiêu phục vụ cho tính toán

b Các yêu cầu về thiết kế thi công

- Về ổn định: Nền đắp trên nền đất yếu phải đảm bảo ổn định, không bị phá hoại

do trượt trồi trong quá trình thi công xây đắp (đắp phần nền theo thiết kế hoặc đắp cao hơn cao độ thiết kế để gia tải trước) và trong suốt quá trình đưa vào khai thác sử dụng sau đó

- Về tính toán lún: Tính toán dự báo được độ lún tổng cộng kể từ khi bắt đầu đắp nền cho đến khi lún hết hoàn toàn; bố trí hệ thống quan trắc trong quá trình thi công nền đắp trên nền đất yếu

- Xác định các tải trọng tính toán: Tải trọng tính toán khi kiểm tra ổn định và dự báo lún của nền đắp gồm tải trọng đắp nền, đắp gia tải trước, tải trọng xe cộ, tải trọng động đất

1.1.2.2 Các giải pháp công nghệ xử lý nền đất yếu

Mục tiêu của các giải pháp xử lý nền đất yếu khi xây dựng nền đường đắp là để đảm bảo đồng thời các yêu cầu giảm độ lún tổng cộng, độ lún lệch, rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí xây dựng [1, 7, 8, 11, 12, 41] Các giải pháp thường gặp bao gồm:

- Nền đắp nhẹ;

- Tăng cường bằng vật liệu địa kỹ thuật (vải, lưới địa kĩ thuật )

b Cải thiện đất dưới nền đắp

- Thời hạn công trình phải hoàn thành

- Có đáp ứng được các yêu cầu khai thác sử dụng lâu dài hay không

- Tác động của giải pháp tới môi trường xung quanh (phạm vi chiếm dụng đất, tác động đến nguồn nước, gây ô nhiễm môi trường )

- Giá thành và khả năng thực hiện tại chỗ (điều kiện cung ứng vât liệu, thiết bị, tay nghề )

Theo kinh nghiệm của các nước, để đạt mục tiêu xử lý nói trên thường kết hợp sử dụng 2 đến 3 giải pháp như:

- Tầng đệm cát kết hợp với giếng cát hoặc bấc thấm;

- Cọc kết hợp với vật liệu địa kỹ thuật (vải ĐKT hoặc cốt ĐKT)

Theo quan điểm thiết kế hiện đại [8], việc lựa chọn giải pháp sử dụng phương pháp phân tích chi phí vòng đời bằng cách cân nhắc giữa chi phí ban đầu và chi phí cho công tác bảo trì đảm bảo sự phục vụ tốt nhất của kết cấu Trên quan điểm đó, việc thiết kế nền đắp trên đất yếu chú trọng tới vấn đề độ lún đặc biệt là độ lún lệch, vấn đề

ổn định và sức chịu tải của phần đắp Giải pháp cọc hỗ trợ nền đắp lần đầu tiên được

sử dụng ở Châu Âu vào những năm 1970 và ngày càng được áp dụng rộng rãi khắp nơi trên thế giới đã chứng minh được tính hiệu quả của giải pháp Mặc dù chi phí ban đầu cao nhưng chi phí vòng đời khi phân tích một thời gian dài phục vụ lại nhỏ hơn do chi phí cho công tác bảo trì giảm rất nhiều so với các giải pháp như gia tải trước, thoát nước thẳng đứng, đào thay đất [41]

1.2 Giải pháp cọc kết hợp với cốt địa kỹ thuật

1.2.1 Mô tả giải pháp và một số ứng dụng tiêu biểu

1.2.1.1 Mô tả giải pháp

Giải pháp sử dụng cọc gia cường nền đất yếu thường được sử dụng trong các trường hợp chiều dày lớp đất yếu lớn, thời gian xây dựng và mặt bằng xây dựng bị hạn chế [9, 15, 18, 40, 33] Khi đó, vai trò chính của cọc là chịu và truyền tải trọng nền đắp cũng như tải trọng giao thông xuống tầng đất tốt hơn ở dưới mũi cọc Các giải pháp sử dụng cọc có thể kể tới:

Giải pháp truyền thống (hình 1.1a): để tăng tải trọng truyền xuống cọc và tránh

hiện tượng đẩy ngang của hàng cọc phía ngoài cũng như hiện tượng lún lệch quá lớn giữa cọc và đất yếu xung quanh, giải pháp này thường yêu cầu phải có hàng cọc xiên, kích thước mũ cọc lớn và khoảng cách giữa các cọc nhỏ

Giải pháp cọc kết hợp bản BTCT (hình 1.1b): với giải pháp công nghệ này,

toàn bộ tải trọng sẽ được truyền xuống cọc, giải pháp đã phát huy tối đa hiệu quả của việc sử dụng cọc, giảm kích thước, giảm số lượng cọc, tránh hiện tượng lún không đều, lún lệch phản ánh trên mặt đường hay còn gọi là hiện tượng “đội nấm” và tăng nhanh tốc độ xây dựng Tuy nhiên, công nghệ này cần một khối lượng thép lớn cũng như chiều dầy bản bê tông tương đối lớn có thể dẫn đến kinh phí xây dựng lớn

Giải pháp cọc kết hợp với cốt ĐKT (hình 1.1c): là giải pháp còn được gọi là

GRPS (Geosynthetics Reinforced Pile Supported) Giải pháp là sự kết hợp của một hoặc một số lớp lưới ĐKT hoặc vải ĐKT có khả năng chịu kéo lớn được trải trên đỉnh cọc giúp tăng phần tải trọng truyền vào cọc và gánh đỡ phần tải trọng truyền xuống phần đất yếu giữa các cọc, nhờ đó giảm được độ lún lệch giữa phần cọc và phần đất xung quanh cọc Giải pháp này được đánh giá là đơn giản trong thi công, cốt ĐKT thân thiện môi trường, giải pháp sử dụng cốt ĐKT này ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng, đặc biệt tại các vị trí đắp cao và có yêu cầu nghiêm ngặt về

độ lún cũng như yêu cầu tiến độ thi công gấp

Loại cọc sử dụng: Với công nghệ này, vai trò chủ yếu của cọc là chịu và truyền

tải trọng xuống lớp đất cứng hơn dưới mũi cọc Với vai trò này, cọc đã được tính toán,

bố trí đảm bảo đủ khả năng chịu tải của cọc, khả năng chịu tải của nền đất và đảm bảo

độ lún tổng cộng của nền theo yêu cầu thiết kế Tùy thuộc vào công nghệ thi công cũng như vật liệu làm cọc, có nhiều loại cọc khác nhau Các loại cọc thường gặp gồm:

các loại cọc đóng (cọc bê tông, bê tông cốt thép, cọc gỗ ) và các loại cọc thi công tại chỗ như cọc đất gia cố vôi, gia cố xi măng [24, 39]

Hình 1.2 Đường Gorinchem – Hà Lan [39]

Cốt ĐKT là từ gọi chung cho vải ĐKT và lưới ĐKT:

Vải ĐKT được chế tạo từ những sản phẩm của dầu mỏ, được chế tạo bằng một

hoặc hai của các hợp chất chính Polyester, Polypropylene hoặc Polyamide và được gọi chung là polyme

Vải ĐKT được chia làm 3 nhóm chính là dệt, không dệt và cường độ cao

Vải ĐKT không dệt: gồm những sợi ngắn, không theo một hướng nhất định nào,

được liên kết với nhau bằng phương pháp hoá (dùng chất dính) hoặc nhiệt (dùng sức nóng) Loại này có khả năng chịu kéo thấp, chủ yếu sử dụng làm tầng lọc ngược

Vải ĐKT dệt: gồm những sợi dọc và sợi ngang dệt lại giống như vải may mặc,

như vải Robusta, Nicolon của Hà Lan, Amoco của Anh, Krafter của Nhật, Deayoun và Kolon của Hàn Quốc Biến dạng của nhóm vải dệt thường được thí nghiệm theo hai hướng chính, hướng dọc máy, viết tắt MD (machine drection) và hướng ngang máy, viết tắt CD (cross machine drection)

Vải ĐKT cường độ cao: được sản xuất từ các sợi polyester có cường độ chịu kéo

cao, độ dãn dài thấp, có độ bền lên đến hàng trăm năm, đảm bảo yêu cầu tuổi thọ công trình dài hạn Vải ĐKT cường độ cao bền với các tác động hoá lý của môi trường, đặc biệt không chịu các tác động của các loại đất có tính axít (pH ≥ 2)

Hình 1.3 Vải địa kỹ thuật

Trong ba loại vải trên thì vải không dệt đã được sử dụng từ lâu để làm tầng lọc ngược, còn hai loại vải dệt và vải cường độ cao có khả năng chịu kéo cao được sử dụng nhiều trong gia cố cho các công trình xây dựng, hiện nay ở Việt Nam hai loại vải

này sản xuất chưa nhiều mà chủ yếu nhập khẩu từ nước ngoài

Lưới ĐKT: lưới ĐKT giống như tờ bìa dày có lỗ, kích thước lỗ thay đổi tuỳ theo

loại lưới, có dạng chữ nhật hoặc bầu dục, rộng vừa đủ để cài chặt với đất, sỏi xung quanh Lưới ĐKT làm bằng chất polypropylene (PP), polyester (PE) hay bọc bằng polietilen - Teretalat (PET) với phương pháp ép và dãn dọc Vật liệu dùng làm cốt ĐKT có sức kéo đứt lớn, thậm chí còn có có thể lớn hơn so với kim loại

Lưới ĐKT được chia làm 3 nhóm: Lưới ĐKT một trục; Lưới ĐKT hai trục; Lưới ĐKT ba trục

Hình 1.4 Lưới địa kỹ thuật

Lưới ĐKT 1 trục: là loại lưới có khả năng chịu kéo theo một hướng (hướng dọc

máy) lớn hơn rất nhiều so với hướng còn lại Với đặc điểm chịu lực này, loại lưới một trục thường được sử dụng để gia cố, đảm bảo ổn định mái dốc

Lưới ĐKT 2 trục: là loại lưới có khả năng chịu kéo theo cả hai hướng dọc và

ngang tương đương nhau Với đặc điểm chịu lực này, cốt ĐKT 2 trục thường dùng để gia cố nền công trình khi mà ứng suất bằng nhau theo hướng dọc và ngang

Lưới ĐKT 3 trục: là loại lưới có khả năng chịu kéo phân bố đều theo các hướng

do mắt lưới dạng tam giác đều Với đặc điểm chịu lực này, lưới ĐKT 3 trục phù hợp

phù hợp gia cố nền móng công trình khi ứng suất phân bố đều theo các phương

1.2.1.2 Một số ứng dụng tiêu biểu

Giải pháp cọc kết hợp cốt ĐKT trong xây dựng nền đắp trên đất yếu được nghiên cứu và sử dụng ở rất nhiều công trình trên thế giới từ những năm 1970 trở lại đây [29,

33, 40] Có thể kể đến một số dạng công trình sau:

Dự án đường đắp đầu cầu ở Scotland tuyến A876 (Reid và Buchanan,1984) Dự

án đã sử dụng vải ĐKT và cọc hỗ trợ nhằm giảm độ chênh lệch lún giữa đường đầu cầu và mố cầu (hình 1.5a), tỉ lệ diện tích cọc sử dụng so với diện tích đáy nền đắp chỉ

là 10,6% Theo báo cáo của kết quả quan trắc ứng suất trên đầu cọc và phần đất yếu ở khoảng giữa cọc, thì 82% tải trọng là do cọc chịu Trong suốt quá trình xây dựng, áp lực nước lỗ rỗng ở lớp đất yếu không khi nào vượt quá 5% tải trọng do phần đất đắp, điều đó phản ánh tải trọng truyền vào phần đất yếu giảm

Dự án đường đắp tại nút giao của tuyến I – 95 và tuyến US 1 ở Virginia, 59 cọc

xi măng đất thi công theo phương pháp trộn sâu trên có phủ lưới địa kỹ thuật

Dự án đường đắp tại thành phố Colón, Panama (Vega-Meyer và Shao, 2005) Dự

án dùng bốn lớp lưới ĐKT đặt từng lớp theo hướng vuông góc và song song với trục tim đường ở trên đầu cọc để tạo lớp truyền tải (Load Transfer Platform – LTP) Các sensor đo ứng suất ở phần đất giữa hai cọc ở ngay dưới lớp lưới ĐKT cho kết quả ứng suất này chỉ bằng 18% ứng suất trên đỉnh cọc Các sensor đo chuyển vị của đất tại vị trí trên và dưới lớp LTP cho kết quả chuyển vị đọc được ở hai vị trí này ngang nhau, trong khi độ lún trên đầu cọc không đáng kể Độ dãn dài tương đối trong lớp lưới đo được xấp xỉ 1%

Dự án tương tự sử dụng hoàn toàn cọc xi măng đất thay thế cọc bê tông xi măng được vẽ mô tả ở hình 1.5b với nền đắp tương đối thấp (1,5m) kể cả phần kết cấu mặt Chỉ 11% diện tích bao phủ của cọc xi măng đất liên kết với lớp truyền tải Trong khi

so sánh với từ 50% đến 70% diện tích bao phủ yêu cầu khi dùng mũ cọc theo Rathmayer (1975) Tuyến đường khai thác rất tốt theo báo cáo của Tsukada và nnk (1993)

Lớp cốt ĐKT còn được sử dụng với cọc bê tông nhỏ để giảm chênh lệch lún dưới nền đặt thùng chứa với lớp đất yếu là sét và bùn hữu cơ dày từ 3m đến 4m (hình 1.5c) (Viện địa kỹ thuật ASCE 1997)

Cũng với công nghệ này được áp dụng ở đoạn tường chắn trên đất yếu ở Brazil hình 1.5d) Ngoài ra, công nghệ này còn được áp dụng để giảm chênh lệch lún giữa nền đường mới và nền đường hiện hữu trong dự án mở rộng nâng cấp đường (hình 1.5e)

Bể chứa

Cọc bê

c) Bể chứa ASCE Geo- Institute, 1997

Chân đế

Lớp cát trung và cuội sỏi

Lớp mặt Lớp móng

Cọc đất

xi măng

Lưới ĐKT Đất yếu

b) Cải tạo nền (Tsukada và nnk, 1993)

Cầu

Lưới ĐKT Đất đắp

Bồi tích yếu

Cọc chuyển tiếp Cọc kết cấu

a) Đường đầu cầu (Rei và nnk, 1993)

Sau trên 25 năm sử dụng công nghệ cọc kết hợp cốt ĐKT gia cường nền đường đắp [23], Prelovsky đã tổng kết một số nét chính sau: khoảng cách cọc thông thường trong khoảng 2m – 3m, mũ cọc sử dụng thường hình vuông kích thước từ 0,75m đến 1,5m Trên mặt bằng, cọc thường được bố trí dạng lưới ô vuông vì nếu bố trí dạng lưới tam giác thì rất phức tạp để phân tích cơ chế hình thành vòm đất

Dựa vào kết qủa điều tra 13 công trình thực tế áp dụng phương pháp sử dụng cọc truyền thống, Rathmaye [40] có đưa ra khuyến cáo về tỉ lệ diện tích cọc (mũ cọc) so với diện tích đáy nền đắp khi chiều cao nền đắp và vật liệu đắp thay đổi (Hình 1.6) Như vậy, qua các báo cáo ứng dụng giải pháp kết hợp cọc với cốt ĐKT đã chứng minh được tác dụng to lớn khi xử lý đất đất yếu dưới nền đắp Lớp truyền tải cốt ĐKT cho phép giảm số lượng cọc, giảm kích thước mũ cọc, giảm thời gian thi công và quan

Lưới ĐKT

Lưới ĐKT Cọc đất xi măng

Lưới ĐKT

Cọc

e) Mở rộng đường hiện hữu

Hình 1.5 Một số trường hợp dùng cọc kết hợp cốt ĐKT

trọng là giảm được độ chênh lệch lún giữa cọc và phần nền nằm giữa hai cọc do đó giảm được độ lún trên đỉnh nền đắp

Hình 1.6 Tỉ lệ diện tích cọc (mũ cọc) phụ thuộc vào chiều cao nền đắp

1.2.2 Những tính toán hệ cọc kết hợp với cốt ĐKT hiện nay trên thế giới

Cùng với việc giải pháp cọc kết hợp với cốt đáy dưới đường đắp ngày càng được

áp dụng rộng rãi, đã có rất nhiều nhà nghiên cứu, các tổ chức đi sâu vào phân tích sự làm việc của sự phối hợp này Nhìn chung, quan điểm của những nhà nghiên cứu và thiết kế đều cho rằng đây là một hệ làm việc phức tạp Khi phân tích, các nghiên cứu hầu như rời rạc hệ thành các phần riêng rẽ và kèm với đó là những giả thiết nhằm đơn giản hóa việc tính toán Phần trên hệ cọc (trong phần đất đắp) bao gồm các nghiên cứu

về vòm đất và cơ chế chuyền tải (hình 1.7); lớp cốt ĐKT - lực kéo, độ dãn dài Phần nền (dưới phần đắp) bao gồm các nghiên cứu về sự tập trung ứng suất vào đầu cọc, tương tác cọc và đất yếu xung quanh (ma sát âm, ma sát dương), cọc chống hay cọc

Hình 1 7 Phân bố tải trọng trên cọc, cốt và đất yếu

Tải trọng cho cọc (A), cốt ĐKT (B), nền đất yếu (C)

1.2.2.1 Thử nghiệm Zaeske (2001)

Thử nghiệm được tiến hành bởi Zaeske vào năm 2001 trên mô hình tỉ lệ 1:3 [40] Thử nghiệm mô phỏng sự làm việc của cọc gia cường nền đất yếu kết hợp với một lớp vải ĐKT trải trên đỉnh cọc ngay dưới phần đắp Thùng thí nghiệm có kích thước trong lòng 1,0m x 1,0m, lớp đất bùn dưới cùng dầy 0,4m mô phỏng cho lớp đất yếu, hệ cọc gồm bốn cọc vuông kích thước 0,16m x 0,16m dài 0,4m bố trí dạng lưới ô vuông với khoảng cách từ tâm cọc đến tâm cọc là 0,5m Thí nghiệm được tiến hành với chiều cao lớp đất đắp (h) thay đổi tương ứng 0,35m và 0,7m và tải trọng ngoài phân bố đều trên đỉnh lớp đắp (s) thay đổi từ 0 kPa đến 120 kPa theo từng cấp bằng 10 kPa (hình 1.8) Thực nghiệm tiến hành đo các đại lượng bao gồm: Độ lún tổng cộng trên mặt lớp cát đắp; ứng suất trên đầu cọc; ứng suất trong cát ở các độ sâu và độ dãn dài của cốt khi chiều cao lớp cát h và tải trọng s thay đổi

Kết quả lực truyền vào cọc theo từng cấp tải trọng [40] như sau:

Bảng 1.1 Tải trọng truyền vào cọc từ thực nghiệm Zaeske (2001)

Nhận xét:

Các kết quả lực truyền vào cọc, lực kéo trong cốt, độ lún quan trắc được từ thí nghiệm đã phản ánh kết quả của sự kết hợp cọc với cốt ĐKT với mô hình cọc chống Đây là thí nghiệm hữu ích cho các nghiên cứu về phương pháp tính cũng như kiểm tra lại kết quả của các thử nghiệm số

Hạn chế của phương pháp chính là việc hạn chế các loại đất, vật liệu sử dụng trong thực nghiệm do đó không phản ánh được sự ảnh hưởng của các loại đất, vật liệu khác nhau vốn rất đa dạng, phong phú trong thực tế xây dựng

1.2.2.2 Mô hình thử nghiệm trong phòng của Hewlett và Randolph (1988)

Trong thử nghiệm, đất yếu được mô phỏng bằng cao su xốp, các lớp cát đắp được nhuộm màu và trải thành các lớp nằm ngang và sự chuyển vị của phần đắp được quan sát qua vách kính của khoang thí nghiệm [40] Thí nghiệm được thực hiện với nhiều trường hợp khi thay đổi khoảng cách giữa các cọc và tải trọng Kết quả chuyển vị đo được chỉ ra rằng phương chuyển vị cắt ở phía ngoài mũ cọc có dạng hình quạt Độ lún quan trắc được tại các vị trí trên đỉnh cọc, giữa các cọc và dưới đáy lớp đất cát đắp gần như giống nhau và ứng suất ở đáy lớp cát là tương đối ngang nhau Hewlett và Randolph (1988) cho rằng vòm phát triển trong phần cát đắp giữa cọc giới hạn bởi mặt cong dạng bán cầu (hình 1.9) Phần lớn tải trọng trên đỉnh mặt cong được chuyền tới cọc hỗ trợ thông qua vòm

Nhận xét: Các kết luận về vòm đất của thí nghiệm là cơ sở cho nhiều phương

pháp tính toán giải tích sau này để giải quyết vấn đề hình thức của vòm đất phát triển trong phần đất đắp giữa hai cọc Tuy nhiên, do thí nghiệm chỉ được tiến với loại đất cát nên đã không phản ánh được sát thực kích thước của vòm đất với các loại đất đắp khác nhau và do đó các lý thuyết tính toán dựa trên thí nghiệm này sẽ dẫn tới sự sai lệch khi tính toán sự phân bố tải trọng Ngoài ra, việc sử dụng cao su thay cho đất yếu

đã không thể hiện được triệt đặc tính của đất yếu cũng như sự tương tác đất yếu với cọc, của đất yếu với cốt ĐKT

Hình 1 9 Giả thiết vòm đất dạng bán cầu Hewlett và Randolph (1988)

1.2.2.3 Mô hình thử nghiệm trong phòng của Low và nnk (1984)

Mô hình thực nghiệm được xây dựng gồm [39,40]: phần đất yếu dùng cao su xốp, đất đắp sử dụng cát, vải địa kỹ thuật dùng làm cốt đáy và mũ cọc mô phỏng bằng cách dùng khối gỗ với mục đích giảm độ lún lệch trên mặt nền đắp Thử nghiệm được tiến hành trong hai trường hợp có và không có vải Các cảm biến lực được đặt dưới đáy phần đắp ngay tại các vị trí trên đỉnh cọc và tĩnh không giữa hai cọc Những chỉ số sau được tác giả nghiên cứu: (1) Hiệu quả, (2) năng lực, (3) tỉ lệ giảm ứng suất Chỉ số năng lực được định nghĩa là “tỉ lệ tải trọng trên mũ cọc với trọng lượng cột đất đắp trên đỉnh cọc tương ứng với độ rộng mũ cọc”, tỉ lệ giảm ứng suất là “tỉ lệ giữa ứng suất thẳng đứng thực tế trên đất yếu với ứng suất phân bố đều tại đáy phần đắp được tính do tải trọng bản thân phần đắp Kết quả chính của nghiên cứu như sau:

Hiệu quả của việc sử dụng vải bằng 1,3 đến 1,5 lần so với trường hợp không dùng vải; Ứng suất thẳng đứng trên đất yếu giảm khi khoảng cách bố trí các cọc giảm

Nhận xét: Kết quả nghiên cứu mang tính chất định tính và khẳng định hiệu quả

của việc kết hợp cọc với vải ĐKT

1.2.2.4 Phương pháp Colin

Phương pháp Colin [31,40] quan điểm trong trường hợp bài toán phẳng 2D, vòm đất dạng hình chóp được xác định trong phạm vi góc α = 450 bắt đầu vẽ từ rìa ngoài của mũ cọc, trong bài toán không gian 3D vòm đất là hình bán chóp 6 mặt (hình 1.10)

Hình 1.10 Giả thiết vòm đất trong phương pháp Colin

Colin đã hoàn thiện phương pháp Guido trên cơ sở phương pháp Guido et al năm

1987 Tác giả đã tiến hành thí nghiệm bàn nén tĩnh trên lớp cốt đáy bằng cốt ĐKT gia cường cho nền đất để nghiên cứu sức chịu tải Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng, nền cát không gia cố cốt ĐKT bị phá hoại cắt trượt và mặt trượt thể hiện lên trên bề mặt nền thông qua các quan sát được về hiện tượng đẩy trồi lên của vật liệu Một biểu hiện khác của sự phá hoại là sự thể hiện tải trọng hầu như không đổi trong khi biến dạng liên tục tăng Mặt khác, với đất cát có gia cố cốt ĐKT không có những phá hoại như trên mà chỉ quan sát được phá hoại tại vị trí rìa ngoài của bàn nén Hơn nữa, nghiên

cứu cũng chỉ ra số lớp cốt ĐKT tối ưu để tăng khả năng chịu tải là 3, việc tăng thêm số lớp vải sẽ không có tác dụng hoặc làm tăng sức chịu tải lên không đáng kể

Phương pháp Colin giải quyết bài toán như mô tả như sau: một số lớp cốt ĐKT (thường 3 lớp) được trải ở đáy nền đắp và trên đỉnh cọc, các lớp này được xen kẹp giữa lớp đất được đầm chặt và tạo thành lớp truyền tải.Tác dụng của lớp lưới ĐKT là chống lại sự trượt ngang của nền đắp, tạo lớp truyền tải để tải trọng truyền xuống cọc hiệu quả hơn, ngoài ra, lớp cốt này còn đóng vai trò hỗ trợ phần đất trong phạm vi vòm đất Phương pháp Colin (2004) có một số giả thiết sau:

- Vòm đất dạng hình chóp được xác định trong phạm vi góc α = 450 bắt đầu vẽ từ rìa ngoài của mũ cọc

- Phần đất ở trong phạm vi vòm đất được hỗ trợ bởi các lớp cốt ĐKT có dạng kim

tự tháp ở giữa nhóm 3 cọc

- Toàn bộ tải trọng nền đắp ở trên lớp LTP được truyền tới các cọc

- Chiều dầy của lớp LPT lớn hơn hoặc bằng khoảng cách tĩnh không giữa 2 cọc hoặc khoảng cách ngắn hơn giữa 2 mép ngoài của mũ cọc

- Tối thiểu 3 lớp cốt ĐKT được bố trí để tạo lớp LTP

- Độ dãn dài ban đầu trong cốt ĐKT không vượt quá 5%

Các bước thiết kế như sau:

a Thiết kế bố trí lưới cọc

Hình thức bố trí lưới cọc trên mặt bằng (lưới tam giác hay lưới ô vuông), khoảng cách tim cọc (s), kích thước và hình dáng mũ cọc (hình tròn, đường kính d) dựa vào các kinh nghiệm đã có (tham khảo các dự án tương tự) Thông thường, sức chịu tải của cọc và chiều cao nền đắp sẽ đưa ra khoảng cách giới hạn s giữa các cọc Loại cọc được lựa chọn tùy thuộc tải trọng thiết kế

b Thiết kế lớp truyền tải LPT

Việc thiết kế lớp LPT hoàn toàn độc lập với thiết kế cọc mặc dù nó hoàn toàn phụ thuộc vào hình thức bố trí lưới cọc và khoảng cách giữa các cọc Vấn đề chính của thiết kế lớp LPT là tính toán lực kéo trong cốt ĐKT (hình 1.11)

Vòm đất có dạng hình chóp có 3 hoặc 4 mặt tùy thuộc vào sơ đồ bố trí cọc dạng

ô lưới tam giác hay hình vuông Chiều cao của vòm đất tính theo công thức:

Hv là chiều cao của vòm đất;

s là khoảng cách giữa hai cọc tính từ tim;

d là đường kính mũ cọc;

hi là khoảng cách giữa các lớp lưới

Khi thiết kế, chiều dầy h của lớp LPT nên lấy bằng hoặc lớn hơn chiều cao của vòm Hv Cường độ chịu kéo của lưới được chọn là giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị sau: giá trị cường độ cho đảm bảo hệ số an toàn và giá trị cường độ cho phép độ dãn dài tối

đa là 5% khi có xét tới từ biến

s-d

s-d = Kho¶ng c¸ch hai mò cäc

Lực phân bố trên 1 m dài ở lớp cốt thứ i được tính là trọng lượng phần đất giữa lớp i và i+1 trên vùng diện tích lớp i:

hi là khoảng cách giữa hai lớp i và i+1

Li, Li+1 là chiều dài đoạn cốt ĐKT lớp i và i+1 giới hạn trong tam giác vòm đất Lực kéo trong cốt tính cho 1m dài của lớp thứ i là Ti được tính theo lý thuyết màng bài toán 2 chiều (2D)

w2

 là hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào độ dãn dài như bảng 1.2;

wi là ứng suất trên lớp cốt thứ i (công thức 1.2);

Ln là chiều dài tính toán đoạn cốt ĐKT giới hạn trong tam giác vòm đất Trường hợp cọc bố trí theo lưới ô vuông:

Ln = 1,41[(s-d) – 2 0

1

1

45tan/

ni

h ] (1.4) Trường hợp cọc bố trí theo lưới tam giác:

Ln = 0,867[(s-d) – 2 0

1

1

45 tan /

ni

Bảng 1.2 Bảng hệ số  theo phương pháp Colin

Nhận xét: Phương pháp Colin tập trung đi vào tính toán bố trí các lớp cốt ĐKT

từ việc đơn giản hóa hình dạng vòm đất, phương pháp cho phép tính toán lực kéo trong cốt có nhiều lớp và đưa ra số lớp cốt tối ưu là 3 Có thể nói đây là phương pháp giải tích có lời giải đơn giản, tuy nhiên do đặt ra quá nhiều giả thiết nên mô hình tính khác nhiều so với thực tế làm việc như:

- Bỏ qua sự làm việc của đất nền;

- Không kể tới ảnh hưởng của loại đất đắp (chỉ tiêu cơ lý), loại cọc đến sự truyền tải

- Quá thiên về an toàn cho thiết kế cọc bằng việc coi toàn bộ tải trọng do cọc chịu;

- Hình thức và kích thước vòm đất là như nhau cho mọi loại đất đắp;

- Coi cốt ĐKT chỉ có độ dãn dài tối đa là 5% và không đưa ra lời giải cụ thể để tính được độ dãn dài tương đối  mà người tính phải tự đưa ra giá trị này Do vậy kết quả sẽ mang tính cảm tính

1.2.2.5 Phương pháp tiêu chuẩn BS 8006-1:2010

Tiêu chuẩn BS 8006:1-2010 [24] của Viện tiêu chuẩn Anh mang tiêu đề "Code of practice for strengthened/ reinforce soil and other fills" và ở phần 8 có trình bày rất cụ thể về thiết kế đường đắp có lớp ĐKT trên nền đất yếu có sự hỗ trợ của cọc

Để an toàn trong thiết kế, tiêu chuẩn đã đưa vào hàng loạt các hệ số riêng phần cho tải trọng, đặc điểm sức kháng của phần đắp, cốt ĐKT và cọc tham khảo bảng 1.3

và bảng 1.4

Về vật liệu cốt có hai hệ số cơ bản fm1 và fm2 Hệ số fm1 liên quan đến đặc tính bản thân vật liệu trong khi fm2 đề cập đến ảnh hưởng của việc xây dựng và điều kiện môi trường

Bảng 1.3Bảng hệ số riêng phần cho vât liệu cốt

Bảng 1.4 Bảng hệ số riêng phần cho thiết kế nền đắp trên đất yếu có cọc hỗ trợ

Hệ số riêng phần Trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn phục vụ

Cọc có thể sử dụng dưới nền đắp bao gồm cọc đóng, cọc bê tông đổ tại chỗ, cọc

gỗ, cọc đá hoặc cọc bê tông, cọc đá phụt vữa, cọc vôi hoặc cọc cát đầm

Tiêu chuẩn BS 8006-1:2010 đưa ra phương pháp tính toán thiết kế hệ cọc kết hợp với cốt ĐKT theo các trạng thái giới hạn về cường độ và giới hạn về khả năng phục vụ bao gồm:

- Khả năng chịu tải của nhóm cọc (hình 1.12 a)

- Phạm vi bố trí của nhóm cọc (hình 1.12 b)

- Sự phân bố tải trọng thẳng đứng trên mũ cọc (hình 1.12 c)

- Điều kiện trượt của phần đất đắp (hình 1.12 d)

- Ổn định tổng thể của nền (hình 1.12 e)

- Sự dãn dài vượt mức của cốt (hình 1.13 a)

- Độ lún của móng cọc (hình 1.13 b)

Cốt ĐKT Nền đắp

d) Trượt ngang c) Tải thẳng đứng tác dụng

Mũ cọc

e) Ổn định tổng thể

Hình 1 12 Trạng thái giới hạn về cường độ

Các nội dung tính toán bao gồm:

Trên quan điểm kinh tế, khoảng cách giữa các cọc kề nhau nên lớn nhất Nếu nhóm cọc bố trí dạng lưới chữ nhật thì khoảng cách tối đa giữa các cọc là:

p max

Phạm vi bố trí cọc đến đâu theo mặt cắt ngang tùy thuộc vào chiều rộng của nền đắp đảm bảo không xảy ra sự lún lệch hoặc sự mất ổn định phía ngoài cọc dẫn đến ảnh hưởng tới phần phía trên nền đắp (hình 1.14) Biên giới hạn được xác định theo công thức:

'cv là góc ma sát trong hữu hiệu của đất đắp

c Sự phân bố tải trọng thẳng đứng trên mũ cọc

Theo tiêu chuẩn khi vòm đất phát triển đầy đủ thì tải trọng truyền tới cốt ĐKT và đất yếu (B+C) sẽ không bị ảnh hưởng của sự tăng lên của hoạt tải cũng như chiều cao đắp (hình 1 15)

Hình 1.15 Giả thiết vòm đất trong tiêu chuẩn BS 8006

Chiều cao vòm đất được xác định từ công thức:

Trên cơ sở hai giả thiết về hình dạng và kích thước vòm đất khác nhau của

Marston và của Hewlett và Randolph, tiêu chuẩn đưa ra hai cách tính tải trọng truyền

vào mũ cọc

 Sử dụng phương pháp Marston

Dựa vào thử nghiệm cống dưới nền đắp cao, Marston quan điểm vòm đất có dạng lăng trụ thẳng đứng và xây dựng công thức tính ứng suất phân bố trên cọc khi xét bài toán cân bằng giới hạn trên mô hình phẳng 2D (hình 1.16) Tỉ lệ giữa ứng suất trên mũ cọc và ứng suất thẳng đứng trung bình dưới đáy nền đắp (p'c/'v) xác định bởi công thức:

chuẩn đã chỉ ra những hạn chế khi chưa kể được ảnh hưởng của các yếu tố như khoảng cách cọc, yếu tố cốt ĐKT, yếu tố đất yếu, ngoài ra việc thành lập công thức dựa vào xét bài toán cân bằng trên mô hình phẳng 2D cũng không phản ánh được kích thước, hình dáng vòm đất sát với thực tế

Để tính tải trọng phân bố vào cốt ĐKT, tiêu chuẩn coi tải phân bố s trên diện tích cốt a(s-a) được quy về tải trọng phân bố WT trên khoảng cách (s - a) giữa hai mũ cọc Tùy thuộc vào mối tương quan chiều cao nền đắp (H) và khoảng cách cọc (s-a), tiêu chuẩn đưa ra các cách tính WT:

Nhận thấy, việc quy toàn bộ tải trọng phân bố trên cốt ĐKT về rải cốt giữa hai

mũ cọc sẽ làm cho lực kéo trên cốt sẽ lớn hơn nhiều so với thực tế, quá an toàn cho cốt Ở công thức 1.11, khi vòm đất phát triển hoàn toàn, lực truyền vào cốt không phụ thuộc vào sự tăng lên của tải trọng ngoài

 Sử dụng phương pháp Hewlett và Randolph

Dựa trên quan điểm vòm đất dạng bán cầu của Hewlett và Randolph, hiệu quả truyền tải E chính là phần tải trọng truyền xuống cọc và là giá trị nhỏ nhất trong 2 giá trị Ecr tại đỉnh vòm và Ecap tại mũ cọc tính theo công thức:

p P

a là kích thước mũ cọc vuông hoặc kích thước quy đổi từ mũ cọc tròn ;

s là khoảng cách giữa hai cọc liên kề tính từ tim cọc;