MỘT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Thứ hai là khi tính toán cọc đất xi măng, thì vấn đề quan tâm là đánh giá ổn định về sức chịu tải và độ lún của nền đất khi được gia cố, nhưng hiện nay đưa ra khá nhiều cách tính khác n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Phạm Văn Huỳnh

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS.TSKH Hà Huy Cương, PGS.TS Ngô Hà Sơn đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều chỉ dẫn khoa học giá trị, đồng thời thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong và ngoài Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi, thường xuyên giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến để luận án được hoàn thiện

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ giảng viên Bộ môn cầu đường sân bay, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Phòng sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ môn Đường, Khoa Công trình, lãnh đạo trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

đã tạo điều kiện, giúp đỡ NCS trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã luôn động viên khích lệ và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tác giả luận án

Phạm Văn Huỳnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Nội dung và bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 5

1.1 Đất yếu và giải pháp xử lý nền đất yếu 5

1.1.1 Đất yếu Việt Nam 5

1.1.1.1 Đặc điểm của đất yếu 5

1.1.1.2 Phân bố đất yếu 7

1.1.2 Giải pháp xử lý đất yếu nền đường 8

1.1.2.1 Yêu cầu chung của nền đường ô tô - sân bay 8

1.1.2.2 Giải pháp xử lý nền đất yếu 9

1.2 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng 10

1.2.1 Công nghệ và tình hình nghiên cứu áp dụng công nghệ 10

1.2.1.1 Công nghệ thi công 10

1.2.1.2 Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ 12

1.2.2 Ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau đến tính chất cơ học và cường độ của cọc đất xi măng 15

1.2.3 Tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay 19

1.2.3.1 Phương pháp tính như “cọc cứng” 19

1.2.3.2 Phương pháp tính như nền đồng nhất 22

1.2.3.3 Phương pháp tính kết hợp “nền cọc” 25

1.3 Một số vấn đề rút ra từ nghiên cứu tổng quan và hướng nghiên cứu tiếp theo 31

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 33

2.1 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng 33

2.2 Xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất 41

2.3 Giải bài toán bằng phương pháp sai phân hữu hạn 43

2.4 Khảo sát kiểm nghiệm bài toán 46

2.5 Gia cố nền đất yếu bằng cọc đơn đất xi măng 48

2.5.1 Ứng suất và độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng 48

2.5.2 Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng có chỉ tiêu cơ lý khác nhau 51

2.5.3 Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng có kích thước hình học khác nhau 53

2.5.4 Một số vấn đề khi lựa chọn chiều dài cọc đất xi măng đảm bảo độ bền 55

2.6 Gia cố nền đất yếu bằng nhóm cọc đất xi măng 56

2.6.1 Trường ứng suất và độ bền của hệ nền - nhóm cọc 57

2.6.2 Lựa chọn khoảng cách giữa các cọc đất xi măng đảm bảo độ bền 59

2.6.3 Ứng suất và độ bền của hệ nền - nhóm cọc khi mũi cọc đặt trên lớp đất bền hơn 61

2.7 Kết quả và bàn luận 62

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƯỜNG ĐỘ GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 64

3.1 Xây dựng và giải bài toán xác định cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất 64

3.1.1 Cơ sở xây dựng bài toán 64

3.1.2 Xây dựng bài toán xác định cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng 69

3.2 Kiểm chứng kết quả lý thuyết - thực nghiệm của bài toán 71

3.2.1 Khảo sát, đánh giá, lựa chọn kích thước ô lưới sai phân của bài toán xác định

cường độ giới hạn của nền đất tự nhiên 72

3.2.1.1 Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của số điểm nút lưới sai phân 72

3.2.1.2 Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của kích thước ô lưới sai phân 72

3.2.2 Khảo sát và so sánh với lời giải giải tích của Prandtl xác định tải trọng giới hạn của nền đất tự nhiên không trọng lượng 75

3.2.3 Khảo sát và so sánh với bài toán xác định tải trọng giới hạn đàn dẻo của nền đất 76

3.2.4 Khảo sát, đánh giá bài toán xác định tải trọng giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đơn đất xi măng với một số kết quả thực nghiệm 78

3.3 Nghiên cứu đánh giá cường độ giới hạn của nền đất trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng 83

3.3.1 Cường độ giới hạn của nền đất tự nhiên 83

3.3.2 Ứng suất, độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng khi đạt trạng thái giới hạn 84

3.3.3 Tải trọng giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo các chỉ tiêu cơ lý và theo kích thước hình học của cọc đất xi măng 86

3.3.3.1 Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có lực dính đơn vị khác nhau 86

3.3.3.2 Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có góc ma sát trong khác nhau 87

3.3.3.3 Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có kích thước hình học khác nhau 88

3.4 Kết quả và bàn luận 90

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG 91

4.1 Cơ sở xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng 91

4.2 Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng 93

4.2.1 Nguyên lý cực trị Gauss và xây dựng phương trình xác định chuyển vị của nền đất theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss 94

4.2.1.1 Nguyên lý cực trị Gauss 94

4.2.1.2 Xây dựng phương trình xác định chuyển vị của nền đất theo phương pháp

nguyên lý cực trị Gauss 94

4.2.2 Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của hệ nền - cọc trong nửa mặt phẳng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng 97

4.3 Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 99

4.4 Kiểm chứng và đánh giá lý thuyết - thực nghiệm 104

4.4.1 Kiểm chứng kết quả xác định chuyển vị của bài toán với một số lời giải giải tích104 4.4.2 Kiểm chứng kết quả xác định chuyển vị (độ lún) của bài toán so với một số kết quả thí nghiệm hiện trường 106

4.4.3 Nhận xét chung 110

4.5 Chuyển vị của nền đất trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng 110

4.5.1 Chuyển vị của nền đất tự nhiên theo các đặc trưng đàn hồi 110

4.5.2 Chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đơn đất xi măng 112

4.5.3 Chuyển vị của nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng 116

4.5.3.1 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc đến chuyển vị (độ lún tức thời) của bề mặt nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng 117

4.5.3.2 Xác định mô đun đàn hồi của nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng 118

4.6 Kết quả và bàn luận 121

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

1 Kết luận 122

2 Hạn chế của luận án 123

3 Hướng tiếp tục nghiên cứu 124

4 Kiến nghị 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 125

TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

As - Diện tích đất trong phạm vi gia cố

Ac - Diện tích tiết diện cọc đất xi măng gia cố

cc - Lực dính đơn vị của vật liệu cọc đất xi măng

cus - Độ bền cắt không thoát nước của đất sét yếu

Cọc, trụ - Cọc đất xi măng, trụ đất xi măng

Etb - Mô đun đàn hồi trung bình của hệ nền - cọc

G, Gc, Gs

- Mô đun trượt của hệ nền - cọc, của cọc và đất xung

quanh cọc tương ứng

G, G0 - Mô đun trượt của hệ cần tính và hệ so sánh

GT, GTVT - Giao thông, giao thông vận tải

m, n - Số nút lưới sai phân theo chiều z, chiều x tương ứng min ηmax - Cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất

P , , P gh,c - Tải trọng giới hạn phá hoại nền, phá hoại cọc đất xi

măng ptx, ptz - Số điểm nút lưới theo chiều x, chiều z

Pgh, Qgh - Lực chịu tải giới hạn

qu - Cường độ kháng nén nở hông vật liệu đất xi măng

Qp, Qf - Lực giới hạn chống mũi cọc, ma sát xung quanh cọc

Sc - Khoảng cách từ tim đến tim hai cọc đất xi măng liền kề

SPT - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn

Δh1, Δh2 - Độ lún của hệ nền - cọc, độ lún của đất dưới mũi cọc

Δx, Δz - Kích thước ô lưới sai phân theo chiều x, chiều z

Δxc , Δxs - Kích thước ô lưới cọc, ô lưới đất theo chiều x

θs, θc - Góc ma sát trong của nền đất, của cọc đất xi măng

βi - Hệ số phụ thuộc vào sự nở hông của lớp đất i

, s - Trọng lượng thể tích của đất nền

c - Trọng lượng thể tích của cọc đất xi măng

k - Trọng lượng thể tích khô của đất nền

ζ, ζ1, ζ2 - Ứng suất nén, ứng suất chính tương ứng

ζx, ζz - Các ứng suất nén theo phương x, phương z

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1a Thay đổi ζx, ζz trục tim hệ theo chiều sâu khi được gia cố cọc 49

Bảng 2.1b Độ bền f(k) theo chiều sâu khi chưa gia cố và khi được gia cố bằng 50

cọc đất xi măng (trục tim hệ nền - cọc) 50

Bảng 2.2 Tỷ lệ tăng ứng suất ζz khi tăng trọng lượng thể tích của cọc đất xi măng 52

Bảng 2.3 Độ bền của tim cột đất theo chiều sâu trước và sau khi gia cố với các khoảng cách đặt cọc Sc khác nhau 60

Bảng 3.1 Đánh giá sự thay đổi tải trọng giới hạn của nền đất khi thay đổi Δz 73

Bảng 3.2 Đánh giá sự thay đổi tải trọng giới hạn khi thay đổi kích thước ô lưới Δxc 73 Bảng 3.3 pgh/cs theo góc ma sát trong của nền đất 77

Bảng 3.4 Kết quả tính tải trọng giới hạn theo bài toán và theo công thức thực nghiệm (gia cố nền bùn sét yếu bằng cọc đất xi măng) 79

Bảng 3.5 Cường độ giới hạn của đất bùn theo chỉ tiêu cơ lý (một số địa phương) 84

Bảng 3.6 Tải trọng giới hạn theo lực dính đơn vị của cọc đất xi măng 86

Bảng 3.7 Tải trọng giới hạn theo góc ma sát trong của cọc 87

Bảng 3.8 Tải trọng giới hạn của cọc đất xi măng theo đường kính của cọc đất xi măng 88 Bảng 4.1 Bảng tọa độ nút phần tử chữ nhật 100

Bảng 4.2 Thông số thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn đất xi măng tại Hải Phòng 107

Bảng 4.3 Kết quả xác định chuyển vị của cọc đơn số 1 (Hải Phòng) 108

Bảng 4.4 Thông số thí nghiệm cọc đất xi măng (Sân bay Cần Thơ) 109

Bảng 4.5 Kết quả xác định chuyển vị của cọc đơn 1C4 (Sân bay Cần Thơ) 109

Bảng 4.6 Chuyển vị tại tim mặt của hệ nền - cọc theo Dc, Sc 118

Bảng 4.7 Chuyển vị tại tim mặt hệ nền - cọc theo áp lực của tải trọng tác dụng 120

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu 11

Hình 1.2a Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ nén so với khi chưa gia cố (SDI=qu xử lý/ qu chưa xử lý) 16

Hình 1.2b So sánh ảnh hưởng chất gia cố đến cường độ nén các loại đất ở Thụy Điển 16

Hình 1.3a Ảnh hưởng của thành phần hạt trong đất đến cường độ đất xi măng 18

Hình 1.3b Ảnh hưởng của vị trí, nguồn gốc đất đến cường độ nền đất gia cố xi măng 18

Hình 1.4 Sơ đồ tính lún của hệ nền - cọc 23

Hình 1.5 Quan hệ giả định giữa ứng suất (ζc) và biến dạng (εc) của cọc gia cố 27

Hình 2.1a Sơ đồ nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng dưới nền đường đắp 33

Hình 2.1b Các thành phần ứng suất của phân tố đất 34

Hình 2.1c Cường độ nén nở hông trung bình cọc đất xi măng tại một số tỉnh thành VN 36 Hình 2.1d Cường độ nén nở hông theo chiều sâu của các cọc đất xi măng (Cần Thơ) 36

Hình 2.2 Tác dụng ứng suất của phân tố đất 38

Hình 2.3a Vòng tròn Mohr ứng suất và điều kiện chảy dẻo Mohr - Coulomb 40

Hình 2.3b Bài toán xác định trạng thái ứng suất của hệ nền gia cố cọc đơn 42

Hình 2.3c Sơ đồ chia lưới sai phân bài toán hệ nền - cọc đơn 43

Hình 2.4a Ứng suất ζz, ηxz của nền đất theo chiều sâu khi kích thước ô lưới Δxc khác nhau 46

Hình 2.4b Ứng suất ζz, ηxz của nền đất theo chiều sâu khi kích thước ô lưới Δz khác nhau 46

Hình 2.5 Đồ thị đường đồng mức bền f(k) 47

Hình 2.6a Đồ thị ζx, ζz, ηxz, f(k) theo chiều sâu tại trục tim đặt tải nền đất (trục 7) khi chưa gia cố 48

Hình 2.6b Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của nền đất chưa gia cố 48

Hình 2.7a Đồ thị ζx, ζz, ηxz, f(k) tại các điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu 49

Hình 2.7b Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - cọc 49

Hình 2.8a f(k) tại các điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi cc khác nhau 51

Hình 2.8b f(k) tại các điểm trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi θc khác nhau 51

Hình 2.9 Giá trị bền f(k) của điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi cọc có γc khác nhau 52

Hình 2.10 Đồ thị ứng suất (ζx, ζz), độ bền f(k) theo chiều sâu của các điểm trên trục tim hệ nền - cọc khi Dc khác nhau 53

Hình 2.11a Ứng suất ζx, ζz, ηxz và f(k) theo chiều sâu tại các điểm trên trục tim hệ nền - cọc khi Lc khác nhau 54

Hình 2.11b Độ bền f(k) theo chiều sâu của các điểm trên trục tim nền đất trước và sau khi gia cố với bề rộng đặt tải khác nhau 55

Hình 2.11c Ảnh hưởng tăng bền của chiều dài cọc theo chiều sâu 56

Hình 2.12 Sơ đồ chia lưới sai phân bài toán hệ nền - nhóm 6 cọc 57

Hình 2.13 Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - nhóm cọc 58

Hình 2.14 Đồ thị ứng suất, giá trị bền theo chiều sâu của trục 5, 6, 7 58

Hình 2.15a Hệ số tập trung ứng suất nén ζz theo chiều sâu 59

Hình 2.15b Đồ thị độ bền của tim cột đất theo chiều sâu trước và sau khi gia cố với các khoảng cách đặt cọc Sc khác nhau 61

Hình 2.16a Đồ thị ứng suất, giá trị bền theo chiều sâu của trục 5, 6, 7 62

Hình 2.16b Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - nhóm cọc 62

Hình 3.1a Các vùng tác dụng của khối đất khi chịu tải trọng 67

Hình 3.1b Sơ đồ bài toán phá hoại trượt của Prandtl 67

Hình 3.1c Đồ thị quan hệ giữa pgh của bài toán với tổng số điểm nút lưới (ptx.ptz) 72

Hình 3.2a Đồ thị quan hệ pgh với kích thước ô lưới sai phân 74

Hình 3.2b Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất khi Δxc= Δxs= Δz =0,3m 74

Hình 3.2c Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất khi Δxc= Δxs= Δz

=0,4m 74Hình 3.3 Đồ thị xác định tải trọng giới hạn của nền đất theo lực dính đơn vị 76Hình 3.4a Biến đổi pgh/cs theo góc ma sát trong của đất nền θs 77Hình 3.4b Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo giới hạn theo min ηmax ( θs=10o) 77Hình 3.4c Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo bài toán giới hạn đàn dẻo (θs=10o) 77Hình 3.5 Đồ thị pgh(cc) 80Hình 3.6 Đồ thị xác định đường đồng mức bền và chảy dẻo của hệ nền gia cố cọc 82Hình 3.7 Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất tự nhiên 83Hình 3.8a Đồ thị ứng suất và f(k) theo chiều sâu 85Hình 3.8b Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo f(k) hệ nền - cọc 85Hình 3.9 Tải trọng giới hạn của hệ nền - cọc thay đổi theo lực dính đơn vị của cọc 87Hình 3.10 Tỷ lệ tăng tải trọng giới hạn nền đất được gia cố so với nền đất chưa gia cố theo góc ma sát trong của cọc đất xi măng 88Hình 3.11 Tải trọng giới hạn của cọc đất xi măng thay đổi theo Dc 89Hình 3.12a Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với chiều dài cọc đất xi măng 89Hình 3.12b Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo f(k) của hệ nền - cọc (Lc=5m) 89Hình 4.1 Sơ đồ bài toán không gian chịu tác dụng của lực đơn vị đặt bên trong nền đất 92Hình 4.2 Bài toán hệ cần tính và hệ so sánh trong nửa mặt phẳng đàn hồi 95Hình 4.3 Bài toán hệ nền - cọc cần tính và hệ so sánh trong nửa mặt phẳng đàn hồi 98Hình 4.4 Chia phần tử hệ nền - cọc đơn theo phương pháp PTHH 100Hình 4.5 Phần tử chữ nhật 9 nút 100

Hình 4.6a Chuyển vị w trên mặt của nền đất theo bài toán và theo lời giải của Mindlin 105

Hình 4.6b Chuyển vị u trên mặt của nền đất theo bài toán và theo lời giải của Mindlin 105Hình 4.7 Chuyển vị trên mặt của khối nền đất dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng đặt trên mặt khối đất (điểm 25) 106

Hình 4.8 Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng thí nghiệm 107

Hình 4.9 Đồ thị chuyển vị trên mặt tại tim cọc 1 theo tải trọng nén P 108

Hình 4.10 Đồ thị chuyển vị tại mặt tim cọc 1C4 theo tải trọng nén P 109

Hình 4.11 Chuyển vị thẳng đứng của các điểm trong nền đất theo chiều sâu 111

Hình 4.12 Chuyển vị tại các điểm bề mặt nền đất theo mô đun đàn hồi của đất nền 112 Hình 4.13 Chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo chiều ngang khi chưa gia cố và được gia cố bằng cọc có Ec khác nhau (thể hiện cho một nửa khối đất đối xứng) 113

Hình 4.14 Chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo chiều ngang khi chưa gia cố và gia cố bằng cọc đất xi măng có hệ số nở hông của cọc đất xi măng khác nhau 114

Hình 4.15 Chuyển vị tại tâm điểm đặt lực theo chiều dài cọc Lc 115

Hình 4.16 Chuyển vị tại tâm điểm đặt lực theo đường kính cọc Dc 115

Hình 4.17 Hệ nền - nhóm cọc đất xi măng 116

Hình 4.18a Đồ thị chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo Sc 117

Hình 4.18b Đồ thị chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo Dc, Sc 118

Hình 4.19 Đồ thị độ lún tại tim mặt hệ nền - cọc theo áp lực tải trọng tác dụng 120

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quá trình thành tạo nền đất Việt Nam sinh ra nhiều vùng trầm tích đất yếu có bề dày lớn nhỏ khác nhau trải dài từ Bắc vào Nam Các vùng này cũng là những khu vực phát triển kinh tế, nên có nhiều công trình hạ tầng cơ sở như đường sá, sân bay, v.v được xây dựng Theo thống kê chưa đầy đủ, chi phí xây dựng xử lý nền móng công trình xấp xỉ 30%, một số trường hợp đặc biệt thì chi phí có thể lên tới 40% giá thành công trình [6], [19]

Trước thực trạng đất yếu thì có nhiều giải pháp xử lý được áp dụng, như bấc thấm, vải địa kỹ thuật, đệm cát, cọc cát, v.v Trong những năm gần đây, xử lý nền đất yếu bằng công nghệ cọc đất xi măng đã du nhập để thi công các công trình xây dựng, giao thông .v.v tại Việt Nam Mặc dù giải pháp đã được áp dụng trong thời gian dài,

nhưng cả người nghiên cứu và người trực tiếp thiết kế vẫn rất băn khoăn Thứ nhất là

các tiêu chuẩn áp dụng trong nước còn thiếu (đặc biệt cho xử lý đất yếu nền đường ô

tô, sân bay) hoặc có nhưng chỉ ở mức chỉ dẫn cơ bản và chủ yếu vẫn dựa vào các nguồn tài liệu nước ngoài như của các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, v.v; gần đây đã có các công trình nghiên cứu về cọc đất xi măng, song còn ít và chủ yếu

nghiên cứu ở bước đầu Thứ hai là khi tính toán cọc đất xi măng, thì vấn đề quan tâm

là đánh giá ổn định về sức chịu tải và độ lún của nền đất khi được gia cố, nhưng hiện nay đưa ra khá nhiều cách tính khác nhau:

Chỉ dẫn thiết kế của Châu Âu, Trung Quốc, Nhật Bản, v.v, tính toán cho hình thức gia cố cụ thể, áp dụng cho một loại đất yếu nhất định và thông qua thí nghiệm hoặc từ giả định các mặt trượt, hoặc từ kinh nghiệm để xác định các giá trị giới hạn TCVN 9403 - 2012 - "Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp trụ đất xi măng”, cho rằng cường độ kháng cắt của cọc đất xi măng được xác định thông qua thí nghiệm nén ngang thành hố khoan, còn giới hạn sử dụng được xác định từ thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn khi độ lún lớn nhất đạt 10% đường kính cọc hoặc thông qua chất tải trọng thật tổ hợp cọc [11] Tải trọng thiết kế được lấy theo giá trị nhỏ nhất của giới hạn trên chia cho hệ số an toàn Nhìn chung, các tính toán thiết kế chủ yếu vẫn là tham khảo các chỉ dẫn thiết kế của nước ngoài và dựa vào thực nghiệm, kinh nghiệm Tuy nhiên, khi áp dụng các công thức thực nghiệm để tính toán xử lý nền đất yếu Việt Nam gặp những hạn chế: (1) Nhiều thí nghiệm rất khó xác định, như thí nghiệm xuyên, thí nghiệm nén ngang thành hố khoan, …v.v, vì vậy hiện nay chủ yếu vẫn sử dụng thí nghiệm nén dọc trục (trong phòng hoặc hiện trường) để xác định giá trị giới hạn Giá trị này cũng rất

phân tán và không phải lúc nào cũng thực hiện được, đặc biệt là với những dự án nhỏ

và trong điều kiện kinh tế khó khăn của Việt Nam; (2) Chưa chỉ rõ sự phân bố ứng

suất trong cọc và đất yếu xung quanh cọc theo tải trọng thiết kế, chỉ xác định được ứng suất trung bình khi chấp nhận công thức quy đổi bằng cách đưa hệ nền - cọc về nền

đồng nhất (phương pháp nền - được trình bày trong chương 1), đặc biệt là chưa phân

tích rõ cơ chế thay đổi ứng suất, độ bền khi đạt đến giới hạn Hơn nữa, từ nghiên cứu

của Viện Khoa học Thủy lợi và nnk cho rằng khi áp dụng công thức xác định sức chịu tải của Trung Quốc trong điều kiện xử lý nền đất yếu của Việt Nam cho kết quả có sai

số rất lớn so với kết quả hiện trường [17], [19]; (3) mô đun biến dạng của vật liệu đưa

ra cũng rất khác nhau trong tính toán chuyển vị, mặt khác do tính chất đất ở mỗi vùng

và mỗi đất nước là khác nhau nên không thể lấy công thức thực nghiệm của nước ngoài áp dụng vào Việt Nam

Tóm lại, tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay tại Việt Nam,

sẽ là chưa đủ nếu chỉ dựa vào thực nghiệm hoặc các công thức kinh nghiệm của nước ngoài, mà phải có các nghiên cứu lý thuyết đánh giá diễn biến của cả quá trình thay đổi ứng suất, độ bền đến giới hạn, giúp cho quá trình tính toán đơn giản hơn và không phải đưa ra nhiều giả thiết giả định Chính vì vậy, luận án đặt vấn đề nghiên cứu xây dựng bài toán xác định ứng suất, chuyển vị (độ lún) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Bài toán xây dựng góp phần bổ sung vào các tài liệu, các tiêu chuẩn hiện hành

để tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay, hơn thế nữa nó giúp người kỹ sư dễ dàng hơn để thiết kế xử lý nền đất yếu, đó chính là tính cấp thiết của đề tài cần phải nghiên cứu

kỹ sư dễ dàng thiết kế xử lý đất yếu nền đường bằng cọc đất xi măng đảm bảo yêu cầu

độ bền trượt và độ lún cho phép

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và biến

dạng (chuyển vị) của nền hỗn hợp (nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng) dưới nền đường đắp

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thực tiễn gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng kết hợp với lý thuyết cơ học đất, phương pháp nguyên lý cực trị Gauss để xây dựng bài toán xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của hệ nền gia cố Sử dụng các phương pháp SPHH, phương pháp PTHH và lập trình Matlab để giải Kết quả bài toán được kiểm chứng độ tin cậy theo các lời giải giải tích truyền thống và theo kết quả thí nghiệm hiện trường Thông qua khảo sát số để tìm mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý của bài toán

5 Nội dung và bố cục của luận án

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan về gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng

Luận án trình bày đặc điểm, phân bố đất yếu ở Việt Nam và các biện pháp chung

xử lý nền đất yếu hiện nay Phần tiếp theo, trình bày phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng: phân tích công nghệ trộn sâu, tình hình nghiên cứu phát triển công nghệ này trên thế giới và tại Việt Nam, quá trình hình thành cọc đất xi măng Đặc biệt, luận án đi sâu tìm hiểu các nghiên cứu tính toán về cọc đất xi măng trong và ngoài nước, như các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, v.v và chỉ ra những ưu điểm cũng như những tồn tại của từng quan điểm tính, trên cơ sở đó đưa ra vấn đề phải nghiên cứu là xây dựng bài toán xác định trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng;

Để nghiên cứu bài toán ứng suất - biến dạng của hệ nền gia cố, cần đi từ cơ sở lý thuyết của bài toán cơ học đất, vì vậy đưa điều kiện bổ sung cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất (viết tắt min ηmax) của các điểm trong nền đất kết hợp với điều kiện phân tích giới hạn giúp xác định được ứng suất cũng như ứng suất giới hạn phản ánh sát điều kiện làm việc của đất hơn, và đây cũng chính là cơ sở để xây dựng bài toán xác định ứng suất độ bền của hệ nền - cọc

Tóm lại, toàn bộ nội dung chương 1 chỉ rõ tính cấp thiết nghiên cứu bài toán gia

cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng và xây dựng phương pháp nghiên cứu tiếp theo

- Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng

Nghiên cứu cơ sở thực tiễn và lý thuyết xác định trạng thái ứng suất của nền đất

gia cố theo min ηmax Trên cơ sở đó, xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất, độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Kiểm chứng bài toán xây dựng

và vận dụng bài toán để khảo sát sự thay đổi ứng suất, độ bền của nền đất trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng, từ đó tìm được quy luật thay đổi ứng suất - độ bền cắt của hệ theo các chỉ tiêu cơ lý, theo kích thước cọc đơn (nhóm cọc), …v.v, giúp lựa chọn được kích thước cọc, khoảng cách giữa các cọc, …v.v đảm bảo độ bền cắt khi gia cố nền đường công trình giao thông

- Chương 3: Nghiên cứu cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi

măng

Phân tích cơ sở lý thuyết và thực tiễn xác định cường độ giới hạn của nền đất hiện nay, từ đó xem nền gia cố là vật liệu đàn dẻo lý tưởng thỏa mãn điều kiện chảy dẻo Mohr-Coulomb thì thông qua phương pháp phân tích giới hạn và lý thuyết phân tích trượt cắt min ηmax của các điểm trong nền đất để xây dựng bài toán xác định cường độ giới hạn trực tiếp (tải trọng giới hạn) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng; sau đó kiểm nghiệm bài toán theo lời giải giải tích, theo công thức thực nghiệm và các kết quả thí nghiệm hiện trường Vận dụng để nghiên cứu đánh giá cường độ giới hạn của nền đất trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng

- Chương 4: Nghiên cứu chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng

Trình bày các cơ sở lý thuyết và thực tiễn xác định chuyển vị (độ lún), vận dụng phương pháp nguyên lý cực trị Gauss để xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Đánh giá kết quả bài toán xây dựng dựa vào các lời giải giải tích và các kết quả thí nghiệm tại hiện trường xây dựng Vận dụng bài toán để đánh giá tỷ lệ giảm độ lún tức thời bề mặt nền khi gia cố, tìm được quy luật thay đổi

độ lún bề mặt của nền gia cố theo các thông số đàn hồi, theo kích thước cọc gia cố,

…v.v, từ đó chọn được kích thước và khoảng cách đặt cọc hợp lý

- Kết luận và kiến nghị

- Danh mục các công trình khoa học đã công bố

Liệt kê 6 bài báo được đăng trên Tạp chí Cầu đường Việt Nam và Tạp chí GTVT

- Tài liệu tham khảo

Liệt kê 54 tài liệu tiếng Việt, 10 tài liệu tiếng Anh, 1 tài liệu tiếng Nga để hoàn

thành luận án

- Phụ lục: Gồm 14 phụ lục trình bày các chương trình tính toán, các bảng biểu tính

chất cơ lý của đất và các số liệu kết quả thí nghiệm hiện trường trong khuôn khổ luận

án

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG

1.1 Đất yếu và giải pháp xử lý nền đất yếu

1.1.1 Đất yếu Việt Nam

1.1.1.1 Đặc điểm của đất yếu

Đất yếu được hình thành từ trầm tích sông (lòng sông, bãi bồi, tam giác châu), trầm tích bờ, vũng vịnh và đều thuộc trầm tích hệ Thứ Tư với chiều dày lớp đất thay đổi theo vùng thổ nhưỡng từ một vài mét đến hàng chục mét

Do ảnh hưởng của thành phần vật chất, các điều kiện hình thành theo vị trí địa lý, địa chất, địa hình nên tồn tại nhiều loại đất yếu khác nhau như bùn, than bùn, bùn pha, đất hữu cơ, đất sét yếu và cát nhỏ bão hòa v.v Các loại đất yếu này có khả năng chịu lực thấp, sức chống cắt nhỏ không đáng kể nhưng nó thường được tăng lên theo chiều sâu, hầu như bão hòa nước, tính thấm nước kém và thay đổi khi biến dạng, có tính nén lún lớn, v.v [14], [38], [50] Thực tế xây dựng, thường gặp các loại đất yếu là bùn và sét yếu Để cải tạo xử lý các loại đất này, phải nắm vững các đặc tính địa kỹ thuật, ngoài ra cần đặc biệt chú ý đến các tác động làm thay đổi các chỉ tiêu cơ học của đất

Các loại bùn

Bùn là trầm tích giai đoạn đầu của quá trình hình thành các loại đất sét, được tạo thành trong nước có sự tham gia của các vi sinh vật gồm các hạt rất mịn đường kính nhỏ hơn 200ϻm, trong đó tỷ lệ phần trăm các hạt đường kính nhỏ hơn 2ϻm cao, bản chất khoáng vật thay đổi và thường có cấu trúc dạng tổ ong [32], [45], [46], [50] Thành phần hạt bùn có thể coi là á sét, á cát và cũng có thể là cát mịn có chứa một hàm lượng hữu cơ nhất định từ 10 20% (trường hợp than bùn có thể chứa trên 50% khối lượng các vật chất hữu cơ) Cường độ của bùn rất nhỏ, biến dạng lớn, mô đun biến dạng bùn sét từ 100 - 500kPa; với bùn á sét 10002500kPa, hệ số nén lún nhỏ hơn 0,03(kPa)-1

Tính chất cơ học của bùn một số tỉnh thành Việt Nam xem phụ lục 1.1 [32], [50]

Với các loại bùn nói chung, độ bền cắt (góc ma sát trong, lực dính đơn vị) rất nhỏ nên ít được phát huy trong khả năng chống cắt của đất, vì vậy khi chịu tác dụng của tải trọng rất nhỏ thì liên kết kiến trúc đã bị phá hủy (trường hợp tác dụng lực rất nhỏ chưa

làm phá vỡ liên kết kiến trúc thì độ bền của bùn do lực dính quyết định mà không phụ thuộc vào độ ẩm của đất)

Góc ma sát trong của bùn rất nhỏ, đôi khi bằng không Khi thoát nước do xử lý nền đất (tải trọng pháp tuyến tác dụng chậm) làm tăng góc ma sát trong của đất, từ đó tăng được sức chống cắt của đất; trường hợp tải trọng tác dụng nhanh (không kịp thoát nước trong đất) hoặc tải trọng đến giới hạn gây ra áp lực thủy động lớn trong đất làm cho bùn bị nén chặt xung quanh, biến đổi thể tích và tạo độ lún khá lớn [45], [50]

Các loại sét yếu

Đất sét yếu là các loại sét hoặc á sét bão hoà nước, có cường độ cao hơn so với bùn, chỉ số dẻo lớn hơn 17% và độ sệt từ 0,50,8 Đất chủ yếu gồm các hạt nhỏ như thạch anh, felspat và các khoáng vật sét (các silicat alumin có thể chứa các ion Mg, K,

Ca, Na, Fe và được chia ba loại chính là ilit, kaolinit và monmorilonit, đây là các

khoáng vật tạo ra đặc tính riêng của đất sét) Các chỉ tiêu cơ học của đất sét yếu ở một

số tỉnh thành Việt Nam xem phụ lục 1.2 [32], [50]

Theo K.K Gedroytx [38], các hạt sét có khả năng đặc biệt là hấp thụ (hút từ môi

trường xung quanh và giữ lại trên chúng những vật chất khác nhau như cứng, lỏng, hơi, những ion, phân tử và các hạt keo) Chính vì khả năng đó, nên nó có thể kết hợp

với các loại khoáng khác để tạo các vật liệu mới, hoặc dùng để giải thích nhiều hiện

tượng và tính chất của đất

Một trong những đặc điểm quan trọng của đất sét là tính dẻo, với tính chất này làm

cho đất sét thể hiện sự lưu động của nó ở một độ ẩm nào đó dưới tác dụng của ngoại lực Có thể nói, mức độ biến dạng đất sét chiếm vị trí trung gian giữa thể cứng và thể lỏng hoặc chảy nhớt [50]

Độ bền kiến trúc của sét yếu có ý nghĩa quan trọng để đánh giá độ bền của đất Khi cường độ tải trọng chưa vượt quá độ bền kiến trúc (với sét yếu độ bền này là 20 † 30kPa) thì đất chưa bị nén và đất chỉ thể hiện tính đàn hồi; khi cường độ tải trọng vượt quá độ bền này thì bắt đầu xảy ra biến dạng dẻo dư phát triển tương đối nhanh đi kèm theo sau biến dạng thuận nghịch

Như vậy, đất yếu Việt Nam rất đa dạng, ngoài những đặc điểm chung là khả năng chịu lực kém, biến dạng lớn, v.v thì đặc biệt lưu ý đến một số tính chất khi cải tạo đất, như tính chất khoáng vật thay đổi (đặc biệt là khoáng vật sét), mức độ thấm nước, khả năng hấp thụ, v.v

Đồng bằng ven biển miền Trung

Vùng đồng bằng mài mòn bồi tụ điển hình, trầm tích thường thấy ở vùng thung lũng các sông Do chịu tác động của vận động kiến tạo hạ xuống hoặc nâng lên, nên các trầm tích ở đây cũng rất đa dạng, như loại bồi tích tam giác châu, loại bồi tụ ven biển, v.v Các khu vực mài mòn xen kẽ hay sông suối ngắn và dốc, chính vì vậy mà trầm tích vùng này không dày so với vùng đồng bằng Bắc Bộ

Đất yếu trầm tích là các loại bùn hoặc cát nhỏ bão hoà rời rạc, số lượng các lớp đất yếu thường không quá 3 lớp, chiều dày tầng đất yếu không quá 20m, đáy lớp thường là

đá magma hay đá biến chất [45]

Đồng bằng Sông Cửu Long và Nam Bộ

Khu vực đồng bằng sông Cửu Long:vùng châu thổ của hệ thống sông Mê Kông

chảy vào nước ta là vùng phân bố các trầm tích mềm yếu có bề dày lớn.Trầm tích cũng rất đa dạng, như trầm tích nguồn gốc biển, nguồn gốc đầm lầy, hỗn hợp sông biển, v.v Tùy theo từng vùng mà đặc tính cơ học của đất yếu khác nhau, thường được phân thành 2 lớp hoặc 3 lớp, đất yếu chủ yếu là sét mềm yếu, bùn sét, bùn pha sét, cát bão hòa nước, v.v, bề dày trung bình từ 15 † 20m [45], [50]

Khu vực Nam Bộ:thuộc đồng bằng bồi tích với nguồn gốc sông, đầm lầy, sông

biển, vũng vịnh hỗn hợp Tầng trầm tích biến đổi khá lớn và phức tạp, chiều dày một vài mét đến trăm mét tùy vào từng khu vực, trong đó loại trầm tích phù sa cổ Pleistocen thường chịu lực tốt (gồm sét, á sét, cát mịn), loại bồi tích trẻ - đất yếu (chủ

yếu là đất bùn sét, bùn sét hữu cơ bão hoà, v.v) có chiều dày 8 † 35m, tập trung ở đồng bằng phía Nam [50]

Nhận xét chung:

Do thành tạo, tạo ra nhiều vùng đất yếu khác nhau trải dài từ Bắc vào Nam Trong

đó tương đối phổ biến loại đất yếu là bùn sét, sét yếu, v.v Các loại đất yếu này có chiều dày khá lớn, có khả năng thấm nước rất kém, có tính dẻo, tính hấp thụ và dễ kết hợp với các vật liệu kết dính khác

Các loại đất yếu nói chung thường được phân bố, hay tập trung ở những khu vực xây dựng hạ tầng (đường ô tô, sân bay, v.v), nên cần phải được xử lý bằng nhiều giải pháp khác nhau

1.1.2 Giải pháp xử lý đất yếu nền đường

Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay đã và đang áp dụng nhiều phương pháp cải

tạo đất yếu khác nhau, qua thử nghiệm và ứng dụng thực tiễn cho thấy, các phương pháp cải tạo có tác dụng làm tăng độ bền của đất, giảm độ lún tổng cộng và độ lún lệch, rút gắn thời gian thi công, giảm chi phí xây dựng và các hiệu quả khác [6], [10], [19], [25] Đối với xử lý đất yếu nền đường công trình giao thông, bên cạnh nắm vững các đặc tính địa kỹ thuật của nền đất yếu, để đưa ra các giải pháp xử lý cụ thể, phải xác định được các yêu cầu kỹ thuật của nền đường

1.1.2.1 Yêu cầu chung của nền đường ô tô - sân bay

Khi xây dựng đường ô tô - sân bay, thường phải cố gắng tránh để không đi qua các khu vực đất yếu Trường hợp bắt buộc đi qua thì phải có biện pháp xử lý nền đất yếu, đảm bảo các yêu cầu:

Các yêu cầu kỹ thuật xây dựng công trình đường ô tô - sân bay được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế - thi công và nghiệm thu công trình, hạng mục công trình [14], [27], [47]

1.1.2.2 Giải pháp xử lý nền đất yếu

Tùy theo loại đất yếu, tùy theo đối tượng trực tiếp tác động của giải pháp xử lý mà

có thể phân chia xử lý đất yếu nền đường thành hai loại:

Giải pháp tác động đến bản thân nền đắp: như đắp theo giai đoạn; xây dựng bệ

phản áp; đắp gia tải trước để tăng tốc độ lún; giảm tải trọng của nền đắp, hoặc bố trí các lớp vải địa kỹ thuật ở đáy và trong thân nền đắp, v.v Các loại xử lý này không tác động đến nền đất tự nhiên phía dưới, mà chỉ tác động đến cấu tạo và quá trình xây dựng nền đắp phía trên

Nhìn chung, các giải pháp có ưu điểm là thi công đơn giản, dễ kiểm soát chất lượng, tăng ổn định khi đắp Hạn chế là giảm lún ít, mức tăng cố kết không đáng kể [6], [10], [25], [26], [27]; riêng với đường ô tô, do za nhỏ (1,5m) nên yêu cầu đắp nền cao trên 1,5m có thể dễ dàng giải quyết [14], nhưng đối với nền đường sân bay, do chiều sâu khu vực tác dụng lớn (đến 6m), nên giải pháp đắp cao trên 6m là khó áp dụng (cụ thể là sân bay Cần Thơ) [25]

Giải pháp tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp: như thay toàn bộ hay một

phần đất yếu bằng vật liệu tốt hơn; bố trí các phương tiện thoát nước thẳng đứng như bấc thấm hay cọc cát; tăng nhanh cố kết của đất yếu bằng công nghệ điện thấm hoặc hút chân không; sử dụng cọc đóng trong đất yếu; sử dụng cọc đất xi măng, cọc đất vôi thi công theo công nghệ phun ướt hoặc khô, v.v [25], [27], [45], [47], [50]

Các giải pháp gia cố trên đều có tác dụng tăng ổn định và giảm độ lún của nền đất v.v Mỗi giải pháp được áp dụng trong từng trường hợp xử lý cụ thể, chẳng hạn khi chiều dày lớp đất yếu mỏng, thì có thể áp dụng đào thay đất toàn bộ; khi tầng đất yếu dày, loại đất dễ thấm nước thì có thể dùng giải pháp thoát nước thẳng đứng hoặc điện thấm hay hút chân không để tăng cố kết

Tuy nhiên, khi đất yếu khó thấm nước như sét mềm yếu, bùn sét, v.v thì trong những trường hợp nhất định nào đó, giải pháp gia cố bằng cọc đất xi măng được cho là

có hiệu quả kinh tế kỹ thuật hơn giải pháp cọc chống hay các giải pháp gia cố khác, vì

hệ số thấm của đất sét gia cố có thể tăng từ 400 † 800 lần so với đất sét chưa được gia

cố [10], [25], [30] Mặt khác, hình thức gia cố này với các công nghệ mới hiện nay cho

phép sử dụng linh hoạt - mềm dẻo hơn, tiết kiệm được vật liệu và năng lượng, đồng thời kết hợp linh hoạt với hình thức xử lý khác để cải tạo tính chất của đất yếu, do đó cọc đất xi măng được sử dụng nhiều để xử lý nền đất yếu tại Việt Nam hiện nay [10], [50]

Luận án đề cập đến gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng, nên trong phần tiếp

theo, tác giả đi phân tích tổng quan về công nghệ xử lý này

1.2 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng

Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng là sử dụng phương pháp công nghệ cải tạo các tính chất cơ học các loại đất yếu, bằng cách trộn khô hay trộn ướt chúng với xi

măng để tạo ra các cọc đất xi măng (Soil-Cement Column), nhằm tạo cho nền đất gia

cố có cường độ cao và ổn định lâu dài, dưới tác dụng của tải trọng của công trình và các yếu tố tác động khác (nắng, mưa, nhiệt độ, v.v)

1.2.1 Công nghệ và tình hình nghiên cứu áp dụng công nghệ

1.2.1.1 Công nghệ thi công

Hiện nay, phổ biến sử dụng công nghệ trộn sâu của các nước Bắc Âu và Nhật Bản, thi công theo các phương pháp sau [11], [30], [48], [52], [55]:

Công nghệ trộn phun ướt: sử dụng máy khoan guồng xoắn, khoan đến độ sâu thiết

kế, sau đó vữa xi măng được phun vào đất với áp lực có thể tới 20MPa từ một vòi phun xoay nằm giữa trục cần khoan và được trộn đều với đất tạo cọc đất xi măng

Công nghệ trộn phun khô: tương tự phương pháp ướt, nhưng sử dụng bột xi măng

thay cho vữa xi măng ở phương pháp phun ướt Công nghệ này có ưu điểm hơn phương pháp trên là sử dụng nước trong đất để thủy hóa, đồng thời tạo ra nhiệt khi thủy hóa nên làm khô đất

Công nghệ trộn hỗn hợp: phương pháp dùng kỹ thuật tương tự trộn sâu Điển

hình là kết hợp trộn cơ học với thủy lực

+ Gia cố toàn khối: trường hợp đất nền rất yếu, như đất than bùn, sét hữu cơ, bùn

sét yếu, …v.v cần gia cố toàn khối đến độ sâu 2÷3m, độ sâu lớn nhất đã xử lý hiện nay

là 5m [11]

+ Khoan phụt vữa cao áp: phương pháp mới kết hợp lợi thế của trộn cơ học với

phun vữa lỏng (jet grouting) Máy có cả đầu trộn và vòi phun, có thể tạo nên các cọc đường kính lớn hơn đường kính đầu trộn

Năm 2009, Viện Thủy Công (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam) đã tiến hành lấy mẫu đất xi măng từ công trình thi công để đánh giá ảnh hưởng của các phương pháp trộn Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng với cùng một loại đất và hàm lượng xi măng, thì cọc đất xi măng được tạo ra bằng phương pháp jet grouting có mức độ đồng đều và cường độ cao hơn so với phương pháp trộn bình thường [3]

Trong các công nghệ trên, công nghệ của Bắc Âu chỉ có một đầu trộn, tạo ra các cọc có đường kính từ 60cm đến 100cm, chiều sâu cọc gia cố có thể đến 25m Tuy nhiên, tốc độ phun và áp lực xuyên của công nghệ này lớn hơn của Nhật Bản, nên thời gian thi công nhanh hơn Công nghệ của Nhật Bản có ưu điểm là nhiều đầu trộn, nên tạo cọc có đường kính (80cm đến 130cm) và chiều sâu gia cố lớn hơn (có thể đạt 50m), hiện nay công nghệ trộn sâu này được áp dụng khá phổ biến tại Việt Nam

Mô hình bố trí cọc

Tùy theo mục đích sử dụng cọc đất xi măng áp dụng cho từng công trình cụ thể

mà sơ đồ bố trí cọc là khác nhau

Để làm tường chắn hoặc chống thấm thì bố trí thành dãy, để giảm lún thường bố

trí đều theo lưới tam giác hoặc ô vuông, v.v (hình 1.1) [11]

Hình 1.1 Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu

1 Dải; 2 Nhóm; 3 Lưới tam giác; 4 Lưới ô vuông

1.2.1.2 Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ

Nhật Bản, nước đi đầu trong nghiên cứu và phát triển phương pháp trộn sâu (Deep

mixing method - DMM) Thời kỳ đầu nghiên cứu sử dụng chất kết dính là vôi, sau năm 1975 nghiên cứu áp dụng công nghệ sử dụng chất kết dính là xi măng Các nghiên cứu tiếp sau đó khá toàn diện để nâng cao hiệu quả gia cố nền công trình trên đất liền

và công trình cảng biển: thứ nhất là nghiên cứu về cơ sở lý thuyết phục vụ thiết kế trực tiếp, điển hình là các công trình nghiên cứu về khả năng chịu động đất của Inatomi và nnk năm 1984, khả năng chịu rung động (Inatomi và nnk, 1985), kiểm soát hố đào (Tanaka, Matsushi ta và nnk, 1993); thứ hai là nghiên cứu hoàn chỉnh hơn công nghệ

thi công, như đưa ra công nghệ khoan phụt áp suất cao tạo cọc đất xi măng có hình

dạng khác nhau (Nishibafashi, 1985) …v.v; thứ ba nghiên cứu kiểm soát chất lượng thi

công (Mitsuhashi, Zheng, shi và nnk, 1996) [19], [25], [55]

Cho đến thời điểm hiện tại, Viện nghiên cứu và phát triển Cảng đường thủy, Hiệp hội Xi măng, Viện quản lý đất đai và Cơ sở hạ tầng đã hợp tác với nhiều Viện khác của Nhật Bản xuất bản nhiều tài liệu liên quan đến thiết kế, thi công và kiểm soát chất lượng thi công cọc đất xi măng xử lý nền đất yếu tại Nhật Bản

Nhìn chung, các nghiên cứu của Nhật Bản là khá rộng và áp dụng xử lý trực tiếp, trong đó đi sâu nghiên cứu cải tiến công nghệ, kiểm soát chất lượng của DMM, vì vậy công nghệ ngày càng hoàn thiện và hiện nay đang được áp dụng khá phổ biến tại Việt Nam

Trung Quốc, tiếp cận công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng sau Nhật

Bản Năm 1978, áp dụng công nghệ này xử lý nền đất yếu trong các khu công nghiệp tại Thượng Hải và nhiều khu vực khác, đến năm 1994 đã ban hành tiêu chuẩn thành phố Thượng Hải về Quy phạm kỹ thuật xử lý nền móng (DBJ08-40-94), trong đó dành chương 8 và 9 để đề cập đến thiết kế và thi công cọc đất xi măng áp dụng xử lý nền móng các công trình nhà dân dụng và công nghiệp [48] Có thể thấy Trung Quốc tiếp cận nhanh và cũng đi sâu vào cải tiến công nghệ để áp dụng gia cố có hiệu quả

Các nước Châu Âu (điển hình là Thụy Điển và Phần Lan) [6], [30], [56], sau năm

1970 nghiên cứu về vật liệu gia cố (vôi, xi măng) nhằm tối ưu hóa hỗn hợp đất - vôi

(xi măng), như nghiên cứu của Nieminen,Viitanen (1977), NC của Kujala (1982), NC của Holin và nnk (1983) Các NC này được áp dụng thử nghiệm gia cố nền đầu tiên

với sân bay Ska Edeby Các nghiên cứu đánh giá về sức chịu tải cũng dựa vào thực

nghiệm: Rathmayer và Liminen (1980) đã thử nghiệm đánh giá sức chịu tải theo kích thước cọc dưới tác dụng của một đoạn đê tại Phần Lan đắp cao 6m dài 8m; Kukko và Ruohomaki (1995) dựa trên kết quả của 1355 thí nghiệm trong phòng với 195 loại hỗn hợp và 21 loại đất đã xây dựng mô hình toán để dự đoán cường độ kháng nén cực hạn của cọc đất xi măng theo tỉ lệ nước - xi măng, hàm lượng mùn, và tỉ lệ hạt mịn

Thông qua nhiều dự án gia cố và cải tạo đất, năm 1993 Hội Địa kỹ thuật Thụy

Điển đã xây dựng chỉ dẫn thiết kế, thi công và giám sát gia cố bằng các cọc đất vôi, xi

măng xử lý nền đất yếu công trình đường bộ, đường sắt [30] Cho đến thời điểm hiện tại, các chỉ dẫn gia cố bằng cọc đất vôi, xi măng áp dụng cho nền đường đắp đường ô

tô và đường tàu hỏa được đề cập trong Tiêu chuẩn Châu Âu 7 (Eurocode 7) [10] Như vậy, cũng như Nhật Bản, Trung Quốc, các nghiên cứu của Châu Âu được xây dựng dựa trên thực nghiệm áp dụng cụ thể cho loại đất xử lý

Mỹ [10], [19], tuy ra đời khá sớm những mãi đến cuối năm 1980 mới bắt đầu áp

dụng công nghệ thi công theo công nghệ của Nhật Bản để chống thấm và ổn định mái đào, như đập Lockington ở Ohio (Walker, 1994); đập Jackson Lake ở Wyoming (Taki

và Yang, 1991); đập đất Cushman ở Washington (Yang và Takeshima, 1994), v.v sau

đó mới chuyển sang xử lý nền đất yếu các công trình giao thông và xây dựng hạ tầng khác Năm 2000, Bộ GTVT Mỹ đã ban hành Tiêu chuẩn FHWA-RD-99-138 „„Phương pháp trộn sâu trong các ứng dụng địa kỹ thuật‟‟, trong đó đề cập xử lý nền đất yếu bằng trộn sâu cải tạo đất yếu cho các công trình giao thông, xây dựng và thủy lợi

Ở Việt Nam, cọc đất vôi - xi măng được biết đến từ những năm đầu của thập niên

80 với công nghệ của Thụy Điển Sau đó công nghệ này được áp dụng trong ngành xây dựng dân dụng để xử lý nền đất yếu khi xây dựng bồn chứa nước, chứa dầu; ngành thủy lợi, sử dụng công nghệ phun ướt để sửa chữa, chống nứt và chống thấm ở

móng cống, v.v

Trong những năm gần đây, công nghệ gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng của

Nhật Bản được giới thiệu và áp dụng trong ngành giao thông vận tải, nổi bật là công

trình xử lý nền đất yếu sân bay Cần Thơ (2004), tại đây đã sử dụng hiệu quả cọc đất xi măng đường kính 60cm đặt sâu 6m với khoảng cách giữa các cọc là 1m, lượng xi măng sử dụng 230kg/m3

đất yếu Kể từ đó, công nghệ thi công này áp dụng khá nhiều tại Việt Nam xử lý nền đất yếu cho công trình giao thông, như dự án đường cao tốc TP

Hồ Chí Minh đi Trung Lương, đại lộ Thăng Long, đường quốc lộ 5B, …v.v [16], [19], [22]

Các nghiên cứu đầu tiên cũng bắt đầu từ cuối năm1980 Điển hình là nghiên cứu ứng dụng tiến bộ KHKT 26-03-03-07 do TS Nguyễn Trấp chủ trì; nghiên cứu về vật liệu đất xi măng do TS Hồ Chất, TS Đỗ Minh Toàn thực hiện, tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu trong phòng thí nghiệm và kết quả mang tính định hướng [19]

Năm 2012, Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành Tiêu chuẩn quốc gia về gia cố nền đất yếu bằng phương pháp cọc đất xi măng TCVN 9403-2012 [11] trên cơ sở điều chỉnh sửa đổi tiêu chuẩn TCVN 385-2006 Tiêu chuẩn này quy định những yêu cầu kỹ thuật về khảo sát - thí nghiệm, thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc đất xi măng dùng

để xử lý - gia cố nền đất yếu trong xây dựng nhà và công trình có tải trọng nhẹ, khối đắp, cũng như trong ổn định mái dốc

Đến nay, có một số đề tài nghiên cứu, một số luận án thực hiện tại trường Đại học Thủy lợi, Kiến trúc, Xây dựng, Giao thông, MADI (Nga), v.v Đáng chú ý thì có các nghiên cứu sau:

+ Nghiên cứu của Nguyễn Việt Hùng tại trường Đại học GTVT, với đề tài

“Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng trong xây dựng nền đường đắp trên đất yếu” [29] Thông qua phần mềm Plaxis V8.2, đã mô hình hóa bài toán và khảo sát trên mô hình số sự thay đổi biến dạng (độ lún) trong các điều kiện khác nhau về địa chất, về chiều dày lớp đất yếu và kích thước cọc

+ Nghiên cứu của Nguyễn Quốc Đạt sử dụng công nghệ khoan phụt hóa chất để

xử lý đê Tỉnh Hà Nam [23] NC có đề cập đến nhiều công nghệ mới xử lý, trong đó có xét đến công nghệ khoan phụt cao áp jet grouting phun xi măng trong đất để tăng cường hiệu quả chống thấm cho đê

+ Nghiên cứu của Lê Xuân Thọ (2011) [44] về “Đảm bảo sự ổn định nền đường đắp trên đất yếu với sự trợ giúp của cọc đất xi măng”

+ Nghiên cứu của Phùng Vĩnh An (2012) [2] về “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của cọc xi măng đất để xử lý nền đất yếu”

Nhìn chung, với cùng một đối tượng nghiên cứu, nhưng cách tiếp cận cũng như phương pháp nghiên cứu của các tác giả là khác nhau Các nghiên cứu cũng có những đóng góp nhất định về lý thuyết tính toán, tuy nhiên các tác giả không xây dựng mô

hình tính từ bài toán lý thuyết mà sử dụng phần mềm Plaxis kết hợp phân tích các số liệu thực nghiệm để đưa ra một số quy luật hay điều chỉnh các công thức thực nghiệm

đã có (chi tiết được phân tích kỹ hơn trong phần 1.2.3)

Nhận xét chung:

Từ tổng hợp trên, cho thấy công nghệ thi công cọc đất xi măng đã được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam Sự phát triển nhanh chóng

về công nghệ theo thời gian đã phần nào tạo ra các cọc đồng đều về chất lượng hơn và

có cường độ gần hơn với các mẫu thí nghiệm trong phòng Tuy nhiên, quá trình công nghệ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nên cọc tạo ra vẫn còn khác nhau Để chi tiết hơn, trong phần tiếp theo tác giả sẽ phân tích các yếu tố liên quan đến sự hình thành cường độ cọc đất xi măng

1.2.2 Ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau đến tính chất cơ học và cường độ của cọc đất xi măng

Khi trộn xi măng vào trong đất thì sẽ xảy ra những tương tác phức tạp về hóa lý

và hóa học giữa đất với vật liệu xi măng để hình thành vật liệu mới đất xi măng:

Giai đoạn đầu: xi măng trộn vào đất và hút nước, do thủy hóa các thành phần

khoáng vật clinke tạo thành calci hydrôxit trong dung dịch và các sản phẩm thủy phân khác (hydrat hóa) gồm silicat tricalcit 3CaO.SiO2, silicat bicalcit 2CaO.SiO2, aluminat tricalcit 3CaO.Al2O3, fero-aluminattetracalcit 4CaO.Al2O3Fe2O3, v.v

Giai đoạn tiếp theo: xảy ra tác dụng tương hỗ giữa đất với calxi hydrôxit trong

dung dịch và các thành phần riêng biệt của các khoáng vật clinke đã được hydrat hóa

Lượng calci hydrôxit sinh ra được hòa tan trong nước tạo thành dịch thể và phân

ly thành các cation Ca++, lượng calci hydrôxit sinh ra nhiều làm bão hòa Ca++

và đến một giới hạn nào đó nó không hòa tan được nữa thì sẽ tồn tại ở thể keo (nồng độ calci hydrôxit trong nước làm tăng sự tập trung điện tử và pH của nước lỗ rỗng, kết quả là các điện tích Ca++

sẽ hút vào các hạt đất mang điện tích âm Sự trao đổi ion như vậy làm kết bông các hạt đất) Đồng thời, chất silicat bicalcit (2CaO.SiO2) vốn không hoà

tan sẽ tách ra ở dạng phân tán nhỏ trong dung dịch, tạo thành keo phân tán Lượng keo này ngày càng sinh ra nhiều, làm cho các hạt keo phân tán tương đối nhỏ keo tụ lại thành những hạt keo lớn hơn ở dạng sệt, khiến cho xi măng mất dần tính dẻo và ngưng kết lại dần dần nhưng chưa hình thành cường độ

Từ thể ngưng keo tạo thành cấu trúc kết tinh trong dung dịch bão hòa calci

hydrôxit với môi trường kiềm cao Quá trình trên xảy ra trong trường hợp cứng hóa của vữa xi măng nguyên chất, hoặc bê tông cốt liệu thô hoạt tính thấp [7]

Đối với cọc đất xi măng gia cố đất yếu (các loại đất sét, bùn mịn, v.v), đây là loại vật liệu có tỷ diện lớn, hoạt tính cao Vì vậy, quá trình hóa cứng của đất xi măng

và tạo thành các liên kết cấu trúc mới còn phức tạp hơn nhiều Đặc biệt, đối với các loại đất yếu không chứa carbonat, không bão hòa kiềm hay các loại đất hữu cơ có dung lượng trao đổi lớn, thì đất hút mất nhiều Ca++

của calci hydrôxit phân giải trong dung dịch, làm giảm số lượng ion calxi của hệ thống, từ đó làm chậm lại quá trình hóa cứng

của cọc đất xi măng, dẫn đến cấu trúc hình thành kém bền hơn Vì vậy, điều kiện thuận

lợi cho sự hóa cứng của đất gia cố, cho sự hình thành cấu trúc là trong hỗn hợp phải thừa Ca++

, có calci hydrôxit và phải có môi trường kiềm

Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng làm tăng nhanh quá trình cố kết, làm thay đổi tính chất cơ học cũng như cường độ của đất gia cố Ngoài yếu tố công nghệ, cường

độ và tính chất cơ học của cọc gia cố còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố sau đây:

+ Ảnh hưởng của chất gia cố và hàm lượng xi măng: nghiên cứu khẳng định rằng các loại chất gia cố khác nhau thì sẽ phản ứng khác nhau với từng loại đất dẫn đến quá trình cứng hóa khác nhau, các nghiên cứu cũng cho rằng xu hướng chung là khi hàm lượng xi măng tăng thì cường độ nén của vật liệu xi măng đất cũng tăng (hình 1.2a, 1.2b)

ThÝ nghiÖm nÐn kh«ng në h«ng 10

30

20

24 16 12 8 6 4 3 2 1

SÐt Bangkok 40

tuÇn Thêi gian ninh kÕt

Xi m¨ng

Hình 1.2a Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng Hình 1.2b So sánh ảnh hưởng chất gia cố đến

đến cường độ nén so với khi chưa gia cố

(SDI=q u xử lý/ q u chưa xử lý)

cường độ nén các loại đất ở Thụy Điển

+ Ảnh hưởng của thành phần khoáng chất trong đất: đây là nhân tố quan trọng xác định tính chất của đất và sự tác dụng tương hỗ giữa đất và xi măng Vấn đề này được V.M.Bezruck và nnk [7] nghiên cứu cụ thể cho khoáng vật điển hình của đất là sét monmorilonit và khoáng vật sét kaolinit, cho thấy cường độ cấu trúc kết tinh bão hòa của sét monmorilonit ngay cả khi trộn thêm từ 18% đến 24% xi măng vẫn không đáng

kể vì mẫu bị phân rã trong nước (ngược lại với sét kaolinit, thì chỉ với hàm lượng xi măng trộn thêm 12% thì đã tăng tính ổn định nước và cường độ khá cao, vì trong thành phần của vật liệu khoáng có chứa thạch anh và các hạt calci)

Nghiên cứu của V.G.Xamoilov và L.V.Gontsarova [7] cũng chỉ ra các loại khoáng vật hydro - mica đặc trưng bằng các tinh thể đẳng phiến và thỏi cũng không có khả năng hình thành cấu trúc bền vững của đất xi măng vì khoáng vật này có dung lượng hấp thụ lớn, góp phần làm giảm nồng độ calxi hydrôxit trong dung dịch, từ đó làm phá hoại trạng thái cân bằng các phản ứng thủy phân của xi măng và kìm hãm sự cứng hóa của đất xi măng

+ Ảnh hưởng của các thành phần cation hấp thụ và dung lượng hấp thụ của đất: như đã tìm hiểu về nền đất, các hiện tượng hút bám trong đất phân tán mịn có thể xảy

ra theo các khuynh hướng khác nhau và có thể kéo theo sự hấp thụ các ion riêng biệt, các phân tử và các hạt keo Lúc này, các phản ứng trao đổi ion đóng vai trò đặc biệt quan trọng

Từ nhiều nghiên cứu, cho rằng sự có mặt của môi trường axit (được tạo bởi các ion hấp thụ H+

và Al+++) trong đất đem gia cố sẽ có tác dụng xấu đến sự hình thành cấu trúc kết tinh, đặc biệt là đối với giai đoạn đầu của quá trình cứng hóa xi măng

Dựa trên các nghiên cứu ảnh hưởng của các cation trao đổi đến tính chất của xi măng, có thể phân loại mức độ thích hợp của đất để gia cố bằng đất xi măng theo thứ

Cú khỏ nhiều nghiờn cứu, điển hỡnh là NC gia cố với cỏc loại đất yếu khỏc nhau tại Nhật Bản của Bell và nnk (1993) [55], [59] (hỡnh 1.3a); Kamasaki và nnk (1981)

NC trờn 100 cụng trỡnh gia cố nền tại cỏc khu vực khỏc nhau ở Nhật Bản (hàm lượng

xi măng như nhau cho kết quả cường độ nộn thể hiện trờn hỡnh 1.3b)

Từ cỏc kết quả nghiờn cứu cho thấy, hỗn hợp đất cú thành phần hạt tốt nhất để gia

cố xi măng là cỏt lẫn sỏi, cỏt hạt, hoặc ỏ cỏt, ỏ sột nhẹ (vỡ cú cường độ cao) Đối với

cỏc loại đất yếu, như bựn sột, sột mềm yếu, v.v thỡ cường độ chịu nộn khỏ phõn tỏn

và nhỏ hơn 1500kN/m2 (1,5MPa) (cường độ này là nhỏ hơn nhiều so với cường độ

khỏng nộn “cọc cứng” bờ tụng qu=ζb=5ữ9,6MPa [41], [51]) Mặt khỏc, cường độ chịu

nộn của cọc đất xi măng tại cỏc vị trớ khỏc nhau cũng rất khỏc nhau Điều đú cho thấy

với cỏc loại đất cú vị trớ, điều kiện hỡnh thành khỏc nhau thỡ khỏc nhau về khoỏng vật,

về hàm lượng mựn hữu cơ, v.v, làm ảnh hưởng đến thành phần khoỏng húa, keo húa,

đến cấu trỳc cơ học và tớnh ổn định nước, do đú ảnh hưởng đến cường độ của đất gia

1000

0

3 Hàm l-ợng xi măng Kg/m đất

300 250 200 150 100

Osaka Hiroshima Fukuoka Saga A Saga B

Hyogo Aichi A Kanagawa Chiba

5000 4000

3000 2000

Tokyo

Vị trí 7000

Hỡnh 1.3a Ảnh hưởng của thành phần hạt trong đất

đến cường độ đất xi măng

Hỡnh 1.3b Ảnh hưởng của vị trớ, nguồn gốc đất đến cường độ nền đất gia cố xi măng

Nhận xột:

Từ cỏc phõn tớch ở trờn, cho thấy cần phải cú sự kết hợp chặt chẽ, đồng thời giữa

xi măng, đất và nước để tạo thành một hỗn hợp đồng nhất, trong đú xi măng là thành

phần chủ yếu, cơ bản làm thay đổi chất lượng và thay đổi từ gốc tớnh chất tự nhiờn của

đất; đối với đất (đặc biệt là đất sột mịn) cú tỷ diện tớch lớn, hoạt tớnh cao thỡ quỏ trỡnh

liên kết cấu trúc diễn ra phức tạp hơn nhiều (nhiều giai đoạn) làm cho sự cứng hóa của đất xi măng bị chậm lại [7]

Tóm lại, trong luận án, tác giả không có ý đồ đi sâu nghiên cứu về cơ chế lý hóa hình thành cường độ của cọc đất xi măng Nhưng thông qua phân tích ở trên, thấy rằng quá trình hình thành cọc đất xi măng là một quá trình lý - hóa phức tạp; cường độ, độ bền của cọc phụ thuộc nhiều yếu tố như nguồn gốc đất, loại đất yếu, lượng xi măng, thời gian thi công, công nghệ thi công, v.v, vì vậy cường độ cũng như các chỉ tiêu cơ học của cọc thi công rất phân tán và thường nhỏ hơn nhiều so với cọc cứng (mặc dù công nghệ đã được cải tiến và lượng xi măng dùng nhiều) [25]

Chính vì thế, nên rất khó hình thành một phương pháp tính toán chung nhất định,

mà chủ yếu vẫn phải làm thí nghiệm cụ thể, hoặc dựa vào công thức kinh nghiệm,

…v.v

Để làm rõ hơn về vấn đề này, tác giả đi phân tích các quan điểm tính của bài toán gia cố nền bằng cọc đất xi măng hiện nay, qua đó đưa ra vấn đề cần nghiên cứu

1.2.3 Tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay

Tính toán gia cố nền bằng cọc đất xi măng thực chất là xác định các chỉ tiêu cơ học của hệ nền - cọc, kích thước của cọc trong nền đất sao cho thỏa mãn các điều kiện

bền, ổn định nền đường Tức là, xác định cường độ giới hạn (tải trọng giới hạn) và độ lún cho phép (chuyển vị cho phép) của hệ nền gia cố bằng cọc đất xi măng Bởi nhiều

lý do, như quan niệm về độ cứng của cọc, tương quan chịu lực biến dạng của cọc và nền đất xung quanh, cũng như tính phức tạp của vấn đề nghiên cứu v.v, nên đã hình thành nhiều phương pháp, quan điểm tính toán cọc đất xi măng:

Phương pháp tính như “cọc”; phương pháp tính đưa về nền đất đồng nhất (phương pháp “nền”); phương pháp tính kết hợp “nền cọc”

1.2.3.1 Phương pháp tính như “cọc cứng”

Giả thiết:xem cọc là vật liệu có độ cứng tương đối lớn (không có sự dịch chuyển

tương đối giữa các hạt vật liệu) và tải trọng ngoài truyền chủ yếu thông qua các cọc

Sơ đồ tính:cọc làm việc như một “cọc” chống (khi đầu cọc được đưa vào tầng đất

chịu tải), hay cọc làm việc như một “cọc” ma sát (khi đầu cọc không đưa được xuống tầng đất chịu lực)

Tiêu chuẩn phá hoại:mô hình phá hoại của hệ là phá hoại đất yếu (gây lún trồi ở

mũi cọc hoặc trượt đất yếu xung quanh cọc)

Trong thực tế, cọc thường được bố trí thành nhóm và hầu hết các trường hợp thì ứng xử của cọc đơn khác với ứng xử của nhóm cọc, tuy nhiên trong tính toán thường cho phép tính toán tải trọng đối với cọc đơn [39]

+ Đánh giá ổn định của cọc theo trạng thái giới hạn 1: tải trọng tính toán được xác định dựa trên sự khảo sát hoặc là phá hoại cắt hoặc là lún (là giá trị nhỏ nhất của tải trọng giới hạn chia cho hệ số an toàn và tải trọng tương ứng với độ lún cho phép của của nền đất dưới mũi cọc)

Đối với cọc chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng, vì cọc cứng nên tải trọng giới hạn Qgh do lực chống giới hạn của mũi cọc Qp (xác định khi đất dưới mũi cọc phá hoại)

và ma sát thành bên Qf (xác định khi xảy ra trượt giữa đất và cọc) quyết định:

f p

gh Q Q

(1.1a) Xem đất nền xung quanh và ở đáy cọc là vật liệu đàn dẻo, hoặc đàn dẻo lý tưởng, hoặc đất cứng, theo Kezdi, Meyerhof, Tomlinson, Vesic và nnk [1], [33], [39], [41] thì lực chống đầu cọc và ma sát thành bên xác định theo công thức kinh nghiệm:

]2

c

L L

L s

f   

(1.1c)

a h a

f    

(1.1d) trong đó: Ac - diện tích tiết diện cọc; c - lực dính đơn vị của lớp đất phía dưới; γ - trọng lượng thể tích của đất; Nc, Nγ, Nq - các thông số không thứ nguyên của sức chịu tải phụ thuộc vào góc ma sát trong của đất; Dc - đường kính cọc; Df - chiều sâu mũi cọc tính từ mặt đất; U - chu vi của cọc; Lc - chiều dài cọc; fs - lực ma sát đơn vị trên đoạn dài ΔL; ca - lực dính đơn vi giữa cọc và đất xung quanh cọc; ζh - ứng suất nén lên cọc theo phương nằm ngang; θa - góc ma sát giữa đất và cọc

Lưu ý rằng, để xác định giá trị giới hạn cực hạn, công thức (1.1b) xét phá hoại của đất dưới mũi cọc được tính toán như bài toán giới hạn của móng nông [4] Để xác định lực ma sát trượt fs cũng rất khó khăn, tính toán theo công thức (1.1d) là từ điều kiện đất phá hoại trượt Coulomb, tuy nhiên để xác định độ bền đất - cọc (ca, θa) và áp lực ngang của đất tác dụng lên cọc cũng rất phức tạp, nên có nhiều quan điểm tính khác nhau [4], [33]

Lê Xuân Thọ (2011) [44], khi xem cọc đất xi măng có cấu trúc tương đồng với cọc khoan nhồi cứng, mũi cọc chống trên tầng đất cứng (lực đứng tác dụng lên cọc truyền hết xuống đất cứng), đất xung quanh cọc đàn hồi và dựa vào lý thuyết ứng suất của Mindlin (áp dụng cho tác dụng của lực ở trong lòng khối không gian đàn hồi) đã xây dựng tương quan fs theo lực tác dụng trong đất xung quanh cọc, hệ số ma sát xác định như sau:

Áp dụng công thức tính (1.1a), (1.1b) và (1.1c) trong xử lý nền đất yếu công trình thủy lợi, Phùng Vĩnh An (2012) [2], thông qua thí nghiệm nén tĩnh hiện trường kết hợp sử dụng phần mềm Plaxis đã xác định một số hệ số phụ thuộc trong các công thức trên Tuy nhiên, kết quả cũng chưa chỉ rõ diễn biến thay đổi ứng suất, độ bền của hệ nền - cọc khi đến giới hạn

Ngoài ra, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để dự đoán tải trọng giới hạn, như phân tích độ bền đất sử dụng, phân tích số liệu thí nghiệm hiện trường tiêu chuẩn (xuyên tiêu chuẩn, xuyên tĩnh, v.v), thí nghiệm nén cọc, v.v [3], [39]

+ Đánh giá ổn định của cọc theo trạng thái giới hạn 2: đảm bảo cho móng cọc không phát sinh biến dạng và lún quá giới hạn cho phép:

Nhận xét

Khi xem vật liệu cọc có độ cứng tương đối lớn, nền đất xung quanh cọc và ở mũi cọc là vật liệu đàn dẻo, đàn dẻo lý tưởng, hoặc là vật liệu cứng dẻo thì:

+ Xác định sự phân bố ứng suất trong hệ nền “cọc” là rất khó khăn, vì vậy các tính toán sức chịu tải hay độ lún hiện nay thường phải giả định (giả định phá hoại đất xung quanh hoặc ở mũi cọc để xác định tải trọng giới hạn; giả định phân bố ứng suất trong cọc để xác định độ lún);

+ Trong thực tế cọc chống bê tông cốt thép hay cọc thép có độ cứng lớn, có sức kháng nén qu=ζb=5÷9,6MPa nên thường áp dụng cho móng chịu tải trọng tập trung [41], [51], còn đối với cọc đất xi măng áp dụng xử lý nền đất yếu các công trình đường

ô tô hay sân bay có độ cứng của cọc thi công rất phân tán [18], [25], có những vị trí có

độ cứng lớn nhưng nhìn chung cọc đất xi măng không đạt yêu cầu của cọc cứng (so sánh giữa qu của cọc đất xi măng với qu của cọc bê tông) [11], [16], [18], [30], [48], do

đó nếu quan niệm như cọc chống sẽ khó phản ánh đúng sự làm việc của cọc

1.2.3.2 Phương pháp tính như nền đồng nhất

Giả thiết: cọc có độ cứng nhỏ và được xem như vật liệu đất nền Nền được gia cố

coi như một nền mới đồng nhất

Sơ đồ tính: cọc đất xi măng là “cọc mềm”, biến dạng đồng thời với nền đất dưới

tác dụng của tải trọng ngoài

Tiêu chuẩn phá hoại: phá hoại theo các chỉ tiêu độ bền, độ cứng của nền đất gia

cố

Theo quan điểm này, với các cọc có sức kháng cắt không quá 150kPa và không quá ba lần sức kháng cắt của đất yếu gia cố như chỉ dẫn thiết kế của Thụy Điển [30], hoặc có sức kháng nén không quá 120kPa theo chỉ dẫn thiết kế của Trung Quốc [48] thì việc tính toán hệ nền - cọc được quy đổi về nền đồng nhất [11], [30], [48]

Đưa hệ nền - cọc về nền đất đồng nhất bằng cách quy đổi các đặc trưng độ bền, độ cứng trung bình theo tỷ lệ diện tích gia cố ac từ độ bền, độ cứng tương ứng của cọc và đất yếu xung quanh của hệ nền - cọc theo công thức sau:

trong đó: ac = Ac /( Ac + As) (%) - tỷ lệ diện tích gia cố, tỷ lệ này yêu cầu trong khoảng

12 ~ 20% ; Ac - diện tích cọc; As - diện tích đất giữa các cọc trong hệ nền - cọc tính

toán; s, cs, Es, c, cc, Ec , tb, ctb, Etb - tương ứng là góc ma sát trong, lực dính đơn vị,

mô đun đàn hồi của đất tự nhiên, của cọc đất xi măng và hệ nền - cọc gia cố

Các bước tính toán tiếp theo tương tự như tính toán cho nền đất tự nhiên Nghĩa là bước đầu tính toán, kiểm tra theo điều kiện giới hạn về cường độ (TTGH 1), sau đó tính toán kiểm tra theo điều kiện giới hạn về biến dạng (TTGH 2) [1] Lưu ý rằng, do giả thiết chuyển vị tại cọc đất xi măng và đất nền xung quanh là bằng nhau, nên trong thực tế nếu điều kiện giới hạn về cường độ mà thỏa mãn thì điều kiện về biến dạng cũng thỏa mãn Để xác định sức chịu tải của hệ nền gia cố, thường thông qua các thí nghiệm, cụ thể sau đây:

Xác định sức chịu tải, thông thường đất nền gia cố được xem là vật liệu đàn dẻo,

đàn dẻo lý tưởng hoặc vật liệu cứng dẻo, tương ứng xác định được tải trọng giới hạn theo đất nền Tuy nhiên, để đơn giản theo chỉ dẫn thiết kế của Thụy Điển, Trung Quốc, Việt Nam, v.v [11], [30], [48], cho rằng tải trọng giới hạn sử dụng của cọc đơn hoặc nhóm cọc được xác định theo thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn (hoặc chất tải trọng thật tổ hợp cọc) với giả định độ lún của cọc đạt 10% đường kính cọc [11] Tải trọng giới hạn cực hạn được xác định theo độ bền kháng cắt (công thức 1.2b), hoặc theo thí nghiệm nén ngang thành hố khoan [11]

Xác định chuyển vị (độ lún) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng hiện nay, các

quan điểm [11], [30], [48], [52], [60], [61] đã đưa ra sơ đồ tính lún chung nhất của hệ nền - cọc chịu tác dụng của tải trọng có cường độ q dưới móng cứng theo hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ tính lún của hệ nền - cọc

Độ lún của hệ nền - cọc được xác định như sau [41], [50], [51], [53]: