Các giải pháp xử lý nền đất yếu hiện nay tại Việt Nam đã khá đa dạng với các công nghệ truyền thống như thay đất, cọc cát, giếng cát, bấc thấm, hay gia tải trước cũng như các công nghệ x
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
LÊ XUÂN TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỌC ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN
Hà Nội – 2015
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-
LÊ XUÂN TRƯỜNG KHÓA: 2013 - 2015
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỌC ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU
KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS NGUYỄN NGỌC THANH
Hà Nội - 2015
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với TS Nguyễn Ngọc Thanh đã định hướng khoa học, liên tục quan tâm, tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp tài liệu và đưa ra nhiều ý kiến quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi, động viên tác giả trong quá trình thực hiện luận văn
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ Khoa Sau đại học, Khoa Xây dựng và đặc biệt là các thầy, cô giáo giảng dạy Bộ môn Địa
kỹ thuật - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội cùng các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình trong quá trình hoàn thành luận văn này
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Lê Xuân Trường
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng
TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Lê Xuân Trường
Trang 5MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU 1
Lý do chọn đề tài 1
Mục đích nghiên cứu 3
Nhiệm vụ nghiên cứu 3
Đối tượng nghiên cứu 3
Phạm vi nghiên cứu 3
Nội dung và phương pháp nghiên cứu 4
Kết quả nghiên cứu 4
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4
Cấu trúc luận văn 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 5
1.1 Nền đất yếu và các phương pháp xử lý nền đất yếu 5
1.1.1 Khái niệm về nền đất yếu 5
1.1.2 Các loại nền đất yếu thường gặp trong tự nhiên 6
1.1.3 Các phương pháp xử lý nền đất 7
1.2.3 Thực trạng sử dụng cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trong xử lý nền đất yếu tại Việt Nam 30
CHƯƠNG II PHÂN TÍCH, SO SÁNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC 33
Trang 62.1 Tính toán cọc vật liệu hạt rời trong xử lý nền đất yếu 33
2.1.1 Tính toán cọc vật liệu hạt rời bằng các phương pháp lý thuyết 33
2.1.2.Tính toán trụ vật liệu hạt rời theo các công thức thực nghiệm 39
2.1.3 Tính toán cọc vật liệu hạt rời bằng các phương pháp phần tử hữu hạn
46
2.1.4 Tính toán cọc vật liệu hạt rời trên các nền đất yếu khác nhau 51
2.2 Tính toán cọc “cứng” trong xử lý nền đất yếu 53
2.2.1 Tính toán cọc “cứng” bằng các phương pháp lý thuyết 53
2.2.2 Tính toán cọc “cứng” bằng các phương pháp thực nghiệm 57
2.2.3 Tính toán cọc “cứng” theo phương pháp phần tử hữu hạn 60
2.2.4 Tính toán cọc “cứng” trên các nền đất yếu khác nhau 64
2.3 Phân tích so sánh tính toán nền đất sau khi xử lý bằng cọc vật liệu hạt rời và bằng cọc “cứng” 65
CHƯƠNG III ÁP DỤNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA TẦNG MỘT SỐ KHU VỰC TẠI VIỆT NAM 68
3.1.1 Giới thiệu về công trình, địa tầng và mô hình hóa 68
3.1.2 Phân tích kết quả từ mô hình tính toán 71
3.2.Ví dụ áp dụng xử lý nền đất yếu bằng cọc “cứng” tại Hà Nội 78
3.2.1 Giới thiệu về công trình, địa tầng và mô hình hóa 78
3.2.2 Phân tích kết quả từ mô hình tính toán 81
3.3 Lựa chọn giải pháp cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trong điều kiện địa chất Việt Nam 84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85
Kết luận 85
Kiến nghị 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 7DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu hình Tên hình
Bảng2.1 So sánh hiệu quả xử lý nền đất của cọc vật liệu liệu hạt rời(cọc
cát) Bảng 2.2 So sánh hiệu quả xử lý nền đất bằng cọc “cứng”
Bảng 2.3 So sánh cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng”
Bảng 2.4 So sánh hiệu quả giảm lún của đất nền khi sử dụng cọc vật liệu
hạt rời và cọc “cứng”
Bảng 3.1 So sánh sự tập trung ứng suất của cọc tại độ sâu 1.65m so với
mặt đất Bảng 3.2 Sự tập trung ứng suất của cọc tại độ sâu 4.9m so với mặt đất Bảng 3.3 Sự tập trung ứng suất lên đầu cọc
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Số hiệu hình Tên hình
Hình 1.1 Gia cố nền bằng cọc tre, cọc cừ tràm
Hình 1.2 Gia cố nền bằng cọc cát, cọc đá
Hình 1.3 Hình ảnh thi công cọc xi măng đất
Hình 1.4 Hình ảnh thi công vải địa kỹ thuật
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC
Hình 1.6 Thi công cọc đá tại nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn
Hình 1.7 Thi công cọc cát đầm chặt
Hình 1.8 Thi công cọc đá bằng phương pháp thay-rung
Hình 1.9 Thi công trụ đá ba lát theo dạng Franki
Hình 1.10 Máy thi công cọc đá Franki (Cọc đá có mở rộng ở đáy cọc) Hình 1.11 Thi công cọc đá bằng khoan tạo lỗ.
Hình 1.12 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khoan ép tạo lỗ Hình 1.13 Thi công cọc đá dưới nước
Hình 1.14 Chi tiết và nguyên lý làm việc của máy đầm rung
Hình 1.15 Kích thước và hình thức các loại đầm rung
Hình 1.16 Lựa chọn đường kính cọc đá (Dhouib et Blondeau, 2005) [15] Hình 1.17 Ứng dụng cọc cứng trong các công trình xây dựng
Hình 1.18 Gia cố nền đắp bằng cọc cứng (ZanzigerGartung,2002)
Hình 1.19 Mặt cắt ngang nền đường đầu cầu Trà Lọt sau khi xử lý nền
đất yếu bằng cọc 35x35cm Hình 1.20 Thi công đóng cọc đầu cầu Rạch Sỏi- Kiên Giang bằng cọc
30x30cm Hình 2.1 Đường kính tương đương của cọc vật liệu hạt rời đơn vị
Hình 2.2 Mô hình phần tử đơn vị trong tính toán cọc vật vật liệu hạt rời Hình 2.3 Sơ đồ phân bố ứng suất lên nền gia cố bằng cọc vât liệu hạt
rời Hình 2.4 Cọc dưới tải trọng móng băng và tải trọng phân bố đều
Hình 2.5 Sơ đồ phân tích sự làm việc của nhóm cọc
Hình 2.6 Hệ số cải thiện nền đất n của Priebe
Trang 9Số hiệu hình Tên hình
Hình 2.7 Hệ số (A/A c) dựa vào tỉ lệ modun D c /D s và góc ma sát trong
của đất xung quanh khi kể đến sự nén lún của cọc Hình 2.8 Hệ số f d theo hệ số y dựa vào góc ma sát trong của đất nền
xung quanh Hình 2.9 Sự phân bố tải trọng trên cọc đá tương ứng với các góc ma sát
trong của đất nền Hình 2.10(a) Dự đoán của tải trọng hiệu quả và đường kính của một cọc
theo lực dính không thoát nước ( Thorbunrn, 1975)[6]
Hình 2.10(b)
Quan hệ giữa tỉ lệ nén chặt của đất trước và sau khi gia cố bằng cọc với khoảng cách giữa các cọc vật liệu hạt rời và lực dính của đất xung quanh cọc vật liệu hạt rời (Greenwood,1975([7]
Hình 2.11 Lựa chọn đường kính cọc (Dhouib et Blondeau, 2005)[15] Hình 2.12 Các mô hình quan hệ ứng suất và biến dạng của đất
Hình 2.13 Kết quả lún của nền khi chưa xử lý bằng cọc vật liệu hạt rời
(cọc cát) Hình 2.14 Phân bố độ lún theo mặt cắt ngang với khoảng cách cọc là 2m Hình 2.15 Phân bố độ lún theo mặt cắt ngang với khoảng cách cọc là 6m Hình 2.16 Phân bố ứng suất khi chưa xử lý nền và đã sử dụng cọc cát Hình 2.17(a) So sánh độ lún khi sử dụng cọc vật liệu hạt rời trên nền đất
khác nhau với p=50kPa Hình 2.17(b) So sánh độ lún khi sử dụng cọc vật liệu hạt rời trên nền đất
khác nhau với p=100kPa Hình 2.18 So sánh độ lún khi sử dụng cọc vật liệu hạt rời khi thay đổi góc
ma sát trong cọc Hình 2.19 Mô phỏng hiệu ứng vòm, a) Mô hình 2D, b) Mô hình 3D
Hình 2.20 Trạng thái ứng suất của một điểm trong khối đắp theo
Terzaghi (1943)[6] và Mckelrey (1944)[6]
Hình 2.21 Chuyển vị thẳng đứng của nền đất yếu giữa khoảng cách 2 cọc Hình 2.22 Cách xác định chỉ số RSR của một block cọc
Hình 2.23 Phân tích lún của một phần tử đất trong khối đắp nền nền cọc treo Hình 2.24 Kết quả lún của nền khi chưa xử lý bằng cọc “cứng”
Hình 2.25 Kết quả lún của nền khi được xử lý bằng cọc “cứng”
Hình 2.26 Phân bố độ lún theo mặt cắt ngang với khoảng cách cọc
2m,6m
Trang 10Số hiệu hình Tên hình
Hình 2.27 Hình vẽ sự phân bố ứng suất khi chưa xử lý nền và đã sử dụng cọc Hình 2.28
So sánh độ lún khi sử dụng cọc “cứng” với khoảng cách giữa các cọc khác nhau, cường độ đất nền khác nhau với cùng tải trọng p=100kPa
Hình 2.29 So sánh độ lún khi sử dụng cọc “cứng” và cọc vật liệu hạt rời
dưới tác dụng cùng một tải trọng và cường độ đất nền như nhau Hình 3.1 Địa tầng điển hình khu vực
Hình 3.2 Mặt cắt ngang đường với phương án 1(xử lý bằng cọc vật liệu
hạt rời) Hình 3.3 Mô hình 2D phương án 1 (xử lý bằng cọc vật liệu hạt rời đầm chặt) Hình 3.4 Mặt cắt ngang đường với phương án 2(xử lý bằng cọc bê tông
cốt thép) Hình 3.5 Mô hình 2D phương án 2 (xử lý bằng cọc bê tông cốt thép) Hình 3.6 Kết quả lún của nền khi chưa được xử lý
Hình 3.7 Kết quả lún của nền được xử lý bằng cọc vật liệu hạt rời (PA1) Hình 3.8 Kết quả lún của nền khi nền được xử lý bằng cọc (PA2)
Hình 3.9 Phân bố ứng suất của đất nền nếu không xử lý
Hình 3.10 Phân bố ứng suất của đất nền và cọc vật liệu hạt rời đầm chặt Hình 3.11 Phân bố ứng suất cuẩ đất nền và cọc bê tông
Hình 3.12 Mặt cắt thể hiện sự phân bố ứng suất lên đất nền khi không xử lý Hình 3.13 Mặt cắt thể hiện sự phân bố ứng suất lên đất nền và cọc vật
liệu hạt rời Hình 3.14 Mặt cắt thể hiện sự phân bố ứng suất lên đất nền và cọc
Hình 3.15 Trụ địa tầng điển hình khu vực vành đai II đoạn Cầu Giấy –
Nhật Tân Hinh 3.16 Mặt cắt ngang nền đường vành đai II đoạn Cầu Giấy-Nhật Tân Hình 3.17 Mô hình 2D gia cố nền bằng cọc xi măng đất
Hình 3.18 Kết quả lún của nền khi nền chưa được xử lý
Hình 3.19 Kết quả lún của nền khi nền được xử lý bằng cọc xi măng đất Hình 3.20 Mặt cắt thể hiện sự phân bố ứng suất lên đất nền và cọc
Hình 3.21 Mặt cắt thể hiện hiệu ứng vòm khi kết hợp xử lý nền bằng cọc
và vải địa kỹ thuật
Trang 111
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Việt Nam với điều kiện địa lý trải dài lại thêm các hệ thống đồi núi, sông ngòi dày đặc đã làm nên sự đa dạng của điều kiện tự nhiên cũng như điều kiện địa tầng, một trong những điều đó chính là nền đất yếu Với sự phát triển nhanh của quá trình đô thị hóa và sự gia tăng dân số đã đặt ra yêu cầu cấp bách về phát triển các công trình hạ tầng, các khu công nghiệp, nhà xưởng, cũng như các khu dân cư, đô thị… và bài toán xử lý nền đất yếu lúc
đó là một trong những bài toán thường xuyên gặp phải trong quá trình xây dựng công trình trong điều kiện địa chất yếu Các giải pháp xử lý nền đất yếu hiện nay tại Việt Nam đã khá đa dạng với các công nghệ truyền thống như thay đất, cọc cát, giếng cát, bấc thấm, hay gia tải trước cũng như các công nghệ xử lý nền đất yếu khá hiện đại với các dạng cọc khác nhau chẳng hạn các loại cọc có mô đun Young lớn: cọc xi măng đất có độ cứng xác định, phụt vữa áp lực cao jet-grouting, các loại loại cọc bê tông hoặc bê tông cốt thép, hay cọc thép (các loại “cọc” này được gọi chung là cọc “cứng”- RIGID INCLUSION) hoặc bằng các loại cọc được tạo thành từ vật liệu hạt rời đầm chặt (cọc cát đầm chặt, cọc đá –GRANULAR INCLUSION) đã và đang ứng dụng tại Việt Nam và có những thành công bước đầu
Chúng ta biết rằng cọc vật liệu hạt rời là một trong những giải pháp xử
lý nền đất yếu khá hiệu quả với tác dụng chính là nén chặt đất nhờ sự chiếm chỗ của các vật liệu rời rạc, tận dụng khả năng cường độ của những loại vật liệu lớn hơn nhiều lần so với cường độ của nền đất yếu để nhờ đó có thể tăng cường độ nền đất yếu, giảm thể tích lỗ rỗng trong đất hoặc làm tăng nhanh tốc
độ cố kết của đất nhờ sự thoát nước thẳng đứng rỗng Dưới ảnh hưởng của quá trình thi công cọc vật liệu hạt rời, vật liệu được lèn chặt cùng đất nền và tạo thành một cọc vật liệu hạt rời có tiết diện và chiều dài rõ ràng Mặt khác,
Trang 122
thì đất ở xung quanh trụ vật liệu hạt rời này sẽ bị ép chặt lại do ảnh hưởng của quá trình lèn chặt , ứng suất theo phương ngang của đất ở xung quanh trụ tăng lên rõ rệt, điều này có nghĩa là sau khi đất cố kết, mô đun biến dạng của đất tăng lên, liên kết giữa các hạt đất được cũng tăng lên đáng kể và nhờ
đó tăng khả năng kháng cắt của đất, sức chịu tải của đất, giảm được lún, tăng cường ổn định của công trình và loại bỏ bớt nguy cơ của hiện tượng hóa lỏng của cát trong những vùng có động đất.Chính vì vậy, xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời là một trong những phương pháp đang được ứng dụng ngày một rộng rãi tập trung chủ yếu ở nền đắp, móng của của các công trình bồn bể chứa, hay các công trình mà có tải trọng vừa phải (nền đắp, các công trình nhà máy, các khu dân cư, hay các khu công nghiệp…)
Bên cạnh phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời thì phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc “cứng” cũng đã và đang là một trong những giải pháp hữu hiệu, với tác dụng chính tăng cường độ nền đất nhờ tăng lực dính và góc ma sát trong đất và tận dụng sự tập trung ứng suất lên các cọc “cứng” thông qua các tương tác giữa cọc và nền đất (chủ yếu thông qua ma sát thành cọc
và nền) nhiều hơn nền đất nhờ đó làm tăng khả năng ổn định và giảm lún của công trình Hơn thế nữa với việc xử lý bằng loại cọc này chúng ta không cần phải chờ đợi thời gian cố kết của nền đất như các giải pháp xử lý nền đất yếu khác
Để tính toán thiết kế cọc trong xử lý nền đất yếu thì song song với tiếp cận bằng các lý thuyết cơ học – giải tích dựa trên nền đàn hồi hay đàn dẻo hay như bằng các công thức thực nghiệm, chúng ta còn có thể sử dụng các phương pháp khác chẳng hạn như phương pháp mô phỏng số với các ưu điểm như đơn giản, hiệu quả, nhanh chóng
Với mong muốn làm rõ hơn các giải pháp sử dụng cọc (cọc vật liệu hạt rời
và cọc “cứng”) trong bài toán xử lý nền đất yếu tác giả lựa chọn đề tài luận văn
“Nghiên cứu sử dụng cọc để xử lý nền đất yếu khi xây dựng công trình”
Trang 133
Mục đích nghiên cứu
- Hệ thống hoá các nguyên lý, phương pháp tính toán cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” nói riêng và các phương pháp khác trong bài toán xử lý nền đất yếu
- Chỉ ra phạm vi ứng dụng cũng như so sánh cách tính toán cũng như hiệu quả của việc xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trên 2 phương diện là khả năng chịu tải của nền đất và biến dạng của nền sau khi xử lý
- So sánh chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng”
- Nêu ra một số chỉ dẫn cần thiết trong tính toán trụ vật liệu hạt rời và trụ
“cứng” trong điều kiện địa chất cụ thể
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp tính toán cũng như 1 số thực nghiệm trong bài toán xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng”
- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong việc tính toán bài toán xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” (dùng phần mềm Plaxis)
- Phân tích, so sánh, đánh giá sự phù hợp của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” cho các dạng công trình cũng như các đạng địa tầng
Từ đó nêu ra 1 số chỉ dẫn cần thiết trong tính toán cọc vật liệu hạt rời
và cọc “cứng” trong điều kiện địa chất của một số vùng đất yếu tại Việt Nam
Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu các loại nền đất yếu, các phương pháp xử lý nền đất yếu và tập trung vào xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng”
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu, so sánh việc tính toán và khả năng áp dụng của cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trong xử lý nền đất yếu dưới công trình xây dựng
