Nghiên cứu sử dụng cọc để xử lý nền đất yếu khi xây dựng công trình (tt)

Số 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,

BỘ 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

LỜI 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

LỜI 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

MỤC 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

2.1 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

DANH MỤC CÁC BẢNG

cát)

hạt rời và cọc “cứng”

mặt đất

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

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)

đất yếu bằng cọc 35x35cm

30x30cm

rời

Số hiệu hình Tên hình

của đất xung quanh khi kể đến sự nén lún của cọc

xung quanh

trong của đất nền

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

(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

khác nhau với p=50kPa

khác nhau với p=100kPa

ma sát trong cọc Hình 2.19 Mô phỏng hiệu ứng vòm, a) Mô hình 2D, b) Mô hình 3D

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”

2m,6m

Số 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

dưới tác dụng cùng một tải trọng và cường độ đất nền như nhau

hạt rời)

cốt thép)

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

liệu hạt rời Hình 3.14 Mặt cắt thể hiện sự phân bố ứng suất lên đất nền và cọc

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

và vải địa kỹ thuật

1

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,

2 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”

3

 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

4

 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu

- Đưa ra các nguyên lý, phạm vi ứng dụng, phương pháp tính toán cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trong bài toán xử lý nền đất yếu

- So sánh phương pháp tính toán, hiệu quả, chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trong xử lý nền đất yếu

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phân tích tính toán cụ thể

 Kết quả nghiên cứu

- Đưa ra một số so sánh về phạm vi ứng dụng, cách tính toán, hiệu quả, một số chỉ dẫn, lưu ý cần thiết khi tính toán thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu hạt rời và bằng cọc “cứng”

- Kiến nghị về khả năng áp dụng các phương pháp xử lý nền bằng cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trong điều kiện địa tầng ở Việt Nam

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Hệ thống hóa lại việc xử lý nền đất yếu

- Đề xuất các phương pháp tính toán cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trong đất phù hợp với các điều kiện địa chất của Việt Nam

- Phân tích đánh giá sự phù hợp của cọc vật liệu hạt rời và cọc “cứng” trong các điều kiện địa chất khác nhau tại một số khu

- Làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư thiết kế và thi công, cũng như các công ty chuyên xử lý nền đất yếu

 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận,luận văn có phần nội dung bao gồm ba chương: Chương 1.Tổng quan về các phương pháp xử lý nền đất yếu

Chương 2.Phân tích, so sánh hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc

Chương 3.Áp dụng xử lý nền đất yếu bằng cọc trong điều kiện địa tầng

một số khu vực tại việt nam

THÔNG BÁO

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện

– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Trong luận văn, học viên đã nghiên cứu và trình bày được các vấn đề chính sau: Nghiên cứu tổng quan nền đất yếu và các phương pháp xử lý nền đất yếu; Nghiên cứu lý thuyết tính toán và khả năng ứng dụng của biện pháp xử

lý nền đất yếu bằng phương pháp sử dụng cọc vật liệu hạt rời đầm chặt và cọc

có độ cứng lớn như bê tông, bê tông cốt thép, cọc thép, cọc xi măng đất có độ cứng xác định, cọc tạo bởi jet-grouting

Sử dụng cọc cát đầm chặt là một trong những biện pháp khá hữu hiệu ở nền đất yếu Việt Nam có tác dụng giảm lún cả lún tổng thể lẫn lún lệch, tăng cường độ nền đất, làm chặt đất nền và tăng nhanh khả năng cố kết của đất

Sử dụng các loại cọc: cọc bê tông, bê tông cốt thép, cọc thép…trong xử

lý nền đất là một giải pháp khá phù hợp với điều kiện địa tầng khác nhau, hiệu quả xử lý cao nhờ sự tập trung ứng suất ở đầu cọc bởi độ cứng của cọc thường lớn hơn rất nhiều cường độ đất nền, không cần thời gian chờ cố kết Việc giải quyết các bài toán xử lý nền đất yếu với các phương pháp lý thuyết thông thường cho những kết quả chưa xác thực tế Với việc sử dụng

mô hình số cho phép chúng ta giải quyết bài toán đơn giản, nhanh chóng Các kết quả thu được nhìn chung là có thể chấp nhận được

Kiến nghị

Cần tiếp tục nghiên cứu bổ xung các bài toán về độ mảnh của cọc độ cứng của cọc độ cứng của bản móng tới hiệu quả xử lý nền trên hai phương diện độ lún và cường độ làm rõ hơn trong các bảng tra phục vụ cho các công tác thiết kế

Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã thấy được nhiều vấn đề

mà với phạm vi thời gian, khuôn khổ của đề tài chưa giải quyết một cách trọn