Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền đất yếu và đầu cọc cho giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bêtông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật (tt)

Ưu điểm của giải pháp này có thể kể đến là chất lượng công trình được kiểm soát thuận tiện và đảm bảo, thời gian thi công ngắn hơn đáng kể so với các phương pháp cố kết trước; vật liệu c

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Việc xây dựng công trình trên đất yếu, đặc biệt là các công trình cơ sở hạ tầng thường gắn liền với các biện pháp xử lý nền Do cao độ mặt đất tự nhiên thấp nên các công trình cơ sở hạ tầng ở các tỉnh phía Nam được xây dựng đồng thời với các công trình đắp cao (đê, đập, đường giao thông, khu dân cư, kho xưởng hay cầu cống) Ngoài các biện pháp xử lý nền phổ biến được áp dụng như cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước, cọc đất trộn xi măng thì cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật là một trong các giải pháp hữu hiệu và có triển vọng Ưu điểm của giải pháp này có thể kể đến là chất lượng công trình được kiểm soát thuận tiện và đảm bảo, thời gian thi công ngắn hơn đáng kể so với các phương pháp cố kết trước; vật liệu cọc ít chịu tác động ảnh hưởng của môi trường hóa lý (so với cọc đất trộn xi măng); độ lún của nền được xử lý bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật có giá trị không đáng kể nên cho phép sử dụng hạn chế vật liệu đắp, là loại vật liệu khan hiếm hiện nay ở khu vực (so với phương pháp gia tải trước) và một số ưu điểm khác

Khả năng ổn định và độ lún của nền sau khi xử lý bằng giải pháp này phụ thuộc đáng kể vào đặc điểm phân bố ứng suất lên cọc và đất nền Thí nghiệm thực tế

đo đạc nhằm tìm hiểu quy luật phân bố ứng suất tác dụng lên nền xử lý có ý nghĩa thực tiễn trong tính toán áp dụng triển khai cũng như đánh giá triển khai phương pháp xử lý này trong thực tiễn Điều này có tính cấp thiết do việc đo đạc đánh giá sự phân bố ứng suất trong xử lý nền bằng phương pháp tương tự

và trong điều kiện thực tế ở khu vực phía Nam chưa được thực hiện nhằm phục

vụ đánh giá chính xác khả năng ổn định của nền sau khi xử lý

2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Cọc bê tông cốt thép là giải pháp nền móng thường được sử dụng cho các công trình có tải trọng lớn hay khi có đất yếu có bề dày lớn nằm gần bề mặt Vật liệu

cọc có tính biến dạng không đáng kể, khác với các loại cọc đất trộn xi măng hay vật liệu khác có tính biến dạng lớn Do đó, khi kết hợp với vải địa kỹ thuật, quy luật phân bố ứng suất lên cọc và đất nền có thể khác biệt và điều này ảnh hưởng trực tiếp đến các vấn đề tính toán thiết kế Nghiên cứu đánh giá quy luật và đặc điểm phân bố ứng suất giữa cọc và nền đất yếu là mục tiêu của luận án

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được chọn lựa cho luận án là nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự phân bố ứng suất trên đầu cọc và đất nền, thí nghiệm hiện trường theo điều kiện thực tế khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre và

mô phỏng tính toán bằng phần mềm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Luận án nghiên cứu phân bố ứng suất của nền đắp kết hợp vải địa kỹ thuật lên

hệ cọc bê tông cốt thép và lên nền đất yếu bên dưới

Phạm vi nghiên cứu:

- Chỉ nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong phạm vi khối đắp chưa xét sự thay đổi trạng thái ứng suất trong nền đất yếu bên dưới

- Do hạn chế về vị trí, kinh phí nên chỉ xây dựng được mô hình thí nghiệm với

số lượng 16 cọc Điều này chưa thật sự giống với bài toán phẳng trong xử lý nền đường Nghiên cứu chủ yếu ảnh hưởng ứng suất của 04 cọc trung tâm, phù hợp với bài toán không gian

- Khu vực thí nghiệm hiện trường thường xuyên chịu ảnh hưởng của triều cường Do đó sự phân bố ứng suất trong nền đất yếu cũng thay đổi, điều này cũng ảnh hưởng đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc

5 Điểm mới của luận án

1 Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật trong điều kiện địa chất khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre

2 Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật khi mực nước ngầm hạ thấp

và khi mực nước ngầm tăng do triều cường kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng cục bộ Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật sẽ nhỏ vào mùa khô và tăng cao vào mùa mưa khi nền ngập nước

6 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm có các phần: Mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo Tổng cộng có 124 trang, trong đó có 86 hình, 25 bảng biểu và các công thức tính toán Phần phụ lục có 48 trang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN

BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ NỀN ĐẤT YẾU

1.1 Một số tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL

Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp ĐBSCL được hình thành và phát triển gần đây nên trầm tích chưa nén chặt, phổ biến là trầm tích sông biển mềm yếu Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn

1.2 Các giải pháp xử lý nền đất yếu dưới công trình

Việc xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất … đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình Đối với công trình đường ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm

2 nhóm chính:

- Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: vải địa kỹ thuật, lưới địa

kỹ thuật, đất trộn vôi, đất trộn ximăng, Silicat hóa Trong trường hợp này, đất nền và đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo điều kiện làm việc của công trình

- Các biện pháp xử lý nền thường được áp dụng như cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không Trường hợp này, thời gian

cố kết đất nền được rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa công trình vào sử dụng

1.3 Sự phân bố tải trọng của nền đất đắp

Nền dưới khối đắp thường có độ cứng khá lớn nên khối đất đắp không chỉ truyền tải trọng bản thân, tải trọng ngoài mà còn có tải ngang gây ảnh hưởng trượt của khối đất đắp Xét điều kiện cụ thể trong trường hợp nền đất cứng thì khối đắp ở vùng trung tâm không trượt Trượt chỉ xuất hiện ở khối mái dốc Tại đáy mái dốc dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối đắp gây ra ứng suất tiếp gây trượt ngang, trong khi đó ở vùng trung tâm gần như chỉ xuất hiện khi ứng suất pháp gây thay đổi thể tích (trạng thái nén chặt) Tiêu chuẩn Anh [12] cho phép xác định giới hạn trượt ngang và bắt buộc sự phù hợp giữa vải địa kỹ thuật trong nền đắp có cường độ kéo theo chiều cao đắp

1.4 Sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp không xử lý cọc

1.4.1 Sự phân bố ứng suất tiếp, ứng suất pháp

1.4.2 Ảnh hưởng biến dạng ngang do sự phân bố ứng suất cắt

Để tính toán biến dạng ngang

trong đất đắp trên nền đất yếu

không có vải Chuyển vị ngang

tại đáy nền đất đắp do ứng suất

tiếp gây ra

Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất lên vải theo Tolke

(1990)

Sự phân bố ứng suất cắt được mô tả trong hình 1.5 gây ra chuyển vị theo phương ngang của nền đất yếu theo [13] và Geduln/Vollmert (2005) Ảnh hưởng biến dạng ngang do ứng suất cắt trên nền đắp đã được phân tích cho thấy tại trục tâm của nền đất đắp ứng suất tiếp bằng 0, ứng suất tiếp sẽ tăng dần đến đỉnh mái dốc và đạt cực đại tại đây sau đó giảm dần và trở về tâm trục của khối đất đắp

1.4.3 Áp lực đất trong khối đắp trên nền không có cọc

Nền đất đắp có sử dụng vải địa kỹ

thuật trên nền đất yếu không kết

hợp cọc Tải trọng của đất đắp sẽ

truyền lên nền đất yếu bên dưới

thông lớp vải địa kỹ thuật tạo sự

phân bố lại ứng suất làm nền lún

đều, giảm lún lệch (hình 1.7) Hình 1.7 Lực kéo căng của vải trên nền yếu không

khối đất đắp, cọc được hạ vào

trong nền đất yếu kết hợp vải địa

kỹ thuật để phân bố tải trọng lên

cọc (Hình 1.8) Theo [14], [15],

[16] vải địa kỹ thuật chịu hết toàn

bộ tải trọng ngang và chuyển vị

1.6 Ứng xử của cọc bê tông cốt thép dưới nền đất đắp

1.6.1 Phần tử cọc

Đặc trưng chủ yếu của cọc trong nền đất yếu là tăng độ bền và tăng ứng suất bền trong đất dưới tác dụng lực phân bố ngang được chuyển tiếp từ nền đắp Độ lún của nhóm cọc và nền bên ngoài được nêu ra trong tiêu chuẩn Anh [12]

1.6.2 Ứng suất và chuyển vị ngang của cọc biên

Áp lực ngang trên mái dốc nền đắp gây ra lực ngang và ứng suất ngang trên cọc biên Ứng suất ngang tác dụng lên cọc phụ thuộc chủ yếu vào tương quan độ cứng giữa cọc và đất Ngoài ra còn có những nhân tố tương quan khác bao gồm

độ sâu của cọc và chiều dày lớp sét yếu theo [16]

1.7 Đặc điểm sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền được xử lý cọc

Terzaghi đã chứng minh

mặt trượt của khối cát

bên trên thông qua mô

nhanh khối cát bên trên

sẽ trượt theo mặt a’a” và

mặt b’b” dạng thẳng

đứng hợp góc với mặt

ngang một góc 900 như

hình 1.18 [22]

Hình 1.17 Dạng cung trượt trong khối đắp khi cửa sập dịch

chuyển nhỏ theo Terzaghi

Hình 1.18 Dạng cung trượt trong khối đắp khi cửa sập dịch

chuyển lớn theo Terzaghi

1.7.1 Sự chuyển tiếp tải

Tải trọng ngoài và trọng

lượng bản thân đất đắp

truyền xuống nền đất yếu

bên dưới thông qua lớp

vải địa kỹ thuật Trên vải

địa kỹ thuật sẽ có sự phân

bố lại ứng suất (hình

1.24) Hình 1.24 Sự truyền tải (trọng lượng bản thân, tải trọng ngoài)

lên nền đất yếu xung quanh cọc (Li, 2002)

1.7.2 Các nhân tố trong đệm cát

Trong nền đất yếu xử lý cọc dưới lớp vải địa kỹ thuật có đất đắp Vải sẽ bị căng

do tải trọng ngoài và trọng lượng bản thân đất đắp Vải có tính mềm, dẻo nên

dưới tác dụng tải trọng (tải trọng ngoài và trọng lượng bản thân đất đắp) sẽ làm

cho vải căng tạo thành cung vòm trong đất

1.8 Nhận xét chương

- Các kết quả nghiên cứu trên đều dựa theo phương pháp phân tích mô hình thu

nhỏ Marston và Anderson, mô hình cửa sập của Terzaghi, MC Nulty mà chưa

xây dựng mô hình thực vì tỷ lệ mô hình thay đổi sẽ ảnh hưởng nhiều đến kết quả

- Các kết quả phân tích hiệu ứng vòm đều dựa trên giả thuyết cọc không chuyển

vị đứng (do hạn chế kích thước mô hình), nhưng thực tế cọc chịu tải công trình

sẽ gây ra chuyển vị nhỏ Điều này sẽ ảnh hưởng nhiều đến tính hiệu quả của

cung vòm, cũng như sẽ ảnh hưởng đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc.Các mô

hình thí nghiệm chủ yếu thay thế đất sét yếu là than bùn nên khi sử dụng kết

quả trong tính toán thiết kế chưa phù hợp với điều kiện đất sét yếu Việt Nam

nói chung và Đồng bằng sông Cửu Long nói riêng Tất cả các kết quả nghiên

cứu đều dựa vào kết quả thí nghiệm mô hình thu nhỏ trong phòng Chưa đánh

giá được ảnh hưởng của hiệu ứng cung vòm thay đổi như thế nào dưới những

tác động của biến đổi khí hậu như triều cường tăng cao hoặc mưa bão kéo dài

gây ngập úng cục bộ trong các công trình xử dụng giải pháp nền móng này

Vấn đề này sẽ được Luận án tập trung nghiên cứu và làm sáng tỏ

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN ĐẦU CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

2.1 Giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

2.1.1 Giới thiệu về giải pháp và mục tiêu nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự

phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất đắp và nền đất yếu có xử

lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

Cải tạo đất yếu và kỹ thuật gia tải đã phát triển trong suốt nhiều thập kỷ qua ở Việt Nam, được thể hiện qua việc gia tăng số lượng công trình trên đất yếu cần

có giải pháp cải tạo đạt hiệu quả kinh tế Một trong những vấn đề rất khó xử lý

ở đường dẫn vào cầu đắp cao trong vùng đất yếu là độ chênh lệch lún của mố cầu đặt trên cọc và phần đường đắp trên nền tự nhiên hoặc nền đã được gia cố bằng các giải pháp nhưng vẫn còn lún nhiều Giải pháp triệt để thường được sử dụng là kéo dài chiều dài cầu để giảm chiều cao đất đắp hoặc sử dụng hệ giảm tải bằng các bản bê tông cốt thép đặt trên nền cọc bê tông cốt thép gánh đỡ đường đất đắp

2.1.2 Đặc điểm tính toán cọc

Đất yếu không thể tiếp nhận tải trọng ngoài (tải trọng vật liệu san lấp, tải trọng công trình…) vì nền sẽ bị lún và phá hoại Cọc bê tông cốt thép trong nền đất yếu sẽ tiếp nhận tải trọng ngoài Cọc có thể thi công bằng phương pháp đóng hoặc ép, có thể sử dụng cọc có tiết diện 15x15cm ÷ 30x30cm hoặc cọc tròn đường kính 20cm ÷35cm, tuy nhiên có thể sử dụng cọc có đường kính đến 60cm Trong trường hợp nền đất yếu bên dưới có chiều dày lớn ≥ 40m thì cọc

có thể thiết kế theo dạng cọc treo, nhưng tốt nhất để đạt hiệu quả cao trong xử

lý thì cọc nên cắm vào lớp đất tốt bên dưới Giải pháp này xem như kém hiệu quả trong nền đất yếu có chiều dày ≥ 40m Cọc có thể sử dụng tiết diện bản thân hoặc có thể mở rộng đầu cọc tạo thành bệ Theo báo cáo của Syawal Satibi năm 2007 viện nghiên cứu địa kỹ thuật IGS đại học Stuttgart (Đức) tỷ diện tích cọc bê tông cốt thép chiếm chỗ trong đất yếu đạt hiệu quả trong giải pháp xử lý

là 4% ÷22% [32]

2.1.3 Đặc điểm tính toán vải địa kỹ thuật

Đất đắp trên nền xử lý cọc được gia cường vải địa kỹ thuật hoặc lưới địa kỹ thuật Vải địa kỹ thuật tạo mặt phẳng và bao trùm cả hệ cọc, nhận tải trong ngoài trực tiếp truyền lên đầu cọc Thực tế vải địa kỹ thuật sử dụng nhiều loại khác nhau với các khả năng kéo căng của vải khác nhau từ 20÷110kN/m Có thể sử dụng nhiều lớp tùy thuộc vào loại công trình, tải trong và cốt liệu đắp Thông thường trong thiết kế thường sử dụng từ 1÷3 lớp [34]

2.2 Lý thuyết về sự phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất đắp trên nền đất yếu có xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

2.2.1 Định nghĩa cung vòm

Trong vùng biên của khối đắp chịu sự gánh đỡ của khối đất bên trên, đất có khuynh hướng dịch chuyển ra xa trong khi phần còn lại vẫn không chuyển dịch Trong vùng chuyển tiếp giữa khối đất dịch chuyển và khối đất đứng yên, ứng suất cắt được phát triển do tương quan chuyển vị giữa hai khối đất Khi lực cắt

có khuynh hướng giữ khối đất đứng yên, ứng suất có giá trị bé ở dưới đỉnh và ứng suất có khuynh hướng gia tăng ở phần ngoài Sự chuyển tiếp ứng suất từ điểm đỉnh của khối đất xuống bên dưới là do ảnh hưởng hiệu ứng cung vòm và cung vòm trong đất được bao trùm, theo Terzaghi (1943) [21]

2.2.2 Cơ chế hình thành cung vòm

Theo Terzaghi (1943), cung vòm xuất hiện khi có sự duy chuyển giữa các hạt theo phương ngang hoặc phương đứng trong giới hạn của khối đất Cung vòm chỉ được duy trì bởi ứng suất cắt trong đất Nó không xuất hiện liên tục như những trường hợp ứng suất khác trong đất Nghiên cứu về sự phân bố ứng suất trên mô hình cửa sập được thực hiện bởi Terzaghi (1943) Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện sử dụng điều kiện cân bằng biến dạng của cửa sập dựa trên góc tam giác của một thùng chứa đầy cát [21]

2.2.3 Lý thuyết cung vòm

Terzaghi (1943), đã đề nghị và giải phương trình cân bằng dựa trên mô hình cửa sập, đồng thời đã vẽ đường ứng suất đứng trong cát đắp trong trường hợp

có hiệu ứng vòm và không có hiệu ứng vòm dựa trên quan hệ giữa hệ số tải trọng (P/γH) và tỷ số hình dạng (H/B) [21]

có ảnh hưởng hiệu ứng vòm tải trọng bản thân và tải trọng ngoài sẽ truyền trực tiếp lên nền đất yếu bên dưới, gây ảnh hưởng lún nền lớn dẫn đến phá vỡ kết cấu bề mặt bên trên Dưới tác dụng của hiệu ứng cung vòm, lớp cát đắp sẽ làm thay đổi phương và độ lớn của tải trọng bản thân và tải trọng ngoài truyền lên nền đất yếu Bằng những nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng lý thuyết phân

bố tải trọng hay lý thuyết cung vòm trong giải pháp xử lý nền này [39],[40]

Cơ sở lý thuyết phát triển

dựa trên kết quả phân tích

của Bolton (1979) như

hình 2.6 Hewlett và

Randold (1998) đã đánh

giá tính hiệu quả của giải

pháp dựa trên tỷ diện tích

của đất yếu và cọc Hình 2.6 Phân tích lực tác dụng trên phần tử cung vòm [37]

2.2.5 Phân tích ảnh hưởng của vải địa kỹ thuật gia cường

Theo Jones (1990), ứng xử của vải địa kỹ thuật trên đầu cọc là do lực kéo căng được gây ra bởi ứng suất kéo trong vải dưới tác dụng của tải trọng đắp, tải trọng đắp càng lớn lực kéo căng trong vải càng tăng Độ võng theo phương đứng của vải phụ thuộc vào cấp tải trọng và trọng lượng bản thân của khối đất đắp [31]

Theo Fluet (1986), lực

kéo căng của vải địa

kỹ thuật được thể hiện

trong hình 2.15

Hình 2.15 Cơ chế hình thành lực kéo căng của vải dưới tác dụng

của tải trọng ngoài [31]

2.2.6 Các thông số đánh giá mức độ cung vòm

Mức độ cung vòm trong cát đắp hoặc sự chuyển tiếp tải trọng đứng trong cọc được tính toán theo phương pháp giải tích dựa vào các thông số sau [35], [37], [43]: Hệ số tập trung ứng suất cọc, CSR (Concentration Stress Ratio), Hệ số giảm ứng suất đất, SRR (Stress Reduction Ratio), Hệ số tập trung ứng suất, n và

E (Stress Concentration Ratio)

2.3 Nhận xét chương

Sự có mặt của cọc trong nền xử lý gây tác dụng phân bố lại ứng suất trong khối đắp Ứng suất tập trung lên đầu cọc hình thành do sự dịch chuyển không đồng đều của đất nền trong khối đắp hình thành các mặt trượt khác nhau từ mặt nghiêng, mặt trượt đứng và dạng vòm tròn theo các giả thuyết khác nhau Việc ứng dụng tính toán thiết kế giải pháp xử lý nền bằng cọc BTCT kết hợp với vải địa kỹ thuật trong điều kiện địa chất Việt Nam nói chung và Đồng bằng Sông Cửu Long nói riêng còn nhiều khó khăn Do đó khi tính toán theo phương pháp giải tích cần phải có giải pháp kiểm chứng kết quả tính toán tránh những rủi ro xấu trong thiết kế vì mức độ ảnh hưởng hệ số cung vòm phụ thuộc vào nhiều thông số khác nhau như chiều cao đắp, bề rộng cọc, khoảng cách cọc, thành phần hạt của loại đất đắp, cường độ, sức căng vải địa kỹ thuật, độ lún của đất yếu, độ lún của cọc BTCT