ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ổn ĐỊNH và ỨNG DỤNG cọc vật LIỆU rời để xử lý nền đất yếu ở KHU vực PHÍA NAM

DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC PHÍA NAMTóm tắt: Luận văn tập trung vào nghiên cứu lịch sử, biện pháp thi công, quản lý chất lượng và các phương pháp thiết kế của bi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-LÊ HỒNG QUANG

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ HỒNG QUANG

Ngày, tháng, năm sinh: 25/11/1979

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

MSHV: 11090324Nơi sinh: Bình Định

Mã số: 605860

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC PHÍA NAM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến phương pháp cọc vật liệu rời

Tính toán ứng dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền đất yếu cho bãi chế tạo So sánh phương pháp tính toán lý thuyết và kết quả quan trắc

Tính toán bài toán công trình đắp trên nền đất yếu điển hình phía Nam được xử lý bằng cọc vật liệu rời So sánh đánh giá hiệu quả với các phương pháp xử lý nền khác Mô phỏng ứng xử nền được xử lý bằng cọc vật liệu rời

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02 – 07 – 2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 – 11 – 2012

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI TRƯỜNG SƠN

Tp HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012

TRƯỞNG KHOA KTXD

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Đánh giá khả năng ổn định và ứng dụng

cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu ở khu vực phía Nam” được thực hiện với kiến

thức tác giả thu thập trong suốt quá trình học tập tại trường Cùng với sự cố gắng củabản thân là sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đìnhtrong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Chân thành cám ơn PGS.TS Võ Phán, thầy là động lực và là tấm gương to lớngiúp tôi phấn đấu trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Địa Cơ – Nền Móng, những người đãcho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập và côngtác

Xin gửi lời cảm ơn đến các học viên chuyên ngành Địa Kỹ thuật Xây Dựng khóa

2011, những người bạn đã đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Bùi Trường Sơn, người thầy đãnhiệt tình hướng dẫn, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn đến công ty TNHH Nền Móng Keller Việt Nam, nơi tôi côngtác, đã tạo điều kiện rất nhiều về thời gian để tôi hoàn thành quá trình học tập

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã động viên và tạo điều kiện tốtnhất cho tôi tinh thần và thời gian trong những năm tháng học tập tại trường

Luận văn được hoàn thành nhưng không thể tránh được những thiếu sót và hạnchế Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp đểluận văn được hoàn thiện hơn

Học viên

Lê Hồng Quang

DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC PHÍA NAM

Tóm tắt:

Luận văn tập trung vào nghiên cứu lịch sử, biện pháp thi công, quản lý chất lượng

và các phương pháp thiết kế của biện pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời Ápdụng tính toán thiết kế và thi công công trình thực tế tại Việt Nam, thí nghiệm hiệntrường được thực hiện để kiệm tra và đánh giá độ ổn định của nền và độ tin cậy củaphương pháp Việc tính toán xử lý nền đất yếu điển hình dưới công trình đắp sử dụngcác phương pháp xử lý nền khác nhau đã được thực hiện và so sánh với phương phápcọc vật liệu rời nhằm đưa ra cái nhìn tổng quan về tính hiệu quả của phương pháp cọcvật liệu rời trong điều kiện địa chất khu vực phía Nam

EVALUATION OF STABILITY AND APPLICABILITY OF STONE COLUMNS TO IMPROVE THE SOFT SOIL IN SOUTHERN

REGION

Abstract:

The thesis concentrates on studying of history, construction method, qualitycontrol system and design methods of ground improvement using stone columns orgranular pile method An actual project in Vietnam was calculated and constructed,the field test was carried out to check and evaluate the ground stability and thereliability of this method The calculation of treatment using various groundimprovement techniques for a typical soft soil profile under an embankment wascarried out and compared with stone columns method in order to have a general view

region.

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 3 1.1 Các phương pháp xử lý nền 3

1.1.1 Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước 3

1.1.2 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước 5

1.1.3 Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không 7

1.2 Các phương pháp gia cường 8

1.2.1 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi 8

1.2.2 Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật 12

1.3 Các phương pháp phân bố lại ứng suất 14

1.3.1 Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát 14

1.3.2 Xử lý nền bằng bệ phản áp 15

1.4 Nhận xét và phương hướng của đề tài 16

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI DÙNG ĐẦM RUNG SÂU 17

2.1 Giới thiệu và lịch sử của công nghệ đầm rung sâu 17

2.2 Công nghệ cọc vật liệu rời (cọc đá) 18

2.2.1 Các loại đất nền phù hợp để gia cố bằng cọc vật liệu rời 19

2.2.2 Qui trình thi công 19

2.2.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống máy đầm rung và các thiết bị phụ trợ cho công tác thi công cọc đá 23

2.2.4 Quản lý chất lượng thi công trong phương pháp cọc vật liệu rời 25

2.2.5 Ứng dụng và hạn chế 26

2.3 Nhận xét chương 27

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CỌC VẬT LIỆU RỜI 28

3.1 Khái niệm về phần tử đơn vị trong cọc vật liệu rời 28

3.2 Cơ chế phá hoại 30

3.2.1 Cơ chế phá hoại của cọc đơn 30

3.2.2 Cơ chế phá hoại của nhóm cọc 31

3.3 Phương pháp thiết kế sức chịu tải cực hạn 32

3.3.1 Sức chịu tải cực hạn cho cọc đơn riêng lẻ 32

3.3.2 Sức chịu tải cực hạn cho nhóm cọc 34

liệu rời 35

3.4.1 Phương pháp giải tích 35

3.4.2 Phương pháp cân bằng 37

3.4.3 Phương pháp thực nghiệm 38

3.4.4 Phương pháp gia tăng (Gouhnour và Bayuk, 1979) 39

3.5 Ổn định mái dốc của khối nền gia cố 39

3.6 Phương pháp Priebe (1995) 41

3.7 Nhận xét chương 43

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI 45

4.1 Hiệu quả xử lý nền bằng cọc vật liệu rời ở công trình bãi chế tạo giàn khoan dầu khí ở Vũng Tàu 45

4.1.1 Điều kiện địa chất của công trình và nhiệm vụ thiết kế 45

4.1.2 Tính toán ổn định và biến dạng theo phương pháp Priebe 50

4.2 Đánh giá khả năng ổn định nền đất yếu được xử lý bằng các phương pháp khác nhau và hiệu quả của phương pháp xử lý bằng cọc vật liệu rời 61

4.2.1 Điều kiện địa chất công trình tổng thể và đặc điểm công trình đắp 61

4.2.2 Các giải pháp xử lý nền 64

4.2.3 Tính toán cọc vật liệu rời bằng phương pháp phần tử hữu hạn 71

4.3 Kết luận chương 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 1

Phụ lục A: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng cọc đất trộn xi măng 1

Phụ lục B: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng sàn giảm tải 3

Phụ lục C: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải trước 6

Phụ lục D: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng cọc đá 10

Hình 1.1 Nền được xử lý bằng giếng cát 4

Hình 1.2.a Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều 4

Hình 1.2.b Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vuông 5

Hình 1.3: xử lý nền bằng bấc thấm 6

Hình 1.4 Mặt cắt ngang tương đương của bấc thấm 6

Hình 1.5a Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình tam giác đều 7

Hình 1.5b Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình vuông 7

Hình 1.6 Mô hình xử lý nền bằng bơm hút chân không 8

Hình 1.7 Mô hình xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi 9

Hình 1.8a Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn khô 10

Hình 1.8b Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn ướt 10

Hình 1.9: Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp trong nhóm cọc đất - xi măng 12

Hình 1.10 Sơ đồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp. 13

Hình 1.11 Sơ đồ xử lý nền bằng đệm cát 15

Hình 1.12.Sơ đồ bố trí bệ phản áp 15

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả trình tự thi công cọc đá bằng phương pháp ướt 20

Hình 2.1a Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp ướt 20

Hình 2.2 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khô bằng trọng lượng và lực rung 21 Hình 2.2 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khô bằng lực kéo và lực rung 21

Hình 2.3 Sơ đồ thi công cọc đá bằng phương pháp khô 22

Hình 2.4 Sơ đồ thi công cọc đá dưới nước 23

Hình 2.5 Chi tiết và nguyên lý làm việc của máy đầm rung 23

Hình 2.6 Kích thước và hình thức các loại đầm rung 24

Hình 2.7 Thiết bị đo kiểm tra chất lượng hiện trường của cọc đá 25 Hình 2.8 Ghi nhận kết quả và đánh giá chất lượng quá trình thi công cọc vật liệu rời26

Hình 3.2 Mô hình phần tử đơn vị 29

Hình 3.3: Sơ đồ phân bố ứng suất lên nền gia cố cọc vật liệu rời 29

Hình 3.4 Cơ chế phá hoại của cọc đơn trong đất yếu đồng nhất 31

Hình 3.5 Cơ chế phá hoại của nhóm cọc vật liệu rời 32

Hình 3.6 Cọc đá dưới tải móng hình băng và tải trọng đều khắp 33

Hình 3.7 Sơ đồ phân tích sự làm việc của nhóm cọc 34

Hình 3.8 Phương pháp Van Impe và De Beer 36

Hình 3.9 Biểu đồ phương pháp Van Impe và De Beer 36

Hình 3.10 So sánh độ lún tính toán và hiện trường (Aboshi) 38

Hình 3.11 So sánh phương pháp Greenwood và phương pháp cân bằng 39

Hình 3.12 Phương pháp sức chống cắt trung bình 40

Hình 3.13 Biểu đồ tính toán hệ số gia cố theo Priebe 42

Hình 3.14 Biểu đồ tính toán (A/Ac) khi xem xét tính nén lún của cọc đá 42

Hình 3.15 Biểu đồ tính toán hệ số ảnh hưởng độ sâu fd 43

Hình 4.1 Bản đồ địa chất công trình khu vực dự án 47

Hình 4.2a: Biểu đồ sức kháng mũi đơn vị từ thí nghiệm xuyên tĩnh CPT 48

Hình 4.2b Biểu đồ kết quả thí nghiệm xuyên động DPT 49

Hình 4.3 Hình ảnh thí nghiệm nén tĩnh bàn nén ở hiện trường công trình Biển Đông 59 Hình 4.3 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún 60

Hình 4.4 Biểu đồ độ lún theo thời gian của từng cấp tải 60

Hình 4.5 Mặt cắt ngang điển hình của khối đất đắp 62

Hình 4.6 Góc lệch trong khối đắp 64

Hình 4.7 Mặt cắt ngang điển hình của cọc xi măng đất 65

Hình 4.8 Mặt cắt ngang điển hình của sàn giảm tải 66

Hình 4.9 Mặt cắt điển hình của bấc thấm và gia tải trước 67

Hình 4.10 Mặt cắt ngang điển hình của nền xử lý cọc đá 69

Hình 4.12 Phân bố ứng suất lên cọc vật liệu rời và nền đất yếu khi đặt tải ngắn hạn 72

Hình 4.13 Phân bố ứng suất lên cọc vật liệu rời và nền đất yếu khi đất nền đạt độ lún ổn định 72

Hình 4.14 Phân bố độ lún trong nền đất khi đất nền đạt độ lún ổn định 73

Hình 4.15 Phân bố độ lún của nền ngay sau khi đắp tải. 73

Hình 4.15 Độ lún của nền theo thời gian dưới tải trọng đắp 74

Bảng 4.1: Tổng hợp các lớp đất 47

Bảng 4.2 Tính toán ổn định cho lớp đất F dưới tác dụng tải trọng 500 KPa 51

Bảng 4.3 Tính toán ổn định cho lớp đất 1 dưới tác dụng tải trọng 500 KPa từ mặt đất 52 Bảng 4.4 Tổng hợp thông số sức chống cắt tương đương của nền đất sau khi gia cố 54

Bảng 4.5 Kết quả tính toán khả năng chịu tải của lớp đất F sau gia cố dưới tác dụng tải trọng 500 KPa 55

Bảng 4.6 Kết quả tính toán khả năng chịu tải của lớp đất 1 sau khi gia cố cọc vật liệu rời dưới tác dụng tải trọng 500 KPa từ mặt đất 56

Bảng 4.7 Hệ số gia cố của từng lớp đất 57

Bảng 4.8 Kết quả nén cố kết của mẫu sét 57

Bảng 4.9 Kết quả dự tính độ lún dưới tác dụng của tải trọng ngoài cho nền chưa gia cố 58 Bảng 4.10 Các giá trị tính toán trung gian cho lưới cọc 1,7m x 1,7m 58

Bảng 4.11 Bảng tóm tắt cấu tạo địa chất đặc trưng tại khu vực dự định xử lý nền 62

Bảng 4.12 Tóm tắt đặc trưng cơ lý các lớp đất 63

Bảng 4.13 Các thông số mô hình trong Plaxis 71

Bảng 4.14 Tổng hợp và so sánh các phương án xử lý nền cho công trình đắp 75

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa thực khoa học và thực tiễn của đề tài

Đất sét mềm bão hòa nước là một trong các loại đất có thành phần trạng thái và tínhchất đặc biệt Để xây dựng công trình ở khu vực có loại đất này, nhất thiết phải có cácbiện pháp xử lý nền móng để đảm bảo điều kiện làm việc ổn định Thực vậy, độ lún củacông trình trên nền đất sét mềm bão hòa nước thường có giá trị lớn và gây mất ổn định,không đảm bảo điều kiện sử dụng công trình, đặc biệt là các công trình cơ sở hạ tầnggây tải trọng trực tiếp lên đất sét mềm bão hòa nước

Cho đến những năm đầu thế kỷ này, ở nước ta nói chung và các tỉnh thành phía Namnói riêng, biện pháp xử lý nền thường được lựa chọn là bấc thấm hay giếng cát kết hợpgia tải trước hoặc bơm hút chân không, cột đất trộn xi măng để gia cường hay cọc bêtông cốt thép với công trình có tải trọng lớn Việc xử lý nền bằng cọc vật liệu rời đãđược nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng nhiều nơi trên thế giới từ lâu nhưng áp dụngtrong thực tế tại nước ta chưa nhiều Trong những năm 80 của thế kỷ trước, việc nghiêncứu cọc vật liệu rời (cọc cát) để xử lý nền đất yếu được GS Hoàng Văn Tân đề cập đếntrong tài liệu của mình và một số bài giảng ở bậc cao học Do đó, việc nghiên cứu ứngdụng cọc vật liệu rời cho công trình cụ thể ở khu vực phía Nam là việc làm cần thiếtgiúp bổ sung, hoàn chỉnh các phương pháp xử lý nền tùy theo điều kiện cấu tạo địa chấtcủa từng khu vực cụ thể

Kết quả nghiên cứu này có thể giúp các kỹ sư và các nhà quản lý xây dựng có thêmnhững chọn lựa phương pháp xử lý nền thích hợp với điều kiện công trình cụ thể cũngnhư rút ngắn tiến độ xây dựng

Thực tế, phương pháp sử dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu thường có thờigian thi công ngắn, chất lượng thi công được kiểm soát chặt chẽ, giá thành tương đốihợp lý so với các phương pháp khác như cột đất trộn xi măng hay cọc bê tông cốt thép

Do đó, cọc vật liệu rời có thể là phương pháp đáng để xem xét đánh giá và nghiên cứutrong quá trình thiết kế và lập dự án đầu tư

Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu về công nghệ thi công cọc vật liệu rời sử dụng đầm rung sâu Lịch

sử hình thành, biện pháp thi công, quản lý chất lượng

Tổng hợp các phương pháp tính toán thiết kế cọc vật liệu rời được áp dụng trên thế giới.

Áp dụng tính toán, thi công và kiểm tra chất lượng cho công trình thực tế theo điều kiện địa chất khu vực Kết quả được so sánh với kết quả quan trắc

Ngoài ra, việc đánh giá ứng xử ứng suất – biến dạng của nền được xử lý bằng cọc vật liệu rời còn được thực hiện bằng cách mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D

Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến phương pháp cọc vật liệu rời Nghiên cứu các ứng dụng thực tế của phương pháp này cho các công trình thực cụ thể thông qua các kết quả nghiên cứu đã có

Trên cơ sở lý thuyết có xét đến điều kiện thực tế tại Việt Nam, tiến hành tính toán

áp dụng cho công trình cụ thể sử dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền đất yếu So sánh phương pháp tính toán lý thuyết và kết quả quan trắc

Trên cơ sở lựa chọn cấu tạo địa chất điển hình của khu vực phía Nam, tiến hành tính toán bài toán công trình đắp trên nền đất yếu được xử lý bằng cọc vật liệu rời Cùng với đó, việc mô phỏng bằng phần tử hữu hạn cho bài toán này cũng sẽ được tiến hành nhằm so sánh đánh giá kết quả tính toán dựa trên phương pháp giải tích

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

NỀN ĐẤT YẾU

Do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, mức độ biến dạng lớn nên cần thiết phải có cácbiện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình bên trên Đối với công trình đường vàcông trình đắp ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm 2 nhómchính:

Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, trộn ximăng, silicat 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 Trong điều kiện thực tế ở Việt nam, các biện pháp vải địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng nhiều nhất

Các biện pháp xử lý thường được áp dụng như giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tảitrước hoặc bơm hút chân không Trường hợp này, thời gian cố kết được rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa vào sử dụng công trình Ngoài ra, việc chọn lựa chiều cao đắp hay bố trí kích thước công trình hợp lý cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều kiện làm việc ổnđịnh Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp này là: Đệm cát, làmxoải mái taluy, bệ phản áp

1.1 Các phương pháp xử lý nền

1.1.1 Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước

Để rút ngắn thời gian cố kết, người ta thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng,giếng cát là một trong những dạng đó

Với hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét, khi bố trí giếng cát trong nền đất vàkết hợp gia tải, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, nước lỗ rỗng trong đất nền thấm vềhướng giếng cát rồi sau đó thoát nhanh theo phương đứng ra khỏi nền đất Áp lực nước

lỗ rỗng thặng dư tiêu tán và đất nền nhanh đạt đến độ lún ổn định để khi công trình đượcđưa vào sử dụng thì độ lún còn lại không đáng kể

Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước thường có ba

bộ phận chính: lớp đệm cát, giếng cát, tải trọng tạm (hình 1.1) - Lớp đệm cát

+ Ngồi chức năng phân bố lại ứng suất trong đất nền do ứng suất tập trung vào lớpcát thay thế, lớp đệm cát đĩng vai trị như lớp đệm thốt nước Nước lỗ rỗng trong đất bịnén ép bởi tải trọng khối đắp gia tải bên trên sẽ thốt hướng về giếng cát, từ các giếngcát nước lỗ rỗng này theo mơi trường cát trong giếng (cĩ tính thấm tốt) thốt về phíađệm cát, đệm cát dẫn nước thốt ngang và tiêu tán ra ngồi.

Đệm cát thoát nước 1:

n Tải trọng tạm

Hình 1.1 Nền được xử lý bằng giếng cát

- Các thơng số của giếng cát

+ Thường dùng cát hạt thơ, hạt trung (cĩ hệ số thấm lớn)

+ Đường kính giếng cát thường sử dụng: 0,2~0,6 m

+ Chiều sâu giếng cát bố trí hết vùng hoạt động chịu nén của nền

+ Sơ đồ bố trí giếng cát thường cĩ hai dạng chủ yếu: lưới tam giác và ơ vuơng

Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.2.a)

Giếng cát d Vùng ảnh hưởng về thoát

quanh Giếng cát nước xung

1 1

* S

S Khoảng cách lưới Giếng cát

Hình 1.2.a Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều

Dạng lưới hình vuơng (như trong hình 1.2.b)

Giếng cát d Vùng ảnh hưởng về thoát

quanh Giếng cát nước xung

1.05*S

S Khoảng cách lưới Giếng cát

Hình 1.2.b Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vuơng

Cĩ khá nhiều phương pháp tính tốn khác nhau cho bài tốn dự báo độ lún của nềnđất yếu xử lý giếng cát kết hợp gia tải trước Tổng quát lại, các giá trị cần tính tốn là:

Độ lún cố kết cuối cùng (Sf ) giá trị độ lún khi mà áp lực nước lỗrỗng thặng dư trong đất nền bị tiêu tán hồn tồn

Độ lún theo thời gian (St )

St = Ut * Sf

Với:

Ut –Mức độ cố kết theo thời gian, thường được tính theo cơng thức:

Ut = 1-(1-Uv)*(1- Uh)Trong đĩ:

Uv - Độ cố kết trung bình do thốt nước theo phương đứng

Uh - Độ cố kết trung bình do thốt nước theo phương ngang

1.1.2 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước

Tương tự như giếng cát bấc thầm đứng cĩ hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đấtsét Khi bố trí bấc thấm trong nền đất và kết hợp gia tải, nhờ tải trọng ngồi, nước lỗrỗng trong đất nền thấm về hướng bấc thấm rồi sau đĩ thốt nhanh theo phương đứng rakhỏi đất nền

Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cũng gồm baphần chính như hình 1.3

- Lớp đệm cát và tải trọng tạm tương tự như hệ thống xử lý bằng giếng cát kết hợp gia tải trước.

Đệm cát thoát nước

Hình 1.3: xử lý nền bằng bấc thấm

- Bấc thấm:

+ Quá trình thi cơng bấc thấm nhanh nếu cĩ máy thi cơng chuyên dụng

+ Cũng như giếng cát, bấc thấm chỉ nên sử dụng khi cĩ mặt bằng rộng

+ Khi cắm bấc thấm xuống độ sâu lớn thì khả năng thốt nước của bấc thấm sẽ giảm

đi do giảm tiết diện ngang của bấc thấm, do các hạt nhỏ tích vào lịng bấc thấm khi quađược màng lọc Trong cơng trình đường, vùng hoạt động chịu nén thường khơng quá lớnnên bấc thấm kết hợp gia tải trước vẫn được sử dụng khá rộng rãi

+ Để tiện cho việc tính tốn, xem mặt cắt ngang của bấc thấm tương đương cĩ dạng hình trịn đường kính dw Theo Rixner và Hansbo, dw được tính như sau:

+ Bấc thấm được bố trí theo sơ đồ tương tự như giếng cát, thường cĩ hai dạng như hình 1.5a và 1.5b.

Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.5a)

Bấc thấm d w Vùng ảnh hưởng về thoát

nước xung quanh Bấc thấm 1.13*S

S Khoảng cách lưới Bấc thấm

Hình 1.5a Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình tam giác đều

Dạng lưới hình vuơng (như trong hình 1.5b)

Bấc thấm d w Vùng ảnh hưởng về thoát

nước xung quanh Bấc thấm

05*S1.

S

S Khoảng cách lưới Bấc thấm

Hình 1.5b Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình vuơng

Phương pháp tính tốn tương tự như giếng cát nhưng được xét với các thơng số củabấc thấm

1.1.3 Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân khơng

Bơm hút chân khơng là biện pháp sử dụng áp lực của cột khí quyển (xấp xỉ100KN/m2) thay thế cho vật liệu gia tải Trong thực tế, giá trị tải trọng cĩ thể đạt được

từ bơm hút chân khơng xấp xỉ 80KN/m2

Hình 1.6 Mô hình xử lý nền bằng bơm hút chân không

Ưu thế của biện pháp này là khi bơm hút, ứng suất tác dụng vào nền đất chỉ là ứngsuất đẳng hướng, ứng suất lệch không phát sinh nên điều kiện ổn định được đảm bảo.Tuy nhiên, đây là phương pháp xử lý có yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp hơn cácphương pháp khác, thiết bị thi công chuyên dụng

Trong quá trình thi công bơm hút chân không, nếu không có biện pháp xử lý tốt cókhả năng gây nứt, lún các công trình lân cận

Nên sử dụng cho công trình có yêu cầu gấp về tiến độ

1.2 Các phương pháp gia cường

1.2.1 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi

Trước đây biện pháp xử lý đất trộn vôi đã được sử dụng nhiều trong nước Thời giangần đây, với công nghệ, thiết bị thi công du nhập từ nước ngoài vào, cộng thêm việcnghiên cứu được chú trọng nên cọc đất gia cố ximăng được sử dụng phổ biến hơn trongxây dựng công trình đắp

Cọc đất gia cố ximăng thường dùng cho các công trình chịu tải trọng lớn (đường lăn,bãi đỗ trong sân bay, bến cảng); các công trình đòi hỏi độ ổn định cao (đường đắp caođầu cầu, bãi đúc các cấu kiện lớn, nền kho bãi, ); các công trình gia cố nền trong phạm

vi nhỏ hẹp (nhà móng nông bị nghiêng lún )

Mô hình cấu tạo của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng,gia cố vôi cho đường đắp cao đầu cầu thường gặp như hình 1.7

Hình 1.7 Mô hình xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi

Hiệu quả của việc xử lý nền bằng xi măng hoặc vôi sẽ kém khi độ ẩm và hàm lượnghữu cơ gia tăng Chỉ số dẻo của đất càng lớn thì khả năng cải tạo nền càng kém Cải tạonền hữu cơ bằng ximăng hiệu quả hơn cải tạo bằng vôi Hiệu quả của xi măng sẽ giảmdần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo tăng Như vậy, độ linh hoạt của sét càng lớn thìcường độ của đất xử lý bằng xi măng càng thấp Đối với đất trộn xi măng, cường độ phụthuộc chủ yếu vào sự xi măng hoá trong quá trình thủy hợp

Có hai phương pháp trộn xi măng vào đất khi thi công cọc đất trộn xi măng:

Phương pháp trộn khô (Minh họa như hình 1.8a)

Trong phương pháp này, bột xi măng được phun vào đất qua các lỗ ở đầu ống bằng

hệ thống khí nén, sau đó bột xi măng được trộn với đất bằng cách xoay hai cánh gắn đốixứng ở đầu ống Phương pháp này không cần sử dụng nước nên không làm tăng lượngnước trong đất, vì thế việc cải tạo nền có hiệu quả hơn phương pháp trộn ướt

Hình 1.8a Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn khô

Phương pháp trộn ướt (Minh họa như hình 1.8b)

Hình 1.8b Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn ướt

Trong phương pháp trộn ướt, xi măng được trộn với nước thành một dung dịch lỏngtrước khi bơm chúng vào đất qua các lỗ ở đầu ống với áp lực khoảng 20MPa Phươngpháp này có thiết bị thi công gọn nhẹ hơn phương pháp trộn khô Tuy nhiên, phươngpháp này thường cho cọc có tiết diện không đều vì sức chống cắt của đất thay đổi theo

độ sâu trong khi áp lực phun không thay đổi Do đó khi sử dụng phương pháp trộn ướt,cần có thử nghiệm thay đổi áp lực phun phù hợp theo điều kiện địa chất công trình Đếnnay, với kinh nghiệm rút ra được từ nhiều công trình thực tế trong điều kiện địa chất khuvực, việc điều chỉnh áp lực phun đã có nhiều cải tiến Kết quả kiểm tra tại hiện trườngnhững công trình gần đây cho thấy chất lượng của cọc đất trộn xi măng

được cải thiện đáng kể nên các mẫu thử có thể đạt được cường độ cao Tuy nhiên giáthành xử lý chiếm tỷ trọng đáng kể trong xây dựng nên phương pháp này thường đượclựa chọn cho những công trình quan trọng và cần thiết như sân bay, bãi chứa có tải trọnglớn.

Tính toán cọc đất xi măng theo nguyên lý cơ bản như sau: Khả năng chịu tải củacọc xi măng phụ thuộc vào sức chống cắt của đất nền ở xung quanh cọc và sức chốngcắt của bản thân cọc Cơ chế phá hoại của đất nền phụ thuộc vào sức kháng hông và sứckháng mũi Cơ chế phá hoại của cọc phụ thuộc vào vật liệu bản thân cọc

Khả năng chịu tải theo đất nền

Q soil ( dH col 2, 25 d 2 )c

Trong đó: d – đường kính cọc; Hcol – chiều dài cọc.

cu – sức chống cắt trung bình của đất xung quanh cọc

Khả năng chịu tải theo vật liệu

Khả năng chịu tải trọng dài hạn của cọc xi măng là:

Q ult creep(0, 65 0, 80) S A2 c col

Trong đó:

A – tiết diện ngang của cọc;

S – khoảng cách giữa các cọc trong lưới ô vuông

ccol – sức chống cắt không thoát nước của cọc xi măngKhi thiết kế cọc xi măng, phải khống chế ứng suất trong cọc nhỏ hơn ứng suất từ biến trong cọc Theo Sweroad, ứng suất tác dụng lên cọc col có thể tính như sau:

Hình 1.9: Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp trong nhóm cọc đất - xi măng

Trong trường hợp nhiều cọc và khoảng cách giữa các cọc không vượt quá 1,5~2mthì cọc và đất nền giữa các cọc được xem làm việc như một khối cứng (hình 1.9) Cọctrong khối cứng giữ vai trò như cốt cứng gia cường đất nền

Độ lún lệch sẽ nhỏ nếu như ứng suất cắt trung bình trên mặt bên của khối nhỏ hơnsức chống cắt trung bình của đất nền ở xung quanh cọc

Ứng suất cắt trung bình trên mặt bên phải thoả điều kiện sau:

per 0,8W g c u

2(B L)H f c

Trong đó:

+ B, L, H – kích thước khối cọc

+ Wg – tổng tải trọng của công trình bên trên

+ cu – sức chống cắt không thoát nước trung bình của nền đất xungquanh cọc

+ fc – hệ số an toàn, f c 1,5

1.2.2 Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật

Có nhiều dạng áp dụng vải địa kỹ thuật – lưới địa kỹ thuật để gia cường nền đất.Dưới đây chúng tôi sơ lược trường hợp sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng mức độ ổn địnhcủa nền đắp trên nền đất yếu

Khi bố trí vải địa kỹ thuật giữa nền đất yếu và nền đắp (hình 1.10), ma sát giữa đấtđắp và mặt trên của vải địa kỹ thuật sẽ tạo ra lực giữ khối trượt F và nhờ đó mức độ ổnđịnh của nền đắp trên nền đất yếu tăng lên

Hình 1.10 Sơ đồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp.

(I) - vùng hoạt động (khối trượt)

(II) - vùng bị động (vùng vải địa kỹ thuật đóng vai trò neo giữ)

F – lực kéo mà vải phải chịu (T/m)

Y – cánh tay đòn của lực F đối với tâm trượt nguy hiểm nhất (O).Điều kiện cần bảo đảm trong tính toán thiết kế khi sử dụng giải pháp này là:

Fmax - cường độ chịu đứt của vải khổ 1m

k - hệ số an toàn, lấy k=2 khi vải làm bằng polieste và k =5 khi vải làm bằng polipropilen hoặc poliethilen

* Điều kiện về lực ma sát cho phép đối với lớp vải rãi trực tiếp trên đất yếu

- Tổng lực ma sát trên vải trong phạm vùng hoạt động

1 - chiều dài vải trong phạm vi vùng hoạt động

2 - chiều dài vải trong phạm vi vùng bị động

d - dung trọngđấtđắp

hi - chiều cao đắp trên vải (thay đổi từ hi=h đến hi =0).

f’- hệ số ma sát giữa đất đắp và vải cho phép dùng để tính toán,

xác định theo công thức sau:

2

f k 3 tg

Với: - góc ma sát trong của đất đắp xác định tương ứng với độ chặt thực tế của

khối đất đắp trên vải

k’- hệ số dự trữ ma sát, lấy bằng 0,66

Vải địa kỹ thuật có thể sử dụng nhiều lớp xem kẽ với các lớp vật liệu đắp dày từ15cm ~ 30cm để làm tăng lực ma sát giữa vải và nền đắp, tăng mức độ ổn định nền.Ngoài ra, sự xuất hiện của vải địa kỹ thuật làm phân bố lại ứng suất trong thân khối đắp

và trong nền đất yếu, làm giảm độ lún và độ lún lệch của công trình cũng như làm tăng

Xử lý bằng đệm cát thường dùng khi tải trọng đắp không lớn, lớp đất yếu dưới côngtrình không quá dày và có sẵn vật liệu cát tại địa phương

Vật liệu cát sử dụng làm đệm cát thường dùng cát hạt trung, hạt thô không lẫn bùnđất với yêu cầu kỹ thuật như sau:

+ Loại cát có tỷ lệ hữu cơ 5%, cỡ hạt lớn hơn 0,25 mm chiếm trên 50%, cỡ hạt nhỏ hơn 0,08 mm chiếm ít hơn 5% và phải thỏa mãn một trong hai điều kiện:

D60 - là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 60%

D30 - là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 30%

D10 - là kích cỡ hạt mà lượng chứa các cỡ nhỏ hơn nó chiếm 10%

Chiều dày đệm cát thường chọn theo kinh nghiệm, theo độ lún công trình và phải cógiá trị lớn hơn 0,5m Độ chặt đầm nén của tầng đệm cát phải đạt ít nhất là 90% độ chặtđầm nén tiêu chuẩn

Bề rộng lớp đệm cát phải bao phủ hết bề rộng ảnh hưởng của tải trọng nền tác dụnglên đất nền.

Cấu tạo đệm cát xử lý nền thường thấy như hình 1.11

Phương pháp này thi công rất đơn giản nên rất hay được sử dụng Tuy nhiên trongtrường hợp tầng đất yếu dày thì biện pháp này ít có hiệu quả Khi đó nên sử dụng kếthợp đệm cát với các biện pháp xử lý khác

Xác định kích thước bệ phản áp là vấn đề mấu chốt trong việc tính toán và thiết kế

bệ phản áp Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán kích thước bệ phản áp dựa vàocác giả thiết khác nhau và thường là những phương pháp gần đúng Khi xác định kích

thước bệ phản áp, có tác giả dựa vào sự hình thành của vùng biến dạng dẻo phát triển

ở hai bên trong nền công trình, có tác giả dựa vào giả thiết mặt trượt của nền đất códạng hình trụ tròn và cũng có tác giả tính toán theo lý luận cân bằng giới hạn để xácđịnh mặt trượt và suy ra trạng thái giới hạn của đất nền Đôi khi để đơn giản trong tínhtoán, một số tác giả dựa vào điều kiện khống chế ứng suất ngang để quyết định kíchthước bệ phản áp Trong tất cả các phương pháp kể trên thì phương pháp tính toán bệphản áp dựa vào lý luận cân bằng giới hạn, xét về mặt lý thuyết là chặt chẽ nhất

Nguyên lý của phương pháp tính toán bố trí kích thước bệ phản áp là xét sự phân bố lại ứng suất tác dụng lên nền đất

Dựa vào sự phát triển của vùng biến dạng dẻo

Dựa vào phương pháp mặt trượt trụ tròn

1.4 Nhận xét và phương hướng của đề tài

Mỗi phương pháp xử lý nền đều có ưu khuyết điểm của chúng Đối với cọc đất trộn

xi măng, mức độ biến dạng cần được kiểm soát chặt chẽ do loại vật liệu này thường bịphá hoại trong phạm vi biến dạng bé Nền được xử lý bằng giếng cát hay bấc thấm trongmột số trường hợp bị chuyển vị ngang đáng kể, đặc biệt ở khu vực có địa hình khôngbằng phẳng Cọc vật liệu rời trong trường hợp này có thể khắc phục các nhược điểm đóđồng thời vẫn giữ được ưu điểm của hai phương pháp trên Nội dung chi tiết về biệnpháp thi công, kiểm tra cũng như tính toán thiết kế cọc vật liệu rời sẽ được trình bày ởchương sau

Nhằm mục tiêu đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp cọc vật liệu rời theo

điều kiện cấu tạo địa chất của khu vực, chúng tôi chọn đề tài “Đánh giá khả năng ổn

định và ứng dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu ở khu vực phía Nam”.

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI DÙNG ĐẦM

RUNG SÂU2.1 Giới thiệu và lịch sử của công nghệ đầm rung sâu

Hơn 60 năm qua, công nghệ đầm rung sâu đã được sử dụng để gia cường nhằm giatăng khả năng chịu tải và giảm tính nén lún của nền đất yếu Đầm rung cát có lẽ làphương pháp đầm động sâu có trước nhất, phương pháp này được giới thiệu và pháttriển hoàn chỉnh bởi công ty Johann Keller vào năm 1936 Phương pháp này đã đượcnghiên cứu từ khi nó được phát minh đến trước giai đoạn trước thế chiến bởi Schneider(1938) Sau đó được nghiên cứu bởi Greenwood (1976) và Kirsch (1993)

Công nghệ đầm cát này đã được ứng dụng thành công cho nhiều dự án trên thế giới

Tuy nhiên, khi áp dụng đối với cát bão hòa nước với hàm lượng hạt bụi cao thì có thể

gây ra hiện tượng hóa lỏng Do đó, cần thời gian dài hơn để đạt được hiệu quả đầm nén,đôi khi quá trình này cũng không mang lại hiệu quả tích cực Khi đó, công nghệ này bịhạn chế về kỹ thuật kinh tế (theo Kirsch và Sonderman 2003)

Để giải quyết hạn chế của công nghệ đầm rung cát, một kỹ thuật khác được pháttriển vào năm 1956 Sau khi đầm rung được rút lên, lỗ rỗng hình trụ sẽ được lấp đầy lạibằng vật liệu rời từng đoạn một Vật liệu rời này cũng được đầm chặt bởi lực đầm rung

Kỹ thuật này về sau được gọi là cọc vật liệu rời và cho phép gia cố nhiều loại đất yếukhác nhau mà sau khi gia cố có thể sử dụng làm nền cho các công trình dân dụng, côngnghiệp và giao thông

Công nghệ bottom-feed là cho đá vào lỗ từ mũi đầm (từ dưới) đã khắc phục đượcnhược điểm của việc sập vách khi thi công cọc vật liệu rời trong đất yếu không có ốngvách Phương pháp này sau này được phát triển thành phương pháp thi công khô Bảnquyền phát minh của phương pháp này được trao vào năm 1972 Sau đó, phương phápướt tiếp tục được phát triển khi dùng nước áp lực cao phun ra từ mũi đầm Nước cùngvới bùn sét của đất nền tạo thành dung dịch có tác dụng giữ vách của lỗ đầm không bịsập

Trong đất nền quá yếu (trạng thái chảy), cọc vật liệu rời không thể áp dụng được dođất nền không cung cấp đủ sức kháng ngang cần thiết Khi đó, có thể dùng vải địa kỹthuật để bao quanh cọc vật liệu rời nhằm tăng lực căng không cho cọc bị phình ra do đấtnền quá yếu và gia tăng hiệu quả đầm chặt Phương pháp này được phát triển vào năm

1992 và được áp dụng vào đầu năm 1993 cho công trình đập ở Úc Báo cáo

của Sidak và Strauch (2003) đã tổng hợp nhiều dự án sử dụng công nghệ cọc vật liệu rời

có bao vải địa kỹ thuật

Các đề nghị sử dụng cọc vật liệu rời được đưa ra đầu tiên bởi Hiệp hội nghiên cứugiao thông của Đức năm 1979 (FGFS, 1979) Sau đó, bộ giao thông Mỹ đã ban hànhhướng dẫn “thiết kế và thi công cọc đá” (USDT, 1983) Năm 2000, tổ chức BRE đã banhành “Chỉ dẫn cọc đá” Sau cùng vào năm 2003, cộng đồng châu Âu đã ban hành “Xử

lý nền bằng kỹ thuật đầm rung sâu” (Tiêu chuẩn châu Âu WG12, 2003)

2.2 Công nghệ cọc vật liệu rời (cọc đá)

Công nghệ cọc vật liệu rời có thể áp dụng được cho hầu hết mọi loại đất trong đódùng lực đầm rung để đầm chặt cọc làm bằng vật liệu rời Có nhiều loại kỹ thuật thicông khác nhau, trong đó bao gồm:

Phương pháp ướt (vật liệu được nạp từ đỉnh)

Phương pháp khô (vật liệu được nạp từ đáy thông qua ống vách)

Phương pháp khô dưới nước

Trong những phương pháp trên, nguyên tắc thi công cơ bản là giống nhau Đầu tiên,đầm rung tạo lỗ tại vị trí cần gia cố, đá được cho xuống đáy của lỗ này Nhờ rung độngcủa máy đầm mà từng đoạn ngắn của cọc đá được đầm chặt, có đường kính lớn hơnđường kính của lỗ tạo ra ban đầu Quá trình này lặp đi lặp lại đến khi toàn bộ cọc đáđược thi công xong

Cọc đá cùng với đất nền xung quanh hình thành một khối thống nhất có tính nén lúnnhỏ và sức kháng cắt lớn Thêm vào đó, đất rời giữa những cọc đá cũng được đầm chặt,hiệu quả của cọc đá bao gồm:

Tăng cường khả năng chịu tải của nền

Giảm độ lún tổng cộng và độ lún lệch của kết cấu

Giảm nguy cơ hóa lỏng nền của cát

Tăng cường tốc độ lún cố kết, tức là rút ngắn thời gian lún cố kết

Tính linh động của vật liệu đá trong cọc đá cũng có thể cho phép nền sau khi gia cố

có thể chịu tải trọng lớn mà không bị phá hoại Tức là nền không bị phá hoại và khônghồi phục tính năng ban đầu với mức độ biến dạng lớn không như các loại vật liệu khác

có tính dòn có thể bị phá hoại với mức độ biến dạng nhỏ hơn Mức độ gia cố (giảm lún

và tăng khả năng chịu tải) do ảnh hưởng của cọc đá phụ thuộc đáng kể vào tính chất củađất nền, đường kính của cọc đá, khoảng cách giữa các cọc Hình dạng sơ đồ

bố trí lưới cọc và khoảng cách giữa các cọc được xác định căn cứ vào mức độ tải trọng,tính chất của đất nền và yêu cầu kỹ thuật (sức chịu tải, hệ số an toàn, độ lún cho phép,

…) Đường kính của cọc đá thường từ 0,7m đến 1,1m, khoảng cách giữa các cọc vớinhau từ 1,5m đến 2,5m Chiều sâu của cọc đá tùy thuộc vào đất nền hiện hữu, chiều sâuđiển hình khoảng từ 6m đến 20m Trong một vài trường hợp đặc biệt, khi lớp đất yếu có

bề dày lớn hơn thì chiều dài của cọc có thể kéo đến 30m

2.2.1 Các loại đất nền phù hợp để gia cố bằng cọc vật liệu rời

Cọc đá được ứng dụng rộng rãi do tính chất “mềm dẻo” và linh động (flexible) của

nó Cọc đá đã được ứng dụng để gia cố cho cát bột rời, đất sét mềm, đất bụi rất mềm,đất sét từ chất thải của mỏ, bùn sét và than bùn

Cát bột rời: Cát rời và bột thường dễ bị hóa lỏng khi xảy ra chấn động Điều này ảnh

hưởng đáng kể đến kết cấu công trình đặc biệt là công trình bể chứa như là bồn khí hóalỏng và các trạm hóa chất Những loại đất này có thể được làm chặt bằng cọc đá để ngănngừa nền bị hóa lỏng

Đất sét mềm (bùn sét): Bùn sét thường có sức chịu tải và độ ổn định thấp vì chúng

có sức kháng cắt rất thấp, thông thường từ 5 -10 KPa Sức kháng mũi đơn vị qc từ kếtquả thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) thông thường cũng cho kết quả rất thấp (< 200 KPa),

do đó, nền đất đôi khi không chịu được khối đắp cao 1m Cọc đá có thể sử dụng để gia

cố những loại đất này để chịu tải trọng của những khối đắp cao

Đất sét yếu ven biển: Đất sét ven biển là trầm tích tự nhiên thường thấy ở những

vùng ven biển Loại đất này có nhược điểm về sức chịu tải, độ ổn định và cố kết lâu dàibởi vì chúng có sức chống cắt rất thấp (6-12 KPa), độ nhạy cao, tính thấm thấp và tínhdẻo cao Cọc đá có thể sử dụng để tăng khả năng chịu tải, giảm thời gian cố kết

2.2.2 Qui trình thi công

Phương pháp ướt: Trong phương pháp này, nước áp lực cao được phun ra từ mũi

của đầm để trợ giúp cho quá trình tạo lỗ vào trong đất nền Qui trình thi công cọc đáđược thực hiện theo từng bước sau đây:

Đầm rung xuyên vào đất nền nhờ lực rung và nước áp lực

Khi đạt đến chiều sâu thiết kế, máy đầm được rút lên mặt đất và được thả xuống lại đến chiều sâu thiết kế để rửa bùn đất tạo lỗ hình trụ có đường kính gần bằng với đường kính máy đầm Dung dịch bùn đất do nước và đất nền tạo nên giúp ổn định vách lỗ, tránh sập vách

Đá được đưa tới miệng hố bằng xe xúc và cho phép rơi tự do xuống lỗ

Máy đầm được rút lên từ từ, đá sẽ được lấp vào những khoảng trống tại mũi đầm,máy đầm sau đó được đưa xuống lại đầm chặt phần đá vừa được lấp vào Lúc nàymáy đầm sẽ ép đá tỏa tròn và đồng thời đầm chặt đá

Quá trình này được lặp lại nhiều lần theo sự dịch chuyển lên xuống của máy đầmcho đến khi toàn bộ chiều dài cọc đá được đầm chặt Quá trình này được mô tả theo hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả trình tự thi công cọc đá bằng phương pháp ướt

Do nước được sử dụng xuyên suốt trong quá trình thi công nên nguồn nước phải gầnkhu vực thi công và cần phải có mặt bằng để tạo bể lắng cho nước bùn đất trước khi thải

ra môi trường

Hình 2.1a Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp ướt

Phương pháp khô: Đối với phương pháp khô, có hai dây chuyền công nghệ được

phát triển Đầu tiên là phương pháp dùng cẩu treo khi quá trình xuyên ban đầu nhờtrọng lượng là lực rung của máy đầm Thứ hai là dùng máy đặc thù có thể dùng lực kéoxuống để ấn máy đầm vào trong lòng đất Hai phương pháp này được mô tả trong hình2.2

Hình 2.2 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khô bằng trọng lượng và lực rung

Hình 2.2 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khô bằng lực kéo và lực rung

Đá được cung cấp tới mũi đầm rung thông qua ống vách nhờ áp lực của khí nén, quátrình thi công bằng phương pháp khô được mô tả theo những bước sau đây:

Đá được nạp đầy vào trong ống vách, máy đầm bắt đầu xuyên vào đất nền

Khi đạt đến chiều sâu thiết kế, máy đầm được rút lên khoảng 1-2m (tùy thuộc vào đất nền), áp lực khí nén sẽ tống đá ra khỏi ống vách và lấp vào lỗ trống mà đầm tạo ra.

Máy đầm sẽ ép xuống vào lớp đá vừa lấp, đầm và ép đá vào trong đất nền Quátrình thi công cọc bao gồm chuyển động lên xuống của máy đầm rung cho đếnkhi đá trong ống vách hết đi, sau đó đá lại được tiếp tục nạp vào trong ống vách.Quá trình thi công tiếp tục cho đến khi lên đến mặt đất Toàn bộ quá trình thi công được mô tả như trong hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ thi công cọc đá bằng phương pháp khô

Đá được nạp liên tục vào trong phễu nạp nhờ xúc lật bảo đảm cho cọc đá được thicông liên tục Lợi thế của phương pháp khô là không cần sử dụng nước áp lực trong suốtquá trình thi công, do đó giảm thiểu nhu cầu xử lý và nước thải bùn đất Phương phápnày có thể được sử dụng hiệu quả khi mặt bằng thi công chật hẹp hoặc không có nguồnnước gần khu vực thi công

Phương pháp thi công dưới nước: Phương pháp này tương tự như là phương pháp

khô sử dụng cẩu treo Phương pháp này sử dụng xà lan hoặc cầu phao để làm mặt bằngthi công cho cẩu Hệ thống định vị vệ tinh sẽ trợ giúp trong quá trình định vị điểm thicông Công tác xuyên xuống chiều sâu thiết kế dưới đáy nước nhờ lực rung của máyđầm và khí nén Đá được nạp vào đầm nhờ máy đào cần dài hoặc những loại máy móckhác Sơ đồ dây chuyền thi công cọc đá dưới nước được mô tả như trong hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ thi công cọc đá dưới nước

2.2.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống máy đầm rung và các thiết bị phụ trợ cho

công tác thi công cọc đá

Các thiết bị được phát triển để thi công đầm cát hoặc cọc đá bao gồm 4 loại cơ bản như sau:

Máy đầm rung và ống nối được treo lên cẩu, dùng nước hay khí nén

Cẩu hay dàn máy chuyên dùng để treo đầm và các ống nối

Hệ thống chuyển đá

Các hệ thống giám sát quản lý chất lượng

Trong các loại máy trên thì máy chính là máy đầm rung, nguyên tắc làm việc của máy đầm để tạo ra rung động được mô tả như hình 2.5

Hình 2.5 Chi tiết và nguyên lý làm việc của máy đầm rung

Năng lượng vận hành của đầm có thể là mô tơ chạy điện hay là mô tơ thủy lực sửdụng máy phát để cấp điện Mô tơ này mang một khối nặng lệch tâm Công suất của mô

tơ điển hình từ 50 đến 150 kW Công suất lớn nhất của máy đầm có thể lên đến

200 kW trong một vài trường hợp Tốc độ quay của mô tơ khi sử dụng điện phụ thuộcvào tần số dòng điện và phân cực của mô tơ Ví dụ nguồn điện có tần số 50 Hz có thểlàm mô tơ quay 1.500 hay 3.000 vòng/phút trong khi đó tần số 60 Hz có thể làm mô tơquay 1.800 hay 3.600 vòng/phút tùy thuộc vào đơn cực hay lưỡng cực

Trong quá trình quay, khối nặng lệch tâm tạo nên xung động ngang Xung độngngang này được truyền vào trong lòng đất thông qua vỏ đầm Tùy thuộc vào từng loạimáy đầm khác nhau mà xung động (hay lực đầm) này có thể có cường độ từ 150KN đến700KN

Tùy thuộc vào ứng dụng khác nhau mà kỹ sư thiết kế có thể chọn loại máy đầm chophù hợp Ví dụ khi đầm cát trên diện rộng, có thễ chọn loại đầm lớn (700 KN) để giảm

số điểm đầm Ngược lại khi thi công cọc đá trong đất yếu thì ta phải chọn loại đầm nhỏtránh làm ảnh hưởng nhiều đến đất nền tự nhiên Hình 2.6 thể hiện các loại máy đầmkhác nhau

Hình 2.6 Kích thước và hình thức các loại đầm rung

Chiều sâu cần gia cố qui định tổng chiều dài của máy đầm và ống nối Do đó sẽ ảnh hưởng đến thiết bị treo (cẩu) cần sử dụng

Mục đích sử dụng máy bánh xích chuyên dùng (vibrocat) để treo cẩu là để bảo đảmcọc luôn thẳng đứng trong quá trình thi công Thêm vào đó, máy chuyên dùng còn cótác dụng tác dụng lực nén xuống trong quá trình xuyên ban đầu cũng như quá trình đầmchặt cọc đá

Để gia tăng hiệu quả công việc, có thể treo nhiều máy đầm trên cẩu để đồng thời thicông nhiều điểm cùng lúc

2.2.4 Quản lý chất lượng thi công trong phương pháp cọc vật liệu rời

2.2.4.1 Quan trắc

Công nghệ cọc đá được quan trắc bằng các thiết bị đo điện tử hiện đại nhằm đảmbảo và giám sát liên tục chất lượng thi công Các bước quản lý chất lượng thi công gồmcó

Thiết bị đo để quản lý quá trình thi công, giám sát chất lượng và khối lượng thực

hiện Các thiết bị đo được sử dụng để đo, lưu và in ra các thông số kỹ thuật cho từng cọc

để giúp các kỹ sư quản lý chất lượng và khối lượng thực hiện Các thiết đo được mô tảnhư trong hình 2.7

Bộ thiết bị đo bao gồm:

Màn hình hiển thị trong cabin điều khiển,

Bộ điều khiển trung tâm và bộ lưu dữ liệu

Máy in tại cabin điều khiển để in ra các bản in trực tiếp trong quá trình thi công

Hình 2.7 Thiết bị đo kiểm tra chất lượng hiện trường của cọc đá

Các kết quả đo: Trong suốt quá trình thi công, các thông số kỹ thuật của cọc đá

được tự động ghi lại Các giá trị như thời gian, độ sâu, tốc độ xuyên, tốc độ nâng cần,lực ép và cường độ đầm được ghi lại theo dạng biểu đồ và được in ra Ngoài ra việckiểm tra mức độ đầm chặt của cọc cũng được thực hiện dựa vào mức độ tiêu thụ nănglượng của máy đầm rung tại từng thời điểm trong quá trình thi công Bản in từ hiệntrường được mô tả như trong hình 2.8

Hình 2.8 Ghi nhận kết quả và đánh giá chất lượng quá trình thi công cọc vật liệu rời

2.2.4.2 Thí nghiệm hiện trường

Có nhiều thí nghiệm hiện trường được sử dụng để kiểm tra chất lượng của cọc đábao gồm:

Thử tải tĩnh nền: Được thực hiện nhằm xác định khả năng chịu tải của nền và

module tổng biến dạng của nền sau khi xử lý

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, thí nghiệm xuyên động tại tim cọc nhằm xác định

độ đầm chặt của cọc đá

Các quan trắc hiện trường: Cọc đá có tác dụng gia tăng khả năng chịu tải, giảm độ

lún và tăng độ ổn định của nền Do đó trong từng ứng dụng cụ thể, người kỹ sư có thể

bố trí các thiết bị quan trắc khác nhau nhằm kiểm tra độ cố kết của đất sau xử lý (quantrắc áp lực nước lỗ rỗng thặng dư), đo chuyển vị ngang (inclinometer)…

2.2.5 Ứng dụng và hạn chế

Như đã đề cập ở trên, cọc đá được triển khai để tăng cường khả năng chịu tải đồngthời làm giảm độ lún của nền đất cho nhiều loại công trình, kết cấu khác nhau cũng nhưtheo cấu tạo địa chất cụ thể khác nhau, từ kết cấu móng đơn cho các công trình côngnghiệp nhỏ đến những kết cấu lớn như móng bồn chứa hoặc nền đắp Do bản thân cọc

đá có sức chống cắt lớn nên cọc đá có thể lựa chọn để ổn định mái dốc Khi yêu cầu thờigian cố kết quan trọng hơn sức chịu tải thì cọc đá cũng là phương án đáng để quan tâmnghiên cứu vì cọc đá sẽ có lưu lượng tháo nước lớn hơn rất nhiều so với những phương

án gia cố thoát nước khác

Cọc đá có hạn chế là không áp dụng tốt được cho đất có trạng thái chảy với sứckháng cắt quá nhỏ bởi vì lực kháng chống nở hông quá nhỏ Tuy nhiên, cọc đá cũng đãtừng được sử dụng thành công cho loại đất có sức kháng cắt không thoát nước Su từ 5đến 15 KPa Trong trường hợp nền đất quá cứng trên bề mặt có thể quá trình xuyên sẽgặp khó khăn Một hạn chế nữa của công nghệ này là ảnh hưởng lực rung động đến cáckết cấu bên cạnh, do đó người kỹ sư cần xem xét kỹ lưỡng điều kiện thực tế tại côngtrình cũng như trình tự thi công thích hợp, tránh làm ảnh hưởng đến những kết cấu hoànthiện lân cận.

xử lý gia cường Ngoài ra, quá trình và các thông số kỹ thuật thi công được ghi nhận vàkiểm soát tự động cho phép kiểm tra chất lượng quá trình thi công một cách chặt chẽnhằm hạn chế các sơ xuất cũng như đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cường này

Trong các mục sau, đề tài nghiên cứu sẽ tập trung vào tổng hợp các lý thuyết tínhtoán, thực hiện tính toán chi tiết bài toán thực tế tại Việt Nam Kết quả được so sánh vớicác biện pháp xử lý nền đất yếu khác trên phương diện hiệu quả kinh tế kỹ thuật từ đórút ra khả năng ứng dụng của phương pháp này

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CỌC VẬT LIỆU

RỜI

Trong chương này, những vần đề cơ bản của khái niệm phần tử đơn vị (unit cell), cơchế phá hoại của cọc vật liệu rời dựa vào kinh nghiệm hiện trường và thí nghiệm môphỏng được trình bày Tiếp đó, là một vài phương pháp thiết kế thường được sử dụng đãđược đề xuất bởi nhiều nhà nghiên cứu dựa vào các cơ chế phá hoại khác nhau để dựđoán khả năng chịu tải, tính ổn định và độ lún công trình

3.1 Khái niệm về phần tử đơn vị trong cọc vật liệu rời

Thông thường, cọc vật liệu rời được thi công ở dạng lưới tam giác, chữ nhật hoặc lụcgiác như sơ đồ trong hình 3.1 (theo Balaam & Booker,1981) Tuy nhiên, để phục vụ chomục đích thiết kế, cần phải định nghĩa vùng đất bao quanh cọc vật liệu rời của mỗi cọcriêng lẻ là miền hình tròn đại diện cho cọc và phần đất nền bao quanh nó Ví dụ như vớilưới cọc hình tam giác thì hình tròn tương đương có đường kính tương đương là 1,05S,hay như với lưới hình vuông sẽ có đường kính tương đương là 1,13S Trong đó- S làkhoảng cách giữa các tim cọc

Phân bố lưới cọc lưới tam giác

Phân bố lưới cọc lưới ô vuông

Phân bố lưới cọc lưới lục giác

Hình 3.1 Miền ảnh hưởng tương ứng với các sơ đồ bố trí lưới cọc