Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát ứng dụng cho tuyến đường tránh nhà máy nhiệt điện long phú, tỉnh sóc trăng

Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu của đề tài, Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu những nội dung sau: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, lựa chọn các thông số thiế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PPNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

-

TRẦN THANH TÂM

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁTỨNG DỤNG CHO TUYẾN ĐƯỜNG TRÁNH NHÀ MÁY

NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ, TỈNH SÓC TRĂNG

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số: 60 58 02 04

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI VĂN TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Trần Thanh Tâm

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin cám ơn các thầy cô giảng dạy trong bộ môn, khoa Công trình, khoa sau đại học- Trường Đại học Thủy Lợi

Tôi xin chân thành cám ơn, PGS TS Bùi Văn Trường là người hướng dẫn khoa học

đã hết sức tận tâm nhiệt tình giúp tôi hoàn thành luận văn này.Tôi xin cám ơn sự quan tâm góp ý của các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ trong bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Công trình, trường Đại học Thủy Lợi

Tôi cũng xin cám ơn sự ủng hộ, động viên tinh thần nhiệt tình của lãnh đạo công ty, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian thực hiện luận văn

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ix

MỞ ĐẦU 1

CHUƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CỌC CÁT 3

1.1 Khái quát về nền đất yếu 4

1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cọc cát 6

1.2.1 Khái niệm cọc cát 6

1.2.2 Đặc điểm, điều kiện làm việc của cọc cát 6

1.2.3.Tình hình nghiên cứu cọc cát 9

1.2.4.Tình hình ứng dụng của cọc cát 26

1.3 Kết luận chương 1 28

CHUƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CỌC CÁT 30

2.1 Trình tự tính toán của cọc cát 31

2.2.Tính toán, thiết kế của cọc cát 32

2.2.1 Xác định hệ số rỗng enc của nền đất sau khi được nén chặt bằng cọc cát: 32

2.2.2 Xác định diện tích nền được nén chặt 33

2.2.3 Xác định số lượng cọc cát 34

2.2.4 Bố trí cọc cát: 34

2.2.5 Xác định độ đầm nện trong cọc cát: 39

2.2.6 Xác định chiều sâu nén chặt của cọc cát: 40

2.2.7 Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát 42

2.2.8 Độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát 43

2.3 Biện pháp thi công gia cố nền đất yếu bằng cọc cát: 43

2.4 Kiểm tra nền cọc cát sau khi thi công: 47

2.5 Kết luận chương II: 48

CHUƠNG III TÍNH TOÁN ỨNG ỤNG XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC CÁT CHO TUYẾN ĐƯỜNG TRÁNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ, TỈNH SÓC

TRĂNG 49

3.1 Khái quát chung về công trình 49

3.1.1 Giới thiệu về công trình 49

3.1.2 Điều kiện tự nhiên 51

3.2 Các thông số về vật liệu và tải trọng của công trình 57

3.2.1 Các thông số, yêu cầu vật liệu sử dụng 57

3.2.2 Chiều cao đắp và tải trọng tính toán 58

2.2.3 Các yêu cầu kỹ thuật của công trình 60

3.3 Tính toán và thiết kế xử lý nền bằng cọc cát 61

3.3.1 Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km 0+750 đến Km 2+300 61

3.3.2.Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km2+300 đến Km 3+000 64

3.3.3 Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km0+000 đến Km0+750 67

3.4 Tính toán biến dạng và ổn định nền đường 70

3.4.1 Phương pháp tính toán 70

3.4.2 Giới thiệu về phần mềm Plaxis 71

3.4.3 Mô hình tính toán 72

3.4.5 Phân tích kết quả tính toán 87

3.5 Kết luận chương 3 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 91

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Minh họa cho nền đất hỗn hợp 10

Hình 1.2 Minh họa cho nền đất được cải tạo 14

Hình 1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích thay thế trên đường cong thời gian lún của nền cải tiến 24

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tập trung ứng suất đến hiện tượng cố kết 25

Hình 2.1 Biểu đồ đường cong nén lún e = f(P) 32

Hình 2.2: Bố trí cọc cát và phạm vi nén chặt đất nền 34

Hình 2.3: Sơ đồ bố trí cọc cát 35

Hình 2.4: Biểu đồ xác định khoảng cách giữa cọc cát 36

Hình 2.5: Lưới tam giác đều 41

Hình 2.6 : Trình tự thi công cọc cát 44

Hình 2.7: Mũi cọc bằng đệm gỗ và bằng mũi cọc có bản lề 45

Hình 2.8: Thiết bị đóng cọc cát không dùng ống thép 47

Hình 3.1: Sơ đồ tính toán tải trọng xe 59

Hình 3.2: Sơ đồ xác định chiều cao đắp bù lún 60

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km0+750 –Km2+300 64

Hình 3.4: Mặt cắt ngang A-A xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km0+750 – Km2+30064 Hình 3.5: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km2+300- Km 3+0.00 67

Hình 3.6: Mặt cắt ngang B-B xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km2+300- Km 3+0.00 67

Hình 3.7: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km0+000 – Km0+750 70

Hình 3.8: Mặt cắt ngang C-C xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km0+000 – Km0+75070 Hình 3.9 Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc cát cho phân đoạn đường Km0+750 –Km2+300 73

Hình 3.10 Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc cát cho phân đoạn đường Km2+300 đến Km 3+000 73

Hình 3.11 Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc cát cho phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 74

Hình 3.12 Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát phân đoạn

Hình 3.18 Lún nền trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+750 –Km2+30078

Hình 3.19 Lún mặt đường trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+750 –

Hình 3.28 Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 83 Hình 3.29 Lún nền trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 83 Hình 3.30 Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 84 Hình 3.31 Lún nền trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 84Hình 3.32 Chuyển vị lưới trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 85Hình 3.33 Chuyển vị thẳng đứng trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 85 Hình 3.34 Lún nền trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 86Hình 3.35 Lún mặt đường trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 86

DANH MỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Hệ số ղ 37 Bảng 3.1 Các thông số tính toán của từng lớp phân đoạn từ Km 0+750 đến Km 2+30062 Bảng 3.2 Các thông số mô hình 72 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp kết quả tính toán chuyển vị trong giai đoạn thi công và sử dụng đường 87

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ĐHTL Đại học Thủy lợi

LVThS Luận văn Thạc sĩ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thực tế xây dựng hiện nay tại đồng bằng Sông Cửu Long, giải pháp xử lý nền đất yếu bằng biện pháp lèn chặt đất bằng cọc cát nhằm đảm bảo sự ổn định lâu dài

về nền móng công trình là giải pháp được ứng dụng khá phổ biến Tuy nhiên vấn đề tính toán, thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, đặc biệt là độ lún của nền móng còn có những hạn chế chưa phù hợp với thực tế gây tốn kém lãng phí, ảnh hưởng đến ổn định công trình Với các công trình xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, cần xác định các thông số như hệ số rỗng của đất, diện tích nền được nén chặt, số lượng cọc,… Vì vậy việc nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp, đánh giá đầy đủ các thông số đất nền đưa vào tính tính toán, thiết kế để có được đề xuất giải pháp công trình phù hợp trong điều kiện xây dựng ở địa phương, đảm bảo sự an toàn ổn định lâu dài của công trình là việc làm cần thiết và cấp bách, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài luận văn là trên cơ sở nghiên cứu, tính toán lý thuyết và thực nghiệm tại hiện trường để lựa chọn phương pháp, thông số thiết kế giải pháp xử lý nền bằng cọc cát phù hợp với đặc điểm nền đất yếu, đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là tính toán, thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc cát , ứng dụng cho công trình ở Sóc Trăng

4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài, Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu những nội dung sau:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, lựa chọn các thông số thiết kế xử

lý nền đất yếu bằng cọc cát;

- Ứng dụng thiết kế xử lý nền bằng cọc cát cho công trình thực tế tuyến đường tránh nhà máy nhiệt điện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng;

- Nghiên cứu phân tích đánh giá khả năng làm việc của nền sau khi gia cố bằng cọc cát, từ đó kiến nghị lựa chọn tính toán thiết kế phù hợp, nhằm đảm bảo hiệu quả kinh

tế - kỹ thuật của giải pháp

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng tổ hợp các phương pháp sau:

- Phương pháp tổng hợp, phân tích, tính toán lý thuyết để thu thập, tổng hợp tài liệu địa chất, phân tích các phương pháp tính toán gia cố nền bằng cọc cát; xử lý và lựa chọn thông số thiết kế cọc cát;

- Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu sự làm việc thực tế của nền công trình xử lý bằng cọc cát ;

- Phương pháp mô hình số: Sử dụng phần mềm Plaxis, để mô phỏng, tính toán, thiết kế

CH ƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CỌC CÁT

Ở Việt Nam, vùng đất yếu có chiều dày lớn phân bố ở các tỉnh thuộc đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long, vùng bồi tích miền Trung và những vùng cửa sông ven biển Thường những vùng này có mật độ dân cư lớn, kinh tế xã hội, các cơ sở hạ tầng, hệ thống công trình đang ngày càng phát triển Như vậy việc nghiên cứu xây dựng các công trình trên nền đất yếu là việc làm mang lại lợi ích rất to lớn cho xã hội, tạo sự phát triển, đẩy nhanh quá trình hội nhập phát triển kinh tế Tuy nhiên việc xây dựng công trình trên nền đất yếu là rất phức tạp, đặc biệt là trong vấn đề xử lý nền móng công trình

Hiện nay, để xây dựng công trình trên nền đất yếu, có một số các phương pháp xử lý nền đất yếu như sau:

Xử lý nền bằng cơ học (Phương pháp làm chặt bằng đầm, bằng chấn động, bằng các loại cọc; Phương pháp thay đất; Phương pháp nén trước sau đó mới xây dựng công trình);

Xử lý nền bằng vật lý (Phương pháp hạ mực nước ngầm; Phương pháp giếng cát; Phương pháp điện thấm);

Xử lý nền bằng hoá học,

Trong số các phương pháp đã nêu trên, ứng với mỗi một công trình ta có thể áp dụng với một phương pháp cụ thể sao cho phù hợp với điều kiện địa chất tại nơi xây dựng công trình Tuy nhiên cũng cần phải lựa chọn phương pháp xử lý nền sao cho thoả mãn được cả hai yêu cầu về mặt kỹ thuật và kinh tế của công trình Với tình hình đất yếu ở nước ta hiện nay, trong số các phương pháp xử lý nền đất yếu nêu trên thì

phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát là một trong những phương pháp xử lý nền tốt, mang lại hiệu quả kinh tế cao và an toàn cho công trình, phù hợp với điều kiện xây dựng nước ta Phương pháp này có những tác dụng đối với công trình như sau: Làm tăng độ chặt của đất nền dẫn đến sức chịu tải của nền tăng lên đáng kể;

Tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền, do đó làm cho công trình xây ở trên đó nhanh chóng đạt đến giới hạn về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng đều

Việc nghiên cứu và tính toán phương pháp cọc cát xử lý nền đất yếu đã trải qua một thời gian dài với nhiều những nghiên cứu khác nhau về phương pháp này, các nghiên cứu đều nhằm một mục đích là hoàn thiện hơn phương pháp Trong tính toán thiết kế

xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc cát hiện nay, đã có một số các tài liệu phản ánh được đầy đủ cả hai tác dụng tăng sức chịu tải và tăng nhanh tốc độ cố kết thoát nước đất nền, trong tính toán quan niệm nền và cọc làm việc độc lập Để đơn giản hóa, thuận tiện trong tính toán, nghiên cứu này đưa ra phương pháp tính toán cọc cát theo quan điểm nền tương đương với bộ thông số nền tương đương bao gồm các đặc trưng xét đến sự tăng nhanh sức chịu tải của nền và tăng nhanh tốc độ cố kết của nền (ϕ, c,

E, k…) với mục đích áp dụng được bộ thông số này vào việc tính toán các công trình trong thực tế được đơn giản và thuận tiện hơn

1.1 Khái quát về nền đất yếu

Đất yếu là một thuật ngữ được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực xây dựng Hiện nay, tồn tại một số quan niệm khác nhau về đất yếu Dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam như TCXD 245-2000, 22TCN 262-2000, tham khảo các tiêu chuẩn phân loại đất của ASTM, BS, theo đất yếu là loại đất có một số đặc điểm cơ bản sau đây:

- Là loại đất có khả năng chịu tải thấp (sức chịu tải nhỏ hơn 1,0kG/cm2), mô đun biến dạng nhỏ (E0 < 50kG/cm2);

- Dễ bị biến dạng khi có tải trọng tác dụng, có độ lún lớn (thường hệ số rỗng ban ầu e0

>1); có lực chống cắt thấp (Cu < 0,15kG/cm2), giá trị xuyên tiêu chuẩn N: SPT < 5 búa, sức kháng xuyên đơn vị qc < 10kG/cm2

- Là loại đất được hình thành tạo từ các vật liệu trầm tích trẻ (từ 10.000 đến 15.000 năm tuổi vẫn đang trong quá trình cố kết trong điều kiện môi trường khác nhau (bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, đầm lầy )

Trên cở sở các đặc điểm về địa chất công trình (thành phần, tính chất cơ lý ), đất yếu

có thể được chia ra các loại chính sau:

(1) Đất sét mềm bồi tụ ở bờ biển hoặc gần biển (đầm phá, cửa sông, đồng bằng tam giác châu thổ…) loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lựợng hữu

cơ có thể lên tới 10% - 12%) Đối với loại này, đựợc xác định là đất yếu ở trạng thái

tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn nhão, hệ số rỗng lớn (sét e0

> 1,5; á sét e0 > 1), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước Cu < 35 kG/cm2, góc nội ma sát φ < 10°

(2) Than bùn và đất hữu cơ có nguồn gốc đầm lầy, nơi tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao Tại đây, xác của các loài thực vật bị thối rữa và phân hủy, tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với các khoáng vật từ vật liệu Loại này thường được gọi là đất đầm lầy, than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20% - 80%, thường có màu xám đen hay nâu xẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn do thực vật) Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm rất cao trung bình W = 85% - 95% Than bùn là loại đất thường xuyên nén lún lâu dài, không đều, hệ số nén lún có thể đạt 3-10 cm2

/daN,

vì thế thường phải thí nghiệm than bùn trong các thiết bị nén với các mẫu cao ít nhất 40 – 50cm Đất yếu đầm lầy than bùn còn đuợc phân theo hàm lượng hữu cơ của chúng:

- Hàm lượng hữu cơ từ 20% - 30%: đất nhiễm than bùn

- Hàm luợng hữu cơ từ 30% - 60%: đất than bùn

- Hàm lượng hữu cơ trên 60%: than bùn

(3) Bùn là các lớp đất mới được hình thành trong môi trường nước ngọt hoặc nuớc biển, gồm các hạt rất mịn (< 200µm) Đặc điểm về thành phần và kết cấu của nó là thành phần khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong Hàm lượng hữu cơ thường dưới 10% Đất bùn là những trầm tích hiện đại, được thành tạo chủ yếu do kết quả tích lũy các vật liệu phân tán mịn bằng con đường cơ học hoặc hóa học ở tại đáy biển hoặc vũng vịnh, hồ bãi lầy, hồ chứa nước hoặc bãi bồi của sông Vì vậy thường phân biệt bùn biển, bùn vũng, bùn hồ, bùn lầy và bùn bồi tích Bùn luôn no nước và rất

yếu về mặt chịu lực Cường độ của bùn nhỏ, biến dạng lớn, mô đun biến dạng chỉ vào khoảng 1-5kG/cm2 với bùn sét; từ 10-25kG/cm2với bùn pha cát và bùn cát pha sét; hệ

số nén lún chỉ có thể đạt lên tới 2-3cm2/daN Như vậy, bùn là loại trầm tích nén chưa chặt, dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên Do vậy khi xây dựng công trình trên đất nền là bùn cần áp dụng các biện pháp xử lý nền phù hợp

1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cọc cát

1.2.1 Khái niệm cọc cát

Cọc cát xuất phát từ cột đá Ballast là loại cọc được cấu tạo từ vật liệu rời đặt rong đất tham gia cùng đất nền chống đỡ tải trong công trình, đã gọi là cọc, nên bản thân cọc cát phải được tạo thành từ những loại cát đồng nhất, tiết diện liên tục theo chiều sâu, sức chịu tải của cát được chọn phải lớn hơn đất nhiều lần so với đất nền tự nhiên Vật liệu làm cọc không thể hòa lẫn vào đất (chìm dần vào đất yếu) Do đó, không phải loại đất yếu bất kỳ nào cũng có thể sử dụng cọc cát để xử lý

Cần phải phân biệt cọc cát với các cọc cứng khác như cọc bằng bê tông cốt thép, bằng thép…., cọc cứng là một bộ phận của kết cấu móng làm nhiệm vụ chuyền tải trọng công trình xuống nền đất còn cọc cát làm nhiệm vụ lèn chặt và thoát nước cho nền đất làm tăng sức chịu tải cho nền

Việc sử dụng cọc cát được nhà bác học Nga M.X Voikow đề nghị đầu tiên vào năm

1840 và sau đó là giáo sư V.I kurdyumov năm 1886 Qua hơn một thập kỷ phương pháp này đã được tiếp tục nghiên cứu, bổ sung và được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới như Liên Xô, Trung Quốc, Anh, Pháp, Hà Lan và Mỹ

1 2.2 Đặc điểm, điều kiện làm việc của cọc cát

Khi xây dựng công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu, có chiều dày lớn thì nén chặt đất bằng cọc cát là một phương pháp đem lại hiệu quả cao cho công trình Khi chiều dày lớp đất yếu lớn hơn 3,0 m có thể dùng cọc cát để nén chặt đất trong nền Cọc cát là phương pháp áp dụng thích hợp và đem lại hiệu qủa nén chặt cho các lớp đất yếu

có chiều dày lớn như các loại đất cát nhỏ, cát bụi rời ở trạng thái bão hoà nước, các đất cát có xen kẽ những lớp bùn mỏng, các loại đất dính yếu (sét, sét pha cát và cát pha sét) cũng như các loại đất bùn và than bùn

Trong trường hợp đất quá nhão yếu, lưới cọc cát không thể lèn chặt được đất (khi hệ

số rỗng nén chặt lớn hơn 1) hoặc khi chiều dày lớp đất yếu dưới đáy móng nhỏ hơn 3,0m thì không nên dùng cọc cát

Tác dụng của cọc cát là làm cho độ rỗng, độ ẩm của nền giảm đi, trọng lượng thể tích,

mô đun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên

Khi xử lý nền bằng cọc cát, nền đất được nén chặt lại, do đó sức chịu tải của nền được tăng lên, độ lún và biến dạng không đồng đều của nền đất dưới đế móng các công trình giảm đi một cách đáng kể

Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời; đất được nén chặt đều trong khoảng cách giũa các cọc

Do một số các đặc điểm kể trên nên tính chất làm việc của cọc cát khác với các loại cọc cứng mà chúng ta thường gặp như cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông, bê tông cốt thép…

Do vậy tính ưu việt của cọc cát được thể hiện qua các mặt sau:

- Khi dùng cọc cát, trị số mô đun biến dạng của cọc cát cũng như ở các vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên Tính chất này là hoàn toàn không thể có được khi dùng các loại cọc cứng Đối với nền trong đó dùng cọc cứng, mô đun biến dạng của vật liệu làm cọc cứng lớn hơn nhiều lần so với mô đun biến dạng của đất xung quanh thân cọc (khoảng 1000 lần), do đó toàn bộ tải trọng của công trình do móng tiếp thu sẽ truyền lên các cọc, các lớp đất ở dưới mũi cọc và xung quanh cọc Trong trường hợp này, đất ở giữa các cọc hầu như không tham gia chịu lực và độ lún của móng phụ thuộc vào tính nén của các lớp đất dưới mũi cọc

- Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Khi trong nền đất có cọc cát thì lúc này các cọc cát ngoài tác dụng nén chặt nền đất, còn làm việc như các giếng cát thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài, do đó cải thiện được tình hình thoát nước của nền đất, điều này là

không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc là đối với nền có sử dụng các loại cọc cứng Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định

Tính ưu việt của cọc cát còn được thể hiện về mặt kinh tế, cụ thể là về vật liệu làm cọc Vật liệu cát dùng làm cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với các loại vật liệu làm các loại cọc cứng như: gỗ, thép, bê tông, bê tông cốt thép và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực

Về mặt thi công, cọc cát có phương pháp thi công tương đối đơn giản, không đòi hỏi những thiết bị phức tạp

Do những ưu điểm nêu trên nên có thể nói rằng giá thành xây dựng cọc cát thường rẻ hơn so với một số các phương án cọc khác như gỗ, bê tông, bê tông cốt thép

Theo kinh nghiệm các nước phát triển và sự tích lũy từ các công trình đã xây dựng thì mặc dù số lượng cọc cát dùng có lớn hơn so với các loại cọc cứng (số lượng dùng lớn hơn khoảng 30%÷50%) nhưng giá thành lại rất rẻ So với cọc bê tông cốt thép, giá thành giảm khoảng 2 lần; so với cọc gỗ giá thành giảm khoảng 30%

Ở Việt Nam, điều này cũng đã được chứng minh bằng một số các công trình thức tế có

sử dụng cọc cát Theo các số liệu đã được tổng kết, kinh phí xây dựng giảm khoảng 40% so với dùng cọc bê tông và giảm hơn 20% so với dùng phương án đệm cát

*Cọc cát có những đặc điểm mang tính ưu việt sau đây:

- Khi dùng cọc cát trị số môđun biến dạng trong cọc cát cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt đất bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên

- Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Bởi vì lúc này cọc cát làm việc như các giếng thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới

tác dụng của tải trọng ngoài Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc

trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình mau chống đạt đến giới hạn ổn định

- Sử dụng cọc cát về mặt kinh tế rẻ hơn so với khi sử dụng các phương án cọc khác như: cọc gỗ, cọc bêtông, cọc bêtông cốt thép Vật liệu làm cọc cát rẻ hơn nhiều so với

gỗ, thép, bêtông cốt thép dùng trong cọc cứng và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực Biện pháp thi công cọc cát tương đối đơn giản, không đòi hỏi những thiết bị phức tạp.

1.2.3.Tình hình nghiên cứu cọc cát

1.2.3.1 Giới thiệu chung

Phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát đối với đất rời để nhằm làm tăng sức chịu tải của nền lần đầu tiên được nhà bác học người Nga M X Voikov đề nghị vào năm 1840

và tiếp đó là giáo sư V I Kuryumov năm 1886 Kể từ đó đến nay, trải qua một thời gian dài hơn một thế kỷ, phương pháp này đã và đang được nghiên cứu, bổ sung và áp dụng cho nhiều công trình xây dựng ở khắp các nơi trên thế giới như: Liên Xô, Trung Quốc, Nhật Bản, Anh, Ý, Hà Lan và Mỹ

Trong đó, Nhật Bản được biết đến như một quốc gia có nhiều những nghiên cứu về phương pháp này Kể từ những năm 1950 -1960, khi tại Nhật Bản, kỹ thuật cọc cát đầm chặt xử lý nền đất yếu xuất hiện, đã có rất nhiều những nghiên cứu được thực hiện trong các trường đại học, các viện nghiên cứu, các công ty tư vấn ở Nhật Bản Những nghiên cứu này đã chỉ ra những đặc điểm về sức chịu tải và biến dạng của nền hỗn hợp bao gồm cọc cát và đất xung quanh cọc, các nghiên cứu về áp lực đất, sức kháng theo phương ngang của nền đất được cải tạo, ngăn chặn hóa lỏng…cũng được

đề cập

1.2.3.2 Cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp

Cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp trong đó bao gồm đất sét và cọc cát, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố chẳng hạn như: những đặc điểm của ứng suất- biến dạng trong đất sét và cọc cát, hiệu ứng tập trung ứng suất, đường kính và khoảng cách cọc cát Nghiên cứu đầu tiên về cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp được thực hiện bởi Igabari [8], trong đó một loạt các thí nghiệm cắt trực tiếp đã được thực hiện trên mẫu

đất của nền đất hỗn hợp bao gồm đất sét và cọc cát Trong các thí nghiệm, loại đất, tỉ diện tích thay thế và ứng suất thẳng đứng đã được thay đổi để xem xét tác động của chúng đến những đặc điểm của cường độ chống cắt Cùng với các thí nghiệm này, tác giả đã đề xuất công thức xác định cường độ chống cắt theo biểu thức (1), đó là sự kết hợp tập trung ứng suất trên cọc cát như hình 1 Trong biểu thức (1) chỉ ra rằng cường

độ chống cắt của đất sét và cọc cát được huy động cùng lúc đồng thời cũng tính toán ứng suất thẳng đứng trên nền đất yếu và cọc cát là σc và σs bằng lý thuyết đàn dẻo

Ac: diện tích mặt cắt ngang của nền đất sét;

As: diện tích mặt cắt ngang của cọc cát;

τ fs

τ fc

Hình 1.1 Minh họa cho nền đất hỗn hợp

Matsuo và nnk [13] đã thực hiện một loạt các thí nghiệm nén 3 trục trên nền đất hỗn hợp và đưa ra kết luận rằng cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp có thể được đánh

giá bằng tổng trọng cường độ chống cắt của đất sét và cọc cát huy động ở cùng mức độ biến dạng và được chỉ ra trong biểu thức (2) Và nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cường độ chống cắt huy động trên toàn bộ cọc cát là nhỏ hơn hoặc bằng cường độ chống cắt trên một cọc Nghiên cứu đã giới thiệu thông số α, để kết hợp các mức độ huy động của sức chống cắt trên cọc cát Nghiên cứu đã đưa ra kết luận rằng biểu thức (2) đã cung cấp một ước lượng tin cậy của các kết quả thí nghiệm với α = 0,5 cho sơ

đồ thí nghiệm cắt đất không cố kết, không thoát nước (UU) và với α = 1,0 cho sơ đồ thí nghiệm cố kết đẳng hướng không thoát nước (CU) Điều này có nghĩa là sức chống cắt lớn nhất của nền đất sét và cọc cát không huy động đồng thời Hiệu ứng tập trung ứng suất không được kết hợp trong đề nghị của nghiên cứu

A

.A)σ

.A)σα.(σ)

−

=

− + (1.2)

Trong đó:

A: diện tích mặt cắt ngang của nền đất hỗn hợp;

Ac: diện tích mặt cắt ngang của nền đất sét;

As: diện tích mặt cắt ngang của cọc cát;

α: thông số liên quan đến độ huy động ứng suất trên cọc cát;

(σ1 - σ3)s+c: độ lệch ứng suất huy động trong nền hỗn hợp;

(σ1 - σ3)s: độ lệch ứng suất huy động trong nền cát;

(σ1 - σ3)c: độ lệch ứng suất huy động trong nền đất sét

Yagi và nnk [51] đã thực hiện một loạt các thí nghiệm sức kháng đơn giản và thí nghiệm cắt trực tiếp để nghiên cứu hiệu quả của tỉ diện tích thay thế và số lượng của cọc cát đến đặc điểm của cường độ chống cắt trên nền đất hỗn hợp Nghiên cứu đã chỉ

ra rằng cường độ chống cắt trên nền đất hỗn hợp không những chịu ảnh hưởng của tỉ diện tích thay thế mà còn chịu ảnh hưởng của số lượng của cọc cát Và nghiên cứu đã

kết luận rằng lý do xảy ra hiện tượng này là do sự phân bố sức kháng không đồng đều trong các cọc cát

Yoshikuni và nnk [50] đã thực hiện những thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước trên nền đất hỗn hợp và kết luận rằng điều kiện thoát nước trong mẫu thí nghiệm gây ra hiệu ứng kích thước mẫu của cường độ chống cắt

Enoki và nnk [82] thực hiện thí nghiệm trong phòng với nền đất hỗn hợp và kết luận rằng cọc cát và đất sét không bị phá hoại đồng thời nhưng bị phá hoại riêng rẽ Nghiên cứu đã đề xuất cường độ chống cắt của nền hỗn hợp nên được đánh giá là một vật liệu không đẳng hướng c-φ dựa trên tiêu chí cường độ chống cắt riêng rẽ của đất sét và cọc cát

Asaoka và nnk [94, 107] đã thực hiện các thí nghiệm nén 3 trục trên nền đất hỗn hợp

và kết luận rằng cường độ chống cắt của nền hỗn hợp là phụ thuộc vào điều kiện thoát nước của cọc cát Nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ chống cắt của cọc cát trong điều kiện không thoát nước cao hơn nhiều so với điều kiện thoát nước Nghiên cứu đề xuất cường độ chống cắt của nền hỗn hợp là tổng cường độ chống cắt thoát nước của cọc cát và cường độ chống cắt không thoát nước của đất sét, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét điều kiện thoát nước của cọc cát khi đánh giá sức chịu tải của nền được cải tạo bằng cọc cát

1.2.3.3 Sức chịu tải và ổn định của nền đất được cải tạo

* Sức chịu tải của cọc đơn

Trong những nghiên cứu về sức chịu tải và ổn định của nền đất được cải tạo, sự phân

bố ứng suất trong nền đất yếu và cọc cát là một vấn đề quan trọng để đánh giá Một trong những nghiên cứu đầu tiên, Murayama (1957) đã xem xét sự gia tăng sức chịu tải của nền đất yếu được gây ra bởi khả năng thoát nước của cọc cát và sự có mặt của cọc cát Năm 1962, tác giả này đã đề xuất công thức xác định sức chịu tải cho nền đất được cải tạo có sự kết hợp của hiệu ứng tập trung ứng suất trên cọc cát

Murayama [5] đã nghiên cứu sức chịu tải và ứng xử lún của nền đất được cải tạo bằng cọc cát đầm chặt, và đưa ra các công thức (3) đến (5) cho việc tính toán sức chịu tải

của một cọc cát bằng giả thiết trạng thái cân bằng giới hạn chủ động của cọc cát và trạng thái cân bằng giới hạn bị động của nền đất xung quanh cọc (hình 2) Nguyên tắc trong tính toán của ông đã dựa trên giả thiết rằng cọc cát và đất xung quanh cọc đã chịu biến dạng thẳng đứng Trong biểu thức (4), một ứng suất trên nền đất sét σu đã được đưa ra Ông đã ước tính σu = 0,7.qu bằng cách xem xét rằng không có biến dạng

từ biến diễn ra trong đất sét xung quanh, trong đó qu là cường độ chống cắt nở hông của đất sét

P = A σ = (As + Ac) σ = As σs + Ac σc

= σc.( As.n + Ac) (1.3)

ứng suất theo phương ngang phải thỏa mãn biểu thức sau:

s s

sσ

σ1.sin

A: diện tích mặt cắt ngang của nền đất hỗn hợp;

Ac: diện tích mặt cắt ngang của nền đất sét;

As: diện tích mặt cắt ngang của cọc cát;

σ: ứng suất trung bình trên nền đất hỗn hợp;

n: hệ số tập trung ứng suất;

P: sức chịu tải;

σc: ứng suất thẳng đứng của nền đất sét;

σs: ứng suất thẳng đứng của cọc cát;

σh: ứng suất theo phương ngang của cọc cát;

σu: ứng suất trên nền đất sét;

điều kiện ứng suất của nền đất sét xung quanh Họ đã chỉ ra rằng những giả thiết của

Murayama có nghĩa là biến dạng theo phương ngang là lớn hơn so với biến dạng theo

phương đứng, thậm chí ngay cả khi có lực dọc

Một vài những thí nghiệm gia tải được đưa ra bởi Niimi và nnk [10] và các thí nghiệm

mô hình được đưa ra bởi Hughes và Withes [172] để xem xét sức chịu tải của một cọc

cát thực nghiệm

* Sức chịu tải và ổn định của nền đất được cải tạo bằng nhóm cọc cát

Mô hình thí nghiệm trong phòng đầu tiên được nghiên cứu vào năm 1969 để xem xét

sức chịu tải của nền đất được cải tạo, trong đó sức chịu tải phá hoại được chỉ ra trong

một vài cọc cát [20]

Sức chịu tải của nền đất được cải tạo bằng cọc cát đầm chặt với nhóm cọc cát được

nghiên cứu bằng mô hình số theo 2 phương pháp tiếp cận: lý thuyết của Tezraghi và

phân tích vòng cung trượt

Phương pháp lý thuyết của Tezraghi dùng cho thực hành thiết kế, sức chịu tải của các cọc cát và đất sét được tính toán riêng rẽ theo biểu thức (6) và sức chịu tải của nền đất được cải tạo bằng cọc cát đầm chặt được tính toán bằng sức chịu tải trung bình của các sức chịu tải như biểu thức (7a), trong đó có kết hợp với tỉ diện tích thay thế as

c: cường độ chống cắt không thoát nước của đất sét giữa các cọc cát;

D: chiều sâu chôn móng;

Fs: hệ số an toàn (bằng 2,5 với điều kiện tĩnh và bằng 2,0 với điều kiện động);

Nc: hệ số sức chịu tải phụ thuộc vào lực dính;

Nq: hệ số sức chịu tải phụ thuộc vào tải trọng bên;

Nγ: hệ số sức chịu tải phụ thuộc vào góc ma sát trong;

P: sức chịu tải;

qa: sức chịu tải của nền đất được cải tạo;

qas: sức chịu tải của nền đất cát đồng nhất có cùng tính chất như các cọc cát;

qas: sức chịu tải của nền đất sét;

A: diện tích mặt cắt ngang của nền đất hỗn hợp;

As: diện tích mặt cắt ngang của cọc cát;

ce: cường độ chống cắt huy động của đất sét trên mặt trượt khi cọc cát và đất sét đồng thời kháng cắt;

N: lực pháp tuyến trên mặt trượt;

T: lực chống cắt huy động trong nền đất hỗn hợp;

V: lực thẳng đứng trên mặt trượt;

β: góc nghiêng trên mặt trượt;

φe: góc ma sát trong huy động của cọc cát trên mặt trượt

Matsuo và nnk [20] và Matsuo [21] đã đề xuất phương pháp phân tích phân mảnh theo mặt trượt trụ tròn để xem xét sức chịu tải của nền đất được cải tạo bằng cọc cát đầm chặt Trong đề xuất của nghiên cứu này, 2 hệ số an toàn được tính toán riêng biệt bởi các cung trượt tròn đi qua cọc cát và nền đất sét và thông qua các mảnh đơn, hệ số an toàn cuối cùng thu được bằng cách tính toán lặp đi lặp lại sự thay đổi vị trí đường kính

của vòng tròn trượt cho đến khi 2 hệ số an toàn trùng nhau Các tác giả đã tính toán sức chịu tải bằng cách phân tích một cặp vòng cung trượt cùng với sự phân bố ứng suất theo lý thuyết của Kogler, và chỉ ra rằng kết quả mô hình thí nghiệm đã cung cấp một ước tính tốt

Bên cạnh những phân tích về mặt trượt trụ tròn, Nakanadou [57], Ishizaki [95,108], Asaoka và nnk [88, 94] đã nghiên cứu phân tích phương pháp phần tử hữu hạn đàn dẻo Ishizaki [95,108] đã phân tích sức chịu tải của loại nhóm cọc được cải tạo bằng phân tích phần tử hữu hạn 2 chiều và 3 chiều với các yếu tố đa liên kết để chứng minh cho việc ứng dụng mô hình tính toán sức chịu tải của mình Asaoka và nnk [88, 94] phân tích phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu điều kiện thoát nước của cọc cát và nhấn mạnh sự quan trọng trong điều kiện thoát nước của cọc cát khi đánh giá sức chịu tải của nền đất được cải tạo bằng cọc cát đầm chặt

1.3.3.4 Thiết lập công thức cho tính toán ổn định trong nền đất sét được gia cố bằng cọc cát

Cùng với nhiều những nghiên cứu về mô hình số và mô hình vật lý, công thức về cường độ chống cắt và phân tích về cung trượt tròn đã được nghiên cứu để thiết lập các phương pháp thiết kế thực tế Murayama [5] đã nghiên cứu ứng xử của sức chịu tải

và độ lún của nền đất được cải tạo bằng cọc cát đầm và đề xuất công thức xác định cường độ chống cắt chống lại sự phá hoại trượt theo biểu thức (8)

Taguchi [11] đã cung cấp một phương pháp tính toán mômen chống trượt của nền đất được cải tạo bằng cọc cát đầm, trong đó sự gia tăng cường độ chống cắt của đất sét và hiệu ứng tập trung ứng suất trên cường độ chống cắt của cọc cát đã được đề cập đến Trong tính toán này, hiệu quả của việc tập trung ứng suất đã được thông qua các phụ tải bên ngoài Tác giả đã đề xuất một phương pháp thiết kế đặc biệt cải tạo nền đất trên

cơ sở xem xét phân bố ứng suất của phụ tải bên ngoài

Matsuo và nnk [20] và Matsuo [21] đã đề xuất phương pháp phân tích vòng cung trượt phân mảnh để xem xét sức chịu tải của nền đất được cải tạo bằng cọc cát đầm chặt Trong đề xuất của nghiên cứu này, 2 hệ số an toàn được tính toán riêng biệt bởi các cung trượt tròn đi qua cọc cát và nền đất sét và thông qua các mảnh đơn, hệ số an toàn cuối cùng thu được bằng cách tính toán lặp đi lặp lại sự thay đổi vị trí đường kính của

vòng tròn trượt cho đến khi 2 hệ số an toàn trùng nhau Các tác giả đã tính toán ổn định bằng cách phân tích một cặp vòng cung trượt cùng với sự phân bố ứng suất theo

lý thuyết của Kogler, và chỉ ra rằng kết quả mô hình thí nghiệm đã cung cấp một ước tính tốt

Mặc dù đã có một số báo cáo cho rằng cường độ chống cắt trong các cọc cát và đất sét không được huy động đồng thời [13], các giả định về sự huy động đầy đủ của cường

độ chống cắt cả trong cọc cát và đất sét đã thường được áp dụng cho việc thiết lập các phương pháp thiết kế thực tế Nakayama [18] đề xuất một công thức cường độ chống cắt cho nền đất được gia cố bằng cọc cát đầm chặt như phương trình (9) theo các giả định đã được nêu ở trên (hình 4) Trong phương trình, cường độ chống cắt tăng lên do

sự cố kết bởi ứng suất bên ngoài được đưa vào tính toán Ông đã cung cấp một biểu đồ

để tính toán các vấn đề ổn định mái dốc của nền đất được gia cố bằng cọc cát đầm chặt

c)

a(1θ.cos.tan.zγσ

s s

và phân tích phần tử hữu hạn đàn hồi - dẻo Họ phát hiện ra rằng vị trí hiệu quả nhất của đất được gia cố có đôi chút khác so với kết quả của hai phân tích khác

Nakayama và nnk [28] đã tính toán các hệ số an toàn cho 15 trường hợp trước đó bằng việc phân tích trượt tròn phân mảnh kết hợp với công thức cường độ chống cắt đã được đề xuất như phương trình (10) Phương trình (10) đã không đưa vào tính toán cường độ chống cắt tăng thêm của đất sét do tải bên ngoài Họ kết luận rằng việc phân tích trượt tròn phân mảnh kết hợp với phương trình đã đề xuất có thể đánh giá chính xác sự ổn định của nền đất được gia cố bằng cọc cát đầm chặt

).ca(1θ.cos.tan.zγ11).a(n

np

a

2 s s

s s

z: độ sâu tính toán;

γs: trọng lượng thể tích của cát;

θ: góc nghiêng của mặt trượt;

τsc: cường độ chống cắt của nền đất được cải tạo;

φs: góc ma sát trong của cọc cát

Những khảo sát này đã được đặc trưng bởi công thức cường độ chống cắt của Murayama và Ibaragi đề xuất và sự phân bố ứng suất được tính theo lời giải đàn hồi của Boussinesq

Sogabe [43] tóm tắt các công thức cường độ chống cắt như trong phương trình (11a) đến (11e) và các số liệu thống kê của việc áp dụng công thức đó trong thiết kế thực tế

để xây dựng cơ sở vật chất cho cảng và bến cảng Hình 5 minh họa cường độ chống cắt của đất được gia cố cho công thức (1) Ông cũng so sánh các hệ số an toàn được tính bằng mỗi công thức cường độ chống cắt Những nghiên cứu tương tự sau đó đã được thực hiện bởi Kanda và Terashi [87]

τs=(γs.z + µs.∆σz).tanφs.cos2θ (1.11e)

τc = c0 + kz

Trong đó:

as: tỉ diện tích thay thế;

c0: cường độ chống cắt của đất sét bề mặt;

cu/p: tỉ lệ gia tăng cường độ chống cắt;

k: tỉ lệ gia tăng cường độ chống cắt của đất sét theo chiều sâu;

θ: góc nghiêng của mặt trượt;

µs, µc: hệ số tập trung ứng suất trên cọc cát và trên nền đất sét do tải trọng ngoài;

s

s s

1).a (n 1

n σ

σ μ

− +

=

=

s

c c

1).a (n 1

1 σ

σ μ

− +

=

=

Kanda và Terashi [87] đã nghiên cứu lại các trường hợp trước đó bằng việc lựa chọn các công thức thiết kế và thực hiện các nghiên cứu tham số về ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến hệ số an toàn Terashi và Kitazume [85] và Terashi và nnk [84]

đã thực hiện một loạt thí nghiệm mô hình bằng máy ly tâm trên khả năng chịu lực của đất được cải thiện và phát hiện ra rằng các phân tích trượt tròn phân mảnh với công thức cường độ chống cắt (biểu thức 11a) cung cấp ước tính chính xác của các kết quả thí nghiệm Shinsha và nnk [90] cũng xác nhận trong các thí nghiệm mô hình máy ly tâm của họ rằng tính toán trượt tròn phân mảnh với công thức cường độ chống cắt (biểu thức 11a) đã áp dụng đối với sự ổn định của nền đường đắp trên đất được gia cố bằng cọc cát đầm chặt Theo các xác nhận này, phân tích trượt tròn phân mảnh kết hợp với công thức sức kháng cắt (1) (biểu thức 11a) đã được chuẩn hóa trong thiết kế thực

tế cho cơ sở vật chất của cảng và bến cảng [140.173]

Việc lựa chọn các thông số thiết kế là một vấn đề quan trọng để đánh giá chính xác về sức chịu tải và sự ổn định của nền đất được gia cố bằng cọc cát đầm chặt Yabushita và nnk [37] cung cấp một loại tiêu chuẩn giá trị về tỷ lệ gia tăng ứng suất và góc nội ma

sát của cọc cát trong một vài tỷ lệ diện tích thay thế theo các trường hợp từ trước đó Ichimoto và nnk [44] đã nghiên cứu lựa chọn các thông số thiết kế theo các trường hợp trước đó của thiết kế thực tế và đo đạc hiện trường Ảnh hưởng của các thông số thiết

kế (thông số của đất) đã được kết hợp trong công thức cường độ chống cắt trên hệ số

an toàn đã được khảo sát nhiều lần [19, 48, 87]

1.2.3.5 Độ lún của nền được gia cố

Khi phương pháp cọc cát đầm chặt mới bắt đầu phát triển, hiện tượng cố kết của nền được gia cố bằng cọc cát đầm chặt được giả định giống như nền được gia cố bằng thiết

bị thoát nước thẳng đứng (giếng cát) và quá trính cố kết của nền được cải thiện có thể được tính toán dựa vào phương trình của Barron [5]

Matsuo và nnk [13] chỉ ra rằng quá trình cố kết của nền được cải thiện bằng cọc cát đầm chặt có thể được đánh giá đầy đủ trong thực tiễn bởi lý thuyết của Barron cung cấp hệ số cố kết của đất sét đã được ước tính đúng đắn

Ogawa và Ichimoto [6] tích lũy trường dữ liệu về độ lún của nền và thấy rằng độ lún của nền đã bị giảm do sự tập trung ứng suất trên các cọc cát và tác dụng cố kết của việc lắp đặt cọc cát

Matsuo và nnk [13,15] đã tiến hành một loạt các thí nghiệm nén ba trục và thí nghiệm

mô hình trong phòng thí nghiệm trên đất hỗn hợp và thấy rằng các hệ số cố kết thay đổi trong suốt quá trình cố kết và hình dạng của đường cong cố kết là khác với lý thuyết của Barron Họ cho rằng hiện tượng này được gây ra bởi tác dụng trương nở của các cọc cát Takada và Nogawa [45] cũng tìm thấy một hiện tượng tương tự trong các thử nghiệm mô hình của họ rằng hình dạng của đường cong độ lún cố kết của nền được gia cố bằng cọc cát đầm chặt có một độ cong vừa phải trong sơ đồ bán logarit như thể hiện trong hình 6, điều này khác với đường cong theo lý thuyết của Barron [45]

cải tiến Yoshikuni [41] xuất phát từ công thức lý thuyết cho hiện tượng cố kết của lý thuyết đàn hồi, trong đó đã kết hợp tác dụng tập trung ứng suất của cọc cát

Hình 7 cho thấy một ví dụ điển hình của hiện tượng cố kết theo lý thuyết, trong đó các

mô đun kháng cắt của cọc cát là lớn hơn so với đất sét xung quanh 13 lần Con số này cho thấy sự cố kết diễn ra nhanh hơn trong đất được cải thiện với việc gia tăng của sự tập trung ứng suất Nó cũng cho thấy rằng các đường cong độ lún theo thời gian của nền đất được cải thiện bằng cọc cát đầm chặt có xu hướng thoải hơn so với phương trình của Barron Ông nhấn mạnh tầm quan trọng về hiệu quả của việc tập trung ứng suất vào sự cố kết Tính chính xác của công thức lý thuyết của họ đã được khẳng định bằng các phép đo độ lún hiện trường của các bể chứa dầu [31]

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tập trung ứng suất đến hiện tượng cố kết

Như đã mô tả ở trên, tính toán lý thuyết và một số thí nghiệm trong phòng đã chỉ ra rằng hiện tượng cố kết diễn ra nhanh hơn trong nền đất được cải thiện bằng cọc cát đầm chặt so với dự đoán của lý thuyết của Barron Tuy nhiên, các trường dữ liệu được tích lũy đã chỉ ra những hiện tượng ngược lại rằng, tốc độ cố kết của nền đất được cải thiện bằng cọc cát đầm chặt là chậm hơn so với ước tính bằng phương trình của Barron, đó được coi là do hiệu ứng xáo trộn đất

Oda và Matsui [139] đã tiến hành các phân tích mô hình phần tử hữu hạn đàn hồi -dẻo

- nhớt trên nền đất hỗn hợp cố kết một chiều và so sánh kết quả với kết quả của mô hình thí nghiệm của họ Họ phát hiện ra rằng điều kiện ứng suất trong nền đất bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng trương nở của cọc cát và các đặc tính nén của đất sét Đồng thời chỉ ra rằng lý thuyết của Barron có thể dự đoán được thời gian cố kết chính xác tính thấm và tính nén chặt của đất sét đã được thay đổi cho phù hợp trong quá trình cố kết Trong thực tế thiết kế [140,173], tầm quan trọng của độ lún cố kết trong nền đất được cải thiện được tính bằng cách nhân độ lún cố kết của nền đất ban đầu (chưa được cải thiện) và một hệ số giảm độ lún, và độ cố kết được tính toán cùng với lý thuyết của Barron với việc sửa đổi các hệ số cố kết

1.2.3.6 Tỉ số tập trung ứng suất

Tỷ số tập trung ứng suất là một thông số quan trọng cho việc thiết kế sức chịu tải, ổn định và độ lún và đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà nghiên cứu Tuy nhiên, cần có những nghiên cứu thêm để làm rõ nó về cả hai lĩnh vực thực nghiệm và lý thuyết

Ở Việt Nam, tính đến thời điểm hiện nay, thiết kế xử lý nền đất yếu dựa vào các tiêu chuẩn như: 22TCN 262 – 2000 - quy trình khảo sát thiết kế nền đường ô tô trên đất yếu trong ngành giao thông; TCVN 9355 – 2012 – gia cố nền đất yếu bằng bấc thấm thoát nước Trong các tiêu chuẩn này tập trung đề cập đến thiết kế xử lý nền đất yếu theo phương pháp thoát nước thẳng đứng (giếng cát, bấc thấm) Một số phương pháp thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, cọc đất gia cố, cọc bê tông cốt thép - sàn giảm tải…chưa được đề cập đến trong Tiêu chuẩn thiết kế nền đất yếu ở nước ta mà chỉ được đưa ra trong một số Chỉ dẫn kỹ thuật, hướng dẫn thiết kế của nước ngoài của các

tổ chức như Hiệp hội cầu đường Nhật Bản (JRA), Tổ chức đường bộ Nhật Bản (JHC), Hội Địa kỹ thuật Thụy Điển (SGS)…

1.2.4.Tình hình ứng dụng của cọc cát

Cọc cát là một trong những phương pháp xử lý nền đất yếu có tác dụng làm tăng sức chịu tải của nền và đồng thời làm cho tốc độ thoát nước, cố kết trong nền cũng được cải thiện, giúp công trình nhanh chóng đạt được giới hạn ổn định về lún Do vậy, phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng trên thế giới

Tại Ý, năm 1967, khi xây dựng hai bể chứa bằng thép trên nền đất yếu đã dùng phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát Mỗi bể có đường kính 20m, chiều cao 16m Đất nền là loại cát bụi ở trạng thái bão hòa nước Ở chiều sâu 12-15m kể từ mặt đất thiên nhiên là lớp cát trung ở trạng thái chặt vừa Tải trọng của bể chứa tác dụng lên nền đất là 1,7 kG/cm2 Nếu đặt các bể chứa này trên nền đất thiên nhiên với cường độ tải trọng như trên thì không đảm bảo về phương diện ổn định, đặc biệt là lún không đều Cơ quan thiết kế đã quyết định dùng phương án cọc cát để xử lý trong trường hợp này Ở đây đã dùng 2 loại cọc cát có đường kính như nhau (32cm) nhưng chiều dài khác nhau (4,5m và 6,0m), khoảng cách giữa các cọc là 1,0m và 1,2m Ở phía ngoài bể

chứa dùng loại cọc cát có chiều dài lớn hơn ở phía trong Sau 20 ngày chất tải trọng toàn bộ, độ lún của các bể chứa không lớn hơn 6,0cm và sự khác nhau về trị số độ lún

ở các điểm dưới bể chứa không vượt quá 2,5cm Toàn bộ hai bể chứa cho đến nay vẫn

ở trạng thái ổn định

Tại Hàn Quốc, cọc cát được ứng dụng lần đầu tiên vào năm 1984 cho dự án Kwang Yang cách thủ đô Sê Un 300 km về phía Nam, trên vùng đồng bằng tạo bởi sông Sum Jin và sông Su Oh Vị trí này được chọn cho xây dựng dự án vì nó nối liền trực tiếp với biển rất thuận lợi cho việc nhập khẩu nhiên liệu thô và xuất khẩu sản phẩm chế biến từ cá Với địa chất đất nền rất yếu, nhưng dự án này vẫn được tiến hành xây dựng

và thành công với việc xử lý nền bằng cọc cát, với chiều dài cọc trung bình là 25m, đường kính giếng 0,7m với tổng diện tích phải xử lý là 1.450.000 m2, số lượng cát sử dụng cho công trình là 11.600.000 m3

Đối với nước ta, sau khi hoà bình được lập lại, chỉ trong một thời gian ngắn, mặc dù là một nước có nền xây dựng còn gặp nhiều khó khăn về kinh nghiệm thiết kế và thi công nhưng đã mạnh dạn áp dụng phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát

Lần đầu tiên phải kể đến công trình dân dụng liên hợp 3,4 và 5 tầng N.Q ở Hà Nội vào năm 1963, đây là công trình được xây trên vùng tam giác châu thổ sông Hồng, với khu

3 tầng nằm trên nền đất yếu là lớp bùn có dạng thấu kính, do đó không thể đặt trực tiếp móng trên nền thiên nhiên, cần phải có biện pháp xử lý Cơ quan thiết kế đã quyết định dùng phương án cọc cát với 566 cọc trên diện tích cần xử lý có đường kính 40cm, dài 4,5m, bố trí cách nhau 70cm theo lưới đỉnh của tam giác đều Sau khi nén chặt bằng cọc cát, bằng những kết quả thí nghiệm cho thấy chỉ tiêu cơ lý của đất tốt hơn nhiều so với trước khi gia cố

Trong những năm gần đây, rất nhiều các công trình xây dựng trong nước đã sử dụng phương pháp cọc cát để xử lý nền nhờ tính ưu việt của vật liệu Đối với khu vực đồng bằng sông Cửu Long, cát là loại vật liệu rẻ tiền và dễ kiếm, phương pháp thi công nhanh và đơn giản Các công trình xây dựng có sử dụng cọc cát để xử lý nền phải kể đến như: công trình nhà máy ximăng Cẩm Phả - Quảng Ninh, công trình xử lý nền đường cao tốc Thành phố Hồ Chí Minh – Trung Lương đoạn nối từ Tân Tạo đi chợ

Đệm (km 0+200 đến km 8+200), công trình chỉnh trị hạ lưu sông Tắc, Quán Trường, Khánh Hòa, dự án mở rộng đường Láng, Hòa Lạc đoạn qua huyện Chương Mỹ, Thành phố Hà Nội, công trình xử lý nền đất yếu bằng đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình (km 238+200 đến km 248+0.0) Phương pháp cọc cát đầm chặt (SCP) đã được kiến nghị thay thế cho phương pháp cọc đất gia cố xi măng và sàn giảm tải khi xử lý các đoạn đường đắp cao trên nền đất yếu dày

1.3 Kết luận chương 1

Ở chương 1 tác giả đã trình bày chi tiết về đặc điểm cơ bản về cọc cát, lịch sử phát triển và ứng dụng cọc cát ở trên thế giới, Việt Nam Trong chương này tác giả cũng đã rút ra được những vấn đề còn tồn tại liên quan đến yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cọc cát nói chung và trong gia cố nền đắp trên đất yếu nói riêng ở nước ta

Chương này cũng là tiền đề cho việc phân tích, lựa chọn bố trí hệ cọc cát cho các vùng địa chất yếu điển hình ở Sóc Trăng Cụ thể là Công trình tuyến tránh nhà máy nhiệt điện huyện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng Ví dụ như các ưu và nhược điểm khi xử lý cọc cát:

+ Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công Do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định Bởi vì lúc này cọc cát làm việc như các giếng thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát nước ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài Điều này không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cho cọc cứng