Bài viết trình bày việc nghiên cứu áp dụng phương pháp Priebe đối với các phương án cải tạo khác nhau (ứng với các loại cọc và đất nền khác nhau), so sánh phương pháp Priebe với các phương pháp tính toán khác, cũng như đối chiếu với số liệu đo đạc thực tế để kiểm chứng.
Trang 1NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PRIEBE
ĐỂ TÍNH LÖN NỀN MÓNG CỌC LOESS-XI MĂNG ĐẦM CHẶT, TRONG NỀN ĐẤT LOESS
NGUYỄN CÔNG ĐỊNH*
SANDA MANEA **
Study to apply priebe method to estimate settlement of loess-cement compacted column foundation in loess
Abstract: Several contributions have been suggested to estimate the
assumed linear elastic settlement of foundations on columnar reinforced soils A number of authors have considered the so-called Priebe’s method, which has been extensively used worldwide, and they have made suggestions especially for soft clays reinforced by stone columns This paper presents step by step how (to apply the methods studies) to apply Priebe method to estimate the settlement of loess foundation improved by loess-cement compacted column in a case study
Key words: cement, collapsible soils, loess, column, Priebe
1 GIỚI THIỆU *
Phương pháp phổ biến nhất (ở châu Âu) để
tính toán nền đất cải tạo bằng cọc đầm (vật
liệu rời, đầm chặt, đầm rung) đã được Heinz J
Priebe phát triển và đề xuất lần đầu từ năm
1976 Theo thời gian, phương pháp này đã có
nhiều cải tiến, được chấp nhận và sử dụng
rộng rãi bởi các nhà khoa học, nhà thiết kế và
xây dựng (Laurentiu Floroiu, 2013) Tuy
nhiên, ở Việt Nam phương pháp này chưa
được biết đến nhiều, hiện tại chỉ có một số ít
bài viết hay công trình sử dụng phương pháp
Priebe (TCCS 66:2015/ IBST 2015; Bùi
Trường Sơn & Lê Hồng Quang 2016) Bài
viết này sẽ giới thiệu phương pháp Priebe và
diễn giải các bước tính toán áp dụng nó qua
một ví dụ cụ thể
*
Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam
**
Technical University of Civil Engineering, Bucharest,
Romania
Email: congdinh2610@gmail.com
Nguyên lý của phương pháp này là quy đổi nền đất-cọc thành một nền đồng nhất tương đương thông qua các hệ số cải tạo (mức độ cải tạo của cọc đối với nền đất) xét trên những yếu tố ảnh hưởng khác nhau Đây là một phương pháp bán thực nghiệm – vừa có các công thức tính toán lý thuyết đồng thời các thông số cũng được xác định qua đồ thị thực nghiệm, qua nhiều bước Các bước này xét đến nhiều yếu tố ảnh hưởng phức tạp, cách tính rắc rối dễ gây nhầm lẫn, bài viết này sẽ trình bày và làm rõ chúng thông qua một ví dụ với cọc đất loess-xi măng trong nền đất loess Phiên bản mới nhất của phương pháp Priebe
có thể tải tại địa chỉ http://www.getec-ac.de/downloacl/en/pdf7GT07-13E.pdf (“The Design of Vibro Replacement", H J Priebe, 1995) Để ngắn gọn, sau đây, các công thức tính toán lấy theo tài liệu này sẽ được đánh số
và không ghi thêm nguồn trích dẫn
Các ký hiệu (quy ước thống nhất theo bài viết gốc của Priebe để tiện theo dõi)
Trang 2A: Diện tích
c: lực dính kết của đất
d f : chiều sâu đáy móng
f d : hệ số yếu tố chiều sâu
K: hệ số áp lực đất (K 0 :.~ ban đầu, K a :.~ chủ động)
n: hệ số cải tạo
B: Bề rộng móng (=2R)
d: chiều sâu D: modul biến dạng p: tải trọng
s:độ lún W: trọng lượng g: trọng lượng thể tích j: góc ma sát trong
Trong đó các chỉ số phụ được mô tả trong
từng trường hợp Thông thường quy ước chỉ số
phụ “C” đối với “cọc”, “S” đối với nền đất và
“eq”dành cho giá trị quy đổi lớp đồng nhất
tương đương với tổ hợp cọc-đất
2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
Bài toán áp dụng sẽ được tính toán cho nền
móng công trình tháp turbin điện gió, trên nền
đất loess tại hạt Ciocanesti, Romania Công trình
xây dựng trên nền đất loess (đất hoàng thổ), yêu
cầu phải xử lý nền vì đất loess là loại đất đặc
biệt, được thành tạo do gió, có độ rỗng rất lớn và
có tính lún ướt, lún sập Đất loess ở đây thường
phân bố nông hoặc ngay trên mặt, với địa tầng có
lớp đất loess dày (khi biện pháp bóc bỏ không
khả thi hoặc không kinh tế) thì giải pháp móng
cọc thường được áp dụng Với công trình tháp
turbin điện gió, giải pháp móng cọc đất loess trộn
với xi măng đầm chặt dưới lớp gối cùng thành
phần được ưu tiên áp dụng vì tính kinh tế (so với
móng cọc bê tông cốt thép) và khả năng ngăn cản
nước thấm từ trên xuống Mặt cắt thiết kế xử lý
nền đất được trình bày trong (Hình 1) (Romeo
Ciortan & Cyril Plomteux, 2010)
Nền đất được xử lý bằng gối đệm chịu tải phía trên (đến độ sâu dgoidem=3 m) cùng với cọc cắm sâu đến tầng đá tốt (sâu 10 m), vật liệu lớp gối đệm và cọc cùng là đất loess tại chỗ trộn với
xi măng, được đầm chặt (hàm lượng xi măng được thử nghiệm với các giá trị 0%, 2% và 4% - các bước tính toán lấy ví dụ với 4%, kết quả sẽ trình bày so sánh cả 3 trường hợp) Cọc trụ tròn
có bán kính R = 40 cm được bố trí thành mạng lưới ô vuông, khoảng cách tâm cọc O12=2 m Thông số vật liệu được trình bày trong (Bảng 1)
Hình 1: Mặt cắt thiết kế và các thông số hình học
Bảng 1: Một số chỉ tiêu, tính chất vật liệu
Vật liệu
Trọng lượng thể tích (gS, gC)
Góc ma sát trong (jS, jC)
Cường độ lực dính kết (cS, cC)
Modul biến dạng (Ds, Dc)
Cọc và
gối đệm,
đầm chặt
Trang 3Móng tháp hình tròn, đường kính 2R=15,4
m, chịu tải trọng phân bố đều tối đa 450 kPa, độ
sâu móng df=1,5 m (Romeo Ciortan & Cyril
Plomteux, 2010)
Độ lún sẽ được dự tính theo phương pháp
Priebe bằng cả 2 cách là tính theo công thức lý
thuyết và biểu đồ thực nghiệm
3 TÍNH TOÁN KẾT QUẢ VÀ THẢO
LUẬN
3.1 Xác định hệ số cải tạo cơ bản (n 0 )
Trong bước tính toán đầu tiên, tác giả đưa ra
hệ số cải tạo cơ bản ký hiệu là n0 để xác định
mức độ mà các cọc đã cải tạo tính chất cơ học
của nền đất, so với nền tự nhiên ban đầu (chưa
xử lý) Theo hệ số cải tạo này, modul biến dạng
(modul Young) của nền đồng nhất tương đương
tăng lên, theo đó độ lún giảm đi Các bước thiết
kế tiếp theo cũng dựa trên nguyên tắc cơ bản
này (S Ellouze et al 2010)
Hệ số cải tạo cơ bản được xác định theo giả
thuyết mô hình cọc lý tưởng, với các điệu kiện:
cọc chống trên lớp đất cứng, không bị phá hủy,
không bị biến dạng và bỏ qua trọng lượng bản
thân của vật liệu (Priebe, 1995) Hệ số n0 được
xác định theo các thông số: tỷ lệ diện tích cọc
(AC) so với nền đất (A) và thông số địa kỹ thuật
của vật liệu cọc (jC)
Diện tích mỗi phần tử mắt lưới (A – gồm 1
cọc và đất xung quanh) và của mặt cắt mỗi cọc
(AC) được xác định như sau (cọc bố trí theo
mạng lưới ô vuông):
A=O12 x O12=2 m x 2 m=4 m2
Ac=p x R2 = p.(0,4 m)2=0,5027 m2
A/Ac=4/0,5027=7,9577
Góc ma sát trong của vật liệu cọc (loess+4%
xi măng) được xác định bằng thí nghiệm trong
phòng là jc=45° Theo đó, có thể xác định hệ số
n0 (với hệ số Poisson = 1/3):
Xác định theo công thức lý thuyết
0
n
A K A A
Thay số xác định được n 0 =1,895
Xác định theo biểu đồ thực nghiệm
Hệ số cải tạo cơ bản cũng được xác định qua biểu đồ thực nghiệm trong (Hình 2)
Hình 2: Biểu đồ xác định hệ số cải tạo cở bản n 0
(Priebe, 1995)
Từ các thông số A/Ac và j, hệ số n0 được xác
định theo đồ thị: n 0 =1,85
3.2 Hệ số xét đến độ nén của cọc – n 1
Hệ số này xét đến ảnh hưởng của vật liệu cọc cũng có thể bị nén chặt để phù hợp với thực tế
Xác định theo công thức lý thuyết
Xét trường hợp thay toàn bộ nền đất yếu bằng vật liệu cọc (Ac/A=1), thì trong thực tế hệ
số cải tạo (n0) không thể đạt đến vô cùng như theo công thức lý thuyết [1], mà nó dễ dàng được xác định tương ứng bằng tỷ lệ giữa modul biến dạng của cọc so với nền đất (n0=Dc/Ds khi
Ac/A=1) Vì vậy hệ số tỷ lệ diện tích được hiệu chỉnh cho phù hợp, với hệ số Poisson =1/3, tỷ lệ diện tích hiệu chỉnh (Ac/A)1 được lấy theo giá trị dương nhỏ nhất trong theo công thức [3]:
0 1
2
1
aC
[3]
Theo đó, hệ số cải tạo n1 xét đến độ chịu nén của cọc được tính theo công thức:
1
n
[4]
Trang 4trong đó:
1 /
C
C
A
[5] và 1
1
C
C
A A
Theo các công thức [3],[4],[5],[6], thay số
tính được:
(AC/A)1=0,1257;
D(AC/A)=6,9577;
/
C
A A =0,067;
n 1 =1,45
- Lưu ý 1: công thức [3] chính là công thức
tính nghiệm của phương trình bậc 2, và nghiệm
dương nhỏ nhất chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ A/AC,
mà không phụ thuộc vào các yếu tố khác (như
tính chất của vật liệu đất, cọc)
- Lưu ý 2: công thức [5] đã có bài viết áp
dụng và trình bày khác, có thể do nhầm lẫn hoặc
có phương pháp tiếp cận khác (S Ellouze et al.),
tuy nhiên trong bài viết này vẫn áp dụng theo
công thức gốc do Priebe đưa ra
Xác định theo biểu đồ thực nghiệm
Trước hết gia số D(AC/A) được xác định theo
biểu đồ ở (Hình 3):
Hình 3: Hệ số điều chỉnh xét đến tính nén của
vật liệu cọc (Priebe, 1995)
Từ biểu đồ hình 3, tra theo DC/DS=8,369 và
j=45oxác định được:
D(A/AC)=0,85 và từ biểu đồ hình 2 xác
định được n 1 =1,8 (tra theo tỷ số diện tích đã
hiệu chỉnh [A/AC]’ = A/AC+D(A/AC) = 7,96 + 0,85 = 8,81)
Cần lưu ý khi tra bảng xác định các hệ số theo đồ thị để xác định n1, cần tra theo giá trị [A/AC]’ đã hiệu chỉnh - tránh nhầm lẫn với giá trị A/AC ban đầu
3.3 Hệ số xét đến ảnh hưởng của chiều sâu n 2
Hệ số cải tạo n0 ban đầu được xác định trong giả thiết bỏ qua trọng lượng bản thân của cọc và đất – theo giả thiết này, sự chênh lệch ứng suất trong cọc và đất chỉ phụ thuộc vào sự phân bố tải trọng nền và nó không đổi dọc chiều sâu cọc Tuy nhiên, thực tế, do ảnh hưởng trọng lượng bản thân vật liệu cọc và đất nền, sư chênh lệch ứng suất giảm dần theo chiều sâu Vì vậy, yếu tố chiều sâu fd được bổ sung để hiệu chỉnh hệ số cải tạo từ n1 thành n2:
n2 = fd.n1 [7]
Xác định hệ số theo công thức
Hệ số ảnh hưởng chiều sâu được xác định theo công thức:
0 0
1
d
f
[8]
trong đó:
/
C
p p
A A A
A p p
[9]
Thay số vào các công thức [7],[8],[9],[10], xác định được fd=1,209 và n 2 =1,752
Xác định hệ số n 2 theo biểu đồ
Công thức xác định hệ số ảnh hưởng của chiều sâu có thể được viết dưới dạng:
1
1
d
S
f
p
trong đó, hệ số ảnh hưởng “y” được xác định theo biểu đồ (Hình 4)
Qua các thông số A/Ac và j, từ biểu đồ (Hình 4) xác định được hệ số y=0,84, từ đó tính theo công thức [11] xác định được fd=1,258, và xác định n2 theo công thức [7] được n 2 =2,265
Trang 5Hình 4: Xác định hệ số ảnh hưởng theo chiều
sâu (Priebe, 1995)
3.4 Kiểm tra điều kiện tương thích
Vì đây là phương pháp bán thực nghiệm, quá
trình tính toán thiết kế có các bước được đơn
giản hóa và xấp xỉ nên cần có thêm bước kiểm
tra sự phù hợp so với thực tế Priebe đưa ra 2
điều kiện kiểm tra riêng biệt đối với 2 loại đất
nền ban đầu: đất mềm/xốp hoặc đất cứng/chặt
Trong trường hợp này, đất loess là loại đất có
độ rỗng lớn, biến dạng lớn nên xem xét theo
điều kiện đất mềm, xốp: giá trị hệ số cải tạo
không lớn hơn nmax
S
A D
n
A D
trong đó AC/A lấy theo tỷ số thực tế chứ
không theo giá trị đã hiệu chỉnh
Thay số vào công thức [12] tính được
nmax=1,926
So sánh: n2 tính theo công thức<nmax, giữ
nguyên giá trị tính toán: n2 công thức
=1,752
n2 tính theo đồ thị >nmax, lấy theo giá trị nmax
n2 đồ thị
=nmax=1,926
3.5 Tính lún theo phương pháp phân tầng
tính tổng
Các bước tính lún được trình bày ví dụ với phương án cọc và gối đệm là hỗn hợp loess trộn 4% xi măng, đầm chặt Bài toán tính lún cho móng tròn đường kính 2R=15,4 m, chịu tải trọng phân bố đều p=450 kPa Đáy móng sâu 1,5 m đặt trên lớp gối đệm dày 1,5 m Chiều sâu tính lún đến lớp đá phiến sét, Hdf = 10 m (thông
số hình học xem thêm Hình 1, giá trị tính toán xem thêm phần Phụ lục, Bảng 3)
Xác định thông số lớp đất tương đương: Trọng lượng thể tích tương đương (tính theo
tỷ lệ diện tích mặt cắt):
geq=[gS.(A-AC)+gC.AC]/A=17,54 kN/m3 Modul biến dạng, xác định theo công thức Priebe:
Deqcongthuc=n2.Ds=13230,56 kPa Modul biến dạng, xác định theo các đồ thị Priebe:
Deqdothi=n2.Ds=14544,39 kPa
Từ các thông số này, xác định được độ lún của nền (theo phương pháp phân tầng tính tổng - tiêu chuẩn NP 112 – 2014, xem chi tiết ở phần phụ lục):
Độ lún tổng cộng theo các công thức Priebe:
scông thức =146,16 mm
Độ lún tổng cộng theo các biểu đồ Priebe:
sđồ thị=133,91 mm
3.6 Tổng hợp kết quả với các phương án
xử lý có hàm lượng xi măng khác nhau
Các hệ số cải tạo và kết quả tính lún được xác định theo 2 cách (công thức và đồ thị) của phương pháp Priebe, ứng với các phương án khác nhau về hàm lượng xi măng được tổng hơp trong (Bảng 2)
Bảng 2: Tổng hợp kết quả tính lún theo phương pháp Priebe với các phương án xử lý khác nhau
Vật liệu cọc và gối đệm
Priebe-Theo công thức Priebe-Theo đồ thị
Hệ số cải tạo Tổng độ lún Hệ số cải tạo Tổng độ lún
Loess tự nhiên (không xử lý) 1,00 1,00 1,00 326,02 1,00 1,00 1,00 326,02
Loess đầm chặt 1,34 1,17 1,18 237,54 1,20 1,15 1,18 237,54
Loess+2% xi măng, đầm chặt 1,51 1,25 1,44 182,68 1,50 1,45 1,49 177,49
Loess+4% xi măng, đầm chặt 1,90 1,45 1,75 146,16 1,85 1,80 1,93 133,91
Trang 6Tương quan độ lún giữa các phương án được
trình bày trực quan qua đồ thị (Hình 5)
Hình 5: Độ lún tổng cộng tính theo Priebe
với các phương án xử lý khác nhau về hàm
lượng % xi măng
Nhận xét:
Các giá trị độ lún xác định được theo công
thức và theo đồ thị là xấp xỉ nhau (có sự sai
khác nhưng không lớn) - Điều này giúp đối
chiếu giữa hai cách tính để tránh sai sót trong
quá trình tính toán, đồng thời cũng tăng độ tin
cậy của kết quả tính toán
4 KẾT LUẬN
Đã có nhiều bài viết mô tả và ứng dụng
phương pháp Priebe qua các ví dụ cụ thể của
cọc đá dăm trong nền đất yếu (M Bouassida et
al, 2008) Bài viết này bổ sung thêm một ví dụ
trong một trường hợp khác, đối với cọc đất trộn
xi măng đầm chặt trong nền đất loess – dù vật
liệu khác biệt nhưng vẫn tuân thủ các nguyên lý
của phương pháp
Nguyên lý của phương pháp Priebe là quy
đổi nền cọc – đất vốn khác biệt lớn về tính chất
thành một nền đồng nhất tương đương (về mặt
cơ học) – vì vậy phương pháp có thể áp dụng
cho nhiều trường hợp cải tạo khác nhau như cọc
cát, cọc đá, cọc đất-xi măng trong các nền đất
yếu khác nhau như loess, sét mềm yếu…
Phương pháp Priebe là một phương pháp
bán thực nghiệm gồm cả tính toán theo công
thức và tra hệ số theo đồ thị, trong đó các bước tính toán khá phức tạp, mặc dù đã được trình bày chi tiết trong bản trình bày phương pháp do chính tác giả thể hiện “The Design of Vibro Replacement" (H J Priebe, 1995), tuy vậy việc có thêm ví dụ minh họa là cần thiết
và có ý nghĩa
Hơn nữa, thực tế cho thấy, khi áp dụng đã
có một số bài báo đưa ra các công thức khác nhau, không thống nhất – vì vậy cần có sự điều chỉnh để có một cách diễn đạt đơn giản, chính xác hơn
Kết quả tính toán giá trị các hệ số cải tạo n0,
n1, n2, cũng như độ lún theo hai cách tính công thức và tra đồ thị cho ra kết quả tương đối sát nhau Vì vậy, khi áp dụng phương pháp này đề xuất tính theo cả 2 cách để dễ dàng đối chiếu, tránh sai sót, nhầm lẫn
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
Bài viết này mới chỉ dừng lại ở mức giới thiệu và phân tích, diễn giải từng bước tính toán áp dụng phương pháp và đánh giá, so sánh kết quả bằng hai cách tính trong nội bộ phương pháp Priebe Việc đánh giá hiệu quả,
độ tin cậy của phương pháp, mặc dù đã có nhiều bài viết và được áp dụng rộng rãi ở nước ngoài nhưng ở Việt Nam thông tin này còn khá hạn chế, cần được đầu tư nghiên cứu thêm theo các hướng như:
- Nghiên cứu áp dụng phương pháp Priebe đối với các phương án cải tạo khác nhau (ứng với các loại cọc và đất nền khác nhau);
- So sánh phương pháp Priebe với các phương pháp tính toán khác, cũng như đối chiếu với số liệu đo đạc thực tế để kiểm chứng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 A Zahmatkesh & A J Choobbasti (2010)
"Settlement evaluation of soft clay reinforced by
Trang 7stone columns, considering the effect of soil
compaction" IJRRAS 3 (tiếng Anh)
2 Bùi Trường Sơn, Lê Hồng Quang (2016)
“Ứng dụng cọc đá để gia cố nền đất yếu ở Việt
Nam” Vietnamese Society for Soil Mechanics
& Geotechnical Engineering
3 Ernest Olinic et al (2014) "Studiu
geotehnic, constructia depozitului de la
Ciocanesti, judetul Calarasi (partea 1 – prima
celula si instalatii auxiliare) si proiectarea,
constructia si punerea in functiune a statiei de
sortare si compostare si a statiei de tratare a
levigatului in judetul Calarasi" Consiliul judetul
Calarasi (tiếng Rumani)
4 Heinz J Priebe (1995) "The Design of
Vibro Replacement" GeTec Ingenieurgesellschaft
(tiếng Anh)
5 Laurentiu Floroiu (2013) "Parametrii
geotehnici al pământului imbunătătit cu coloane
din material granular" Revista Română de
Geotehnică şi Fundaţii - Nr.l/ 2013 pp.37-40
(tiếng Rumani)
6 Lê Hồng Quang (2012), “Đánh giá khả
năng ổn định và ứng dụng trụ vật liệu hạt rời để
xử lý nền đất yếu khu vực phía nam”, Luận văn
Thạc sỹ Địa Kỹ Thuật, Trường ĐHBK –ĐHQG
TPHCM
7 Madhira R Madhav (2007)
"Granular piles-construction, design and
behaviour" J.N.T.Universit y, Hyderabad, India (tiếng Anh)
8 M Bouassida, S Ellouze & L Hazzar (2008) "Investigating Priebe’s method for settlement estimation of foundation resting on soil reinforced by stone columns" Geotechnics
of Soft Soils - Focus on Ground Improvement - Karstunen & Leoni, 2009 Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-47591-4 (tiếng Anh)
9 NP 112 - 2014 (2014) "Normativ privind proiectarea fundatiilor de suprafată" Ministerului Dezvoltării Regionale si Administraţiei Publice (tiếng Rumani)
10 Romeo Ciortan, Cyril Plomteux (2010)
"Integrated Ground improvement solution for the largest wind farm project in Europe" From Research to Design in European Practice, Bratislava, Slovak Republic, June 2-4, 2010 (tiếng Anh)
11 S Ellouze, M Bouassida, L Hazzar and
H Mroueh (2010) "On settlement of stone column foundation by Priebe’s method" Proceedings of the Institution of Civil Engineers Ground Improvement (tiếng Anh)
12 TCCS 66:2015/ IBST (2015) Tiêu chuẩn
cơ sở “Trụ đá đầm rung sâu – tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu” Vietnam Institute for Building Science
Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN SỸ NGỌC