Bài viết tập trung vào đánh giá tình cảm là sự gia tăng nước ngầm gây ra bởi sự gia tăng nước ngầm kết hợp với mưa lớn gây ngập lụt cục bộ với nồng độ căng thẳng tỷ lệ trên đống hàng đầu trong các giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông hệ thống kết hợp vải địa kỹ thuật.
Trang 1ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỰC NƯỚC NGẦM GIA TĂNG ĐẾN HỆ SỐ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT ĐẦU CỌC TRONG GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP
KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT
NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG *
, CHÂU NGỌC ẨN ** , VÕ PHÁN ***
Rating affection’ of the groundwater increase to the stress concentration ratio on the top piles in the soft ground treatment solution by concrete pile systems combine geotextle
Abstract: Soft soil improvement by geosynthetic and concrete pile systems
is an interesting and more popular technique on condition that this solution is practical However, today some works are constructed and used
to appearing some problems such as subsidence displacement or cracked structure surface caused by the groundwater increase combine with heavy rains caused local flooding The content of paper concentrates on rating affection’s the groundwater increase caused by the groundwater increase combine with heavy rains caused local flooding to the stress concentration ratio on the top piles in the soft ground treatment solution by concrete pile systems combine geotextile
1 GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây một công nghệ nền
móng mới hình thành có tên “ Vải địa kỹ thuật kết
hợp phần tử cọc đỡ công trình đất đắp trên nền đất
yếu” Những “phần tử cọc” (cọc bê tông cốt thép,
cột đá, cọc gỗ, cột cát có bao, cột đất trộn xi
măng, tường trong đất…) được phân bố đều trong
nền đất yếu đến tận lớp chịu lực bên dưới, “phần
tử cọc” được sắp xếp theo lưới tam giác hoặc ô
vuông là một giải pháp hy vọng giải quyết được
vấn đề vừa nêu Trọng lượng của khối đất đắp có
thể truyền trực tiếp lên đầu cọc bởi hiệu ứng vòm
hoặc gián tiếp qua các hiệu ứng màng của lớp vải
địa kỹ thuật Tải mà “phần tử cọc” gánh đỡ truyền
vào lớp nền cứng dưới mũi cọc và ma sát cọc với đất yếu xung quanh
Terzaghi (1943) đã đưa ra kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng vòm thông qua giải phương trình cân bằng ứng suất dựa trên mô hình cửa sập, đồng thời đã vẽ đường ứng suất đứng trong cát đắp trong trường hợp có hiệu ứng vòm và không có hiệu ứng vòm dựa trên quan hệ giữa hệ số tải trọng (P/γH) và tỷ số hình dạng (H/B được thể hiện trong hình 1
Hình 1 Ảnh hưởng của hiệu ứng cung vòm
đến đường ứng suất tĩnh
*, **, *** Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM
số 268 Lý Thường Kiệt, quận 10, TP Hồ Chí Minh,
ĐT: 083 8636822
* ĐT: 0919 070096,
Email: tuanphuongvk@gmail.com
** ĐT: 0908 299105, Email:cnan@yahoo.com
***
ĐT: 0913 867008, Email: vphan54@yahoo.com
Trang 2Hình 2: Ảnh hưởng của hiệu ứng cung vòm
đến đường ứng suất theo phương pháp
Terzaghi và đường ứng suất tĩnh
Dựa trên lý thuyết cung vòm của Hewlett và
Randolph (1988) Tiêu chuẩn Đức đã xây dựng
kết quả trên giả thuyết cung vòm trong đất có
dạng hình vòm Chiều dày của cung vòm là
2
b
(với b: cạnh của cọc)
Hình 3: Phân tích lực tác dụng trên phần tử
cung vòm theo Tiêu chuẩn Đức
Tiêu chuẩn Anh BS 8006 (1995) Anh đã
hoàn chỉnh phương pháp tính của Jones (1990)
dựa nghiên cứu của Marston và Anderson
(1913) về cung vòm trong đỉnh của nhóm cọc
Phương pháp tính trong Tiêu chuẩn này được
giả thuyết cung vòm như một bán cầu vòm phụ
thuộc vào lực kéo căng bề mặt của khối cát đắp
Hình 4: Bán cầu theo Tiêu chuẩn Anh BS 8006
2 THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TỶ LỆ THỰC 1:1
Xây dựng mô hình thí nghiệm thực tế với 16 cọc bê tông cốt thép có B.20 (M.250), chiều dài cọc L = 14m gồm 02 mô đun mỗi mô đun 7m.Vải địa kỹ thuật loại dệt cường độ cao khả năng chịu kéo đạt 100 kN/m, độ giãn dài tối đa đạt 10% Cát đắp trên đầu cọc là cát hạt to có γtn
= 19 kN/m3 Cát đắp gia tải là cát mịn γtn = 16 kN/m3 với chiều cao đắp hđ = 4m trên tắm bê tông cốt thép B.20 dày 200mm có tác dụng phân
bố đều tải trọng
Hình 5: Mặt bằng mô hình thí nghiệm
thực tỷ lệ 1:1
Trang 3Hình 6: Mặt cắt mô hình thí nghiệm thực tỷ lệ 1:1
3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT
BỊ ĐO ỨNG SUẤT
Cảm biến là thiết bị đo biến dạng (ε) dưới
tác dụng của ngoại lực tác dụng Biến dạng (ε)
là sự thay đổi về kích thước hình học của vật
liệu như hình 7
ε = ΔL/L
Hình 7 Biến dạng kích thước của vật liệu
Hình 8 Hình dạng cảm biến
Ứng dụng lý thuyết biến dạng tấm mỏng chịu
áp lực phân bố như hình 9
Hình 9: Lực phân bố lên tấm mỏng
Dưới tác dụng của áp lực, tấm kim loại mỏng biến dạng đàn hồi, làm thay đổi điện trở của cảm biến dán dính trên tấm kim loại Từ sự biến đổi điện trở của cảm biến, cường độ dòng điện qua cảm biến cũng thay đổi Bằng thiết bị đo, có thể ghi nhận sự biến đổi của dòng điện theo từng áp lực tác dụng lên tấm mỏng
Vật liệu dùng chế tạo cảm biến là vật liệu dẫn điện, có quan hệ giữa biến dạng và điện trở biểu hiện qua tỷ số giữa biến thiên tương đối của điện trở với biến thiên tương đối của chiều dài cảm biến gọi là hệ số cảm biến (Gauge factor)
l R A
r
Với R: Điện trở ( ) ρ: Điện trở suất ( mm) l: Chiều dài vật dẫn điện (mm) A: Diện tích tiết diện dẫn điện (mm2)
/ /
R R GF
L L
d d
= Với GF: Hệ số cảm biến
R
d : Độ biến thiên cảm biến
R: Điện trở ( )
L
d : Độ biến thiên chiều dài L: Chiều dài (mm)
Nguyên lý của hệ thống đo: Ứng dụng mạch cầu Wheatstone
Hệ thống sẽ được cấp nguồn điện không đổi
VS Khi cảm biến không bị biến dạng (ΔR=0 và
Rx= R1 = R2 = R3 =R0) thì VG=0 Khi cảm biến
bị biến dạng làm thay đổi giá trị RX và giá trị VG
theo công thức bên dưới Đo giá trị điện áp VG
ta sẽ suy ra được giá trị biến dạng
Trang 4x
R R R R
1
4 1
2
G
S
V GF
(2)
4
G
V
(3)
Hình 10 Sơ đồ mắc nối tiếp Strain gauge
và các điện trở
Các đầu đo ứng suất trong mô hình thí
nghiệm được đặt tại các vị trí nhằm thu thập các
giá trị ứng suất tại các điểm để phân tích ảnh
hưởng của hiệu ứng vòm trong giải pháp thiết
kế xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp
với vải địa kỹ thuật Các thiết bị được đặt trên
tắm đệm phẳng nhằm tránh lệch thiết bị trong
quá trình thí nghiệm
Ps7 là đầu đo áp lực nước lỗ rỗng đặt tại giữa
khoảng cách 02 cọc
Ps3 là đầu đo áp lực nước lỗ rỗng đặt tại giữa
tâm 04 cọc
Ps9 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc
nhưng dưới lớp vải địa kỹ thuật
Ps1 là đầu đo ứng suất đặt giữa 02 cọc nhưng
trên lớp vải địa kỹ thuật
Ps4 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc đo
ứng suất đứng theo phương ngang
Ps8 là đầu đo ứng suất đặt cách cọc ¼ khoảng cách
cọc nhưng trên lớp vải địa kỹ thuật
Ps10 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc
nhưng trên lớp vải địa kỹ thuật
Ps14 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp
cách đầu cọc 0.4m theo phương đứng
Ps11 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp cách đầu cọc 0.8m theo phương đứng
Ps6 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp cách đầu cọc 1.2m theo phương đứng
Ps2 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp cách đầu cọc 1.6m theo phương đứng
4 Kết quả thí nghiệm mô hình tỷ lệ thực 1:1
Kết quả thu được từ các thiết bị đo được thông qua biểu đồ sau
Ứng suất tại đầu cọc có giá trị lớn hơn nhiều lần
so với ứng suất tại vị trí đất nền xung quanh cọc
Biểu đồ 1: Ứng suất tại các thiết bị đo khi mực
nước ngầm ở trạng thái tự nhiên
Độ dốc của đường ứng suất tại đầu cọc lớn hơn nhiều so với độ dốc đường ứng suất tại vị trí đất nền giữa khoảng cách 02 cọc
Biểu đồ 2: Ứng suất thiết bị đo Ps9 và Ps1 khi mực nước ngầm ở trạng thái tự nhiên
RX= R0 +
ΔR
G
Trang 5Ứng suất tính theo phương pháp giải tích là
đường tuyến tính phát triển theo chiều sâu Ứng
suất theo mô hình thí nghiệm là đường phi tuyến
không phát triển theo chiều sâu, cho thấy khi
xuất hiện hiện tượng tập trung ứng suất một
phần ứng suất đã chuyển tập trung lên đầu cọc
nên không còn tuyến tính
Biểu đồ 3: Ứng suất theo phương pháp giải tích
và đo từ mô hình thí nghiệm khi mực nước
ngầm ở trạng thái tự nhiên
Ứng suất tại đầu cọc có giá trị lớn hơn so với
ứng suất tại vị trí đất nền xung quanh cọc khi
mực nước ngầm tăng thêm 50cm
Biểu đồ 4: Ứng suất tại các thiết bị đo khi mực
nước ngầm tăng thêm 50cm
Độ dốc của đường ứng suất tại đầu cọc lớn
hơn nhiều so với độ dốc đường ứng suất tại vị
trí đất nền giữa khoảng cách 02 cọc khi mực nước ngầm tăng thêm 50cm
Biểu đồ 5: Ứng suất thiết bị đo Ps9 và Ps1 khi mực nước ngầm tăng thêm 50cm
Ứng suất tính theo phương pháp giải tích là đường tuyến tính phát triển theo chiều sâu Ứng suất theo mô hình thí nghiệm là đường phi tuyến không phát triển theo chiều sâu, cho thấy khi xuất hiện hiện tượng tập trung ứng suất một phần ứng suất đã chuyển tập trung lên đầu cọc nên không còn tuyến tính khi mực nước ngầm tăng thêm 50cm
Biểu đồ 6 ứng suất theo phương pháp giải tích và đo từ mô hình thí nghiệm khi khi mực nước ngầm tăng thêm 50cm
Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc n =
s
c
Với бc : ứng suất tập trung đầu cọc;
бs : ứng suất phân bố trên nền đất yếu gữa các cọc
Khoảng cách bố trí cọc S=1,0m, chiều cao cát đắp H = 1,6m
Trang 6Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc từ mô hình
thí nghiệm hiện trường trong trường hợp mực
nước ngầm ở trạng thái tự nhiên n = 10,84 (ứng
suất phân bố trên nền đất yếu đạt ζs = 5,95
kN/m2 trong khi ứng suất tập trung đầu cọc ζc =
64,49 kN/m2)
Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc trong
trường hợp khi mực nước ngầm tăng thêm
50cm, n = 7,119 (ứng suất phân bố trên nền đất
yếu đạt ζs = 8,609 kN/m2
trong khi ứng suất tập trung đầu cọc ζc = 61,293 kN/m2
)
5 KẾT LUẬN
Qua nội dung nghiên cứu hệ số tập trung ứng
suất đầu cọc trong giải pháp xử lý nền bằng cọc
bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật
thông qua mô hình thí nghiệm có xét đến ảnh
hưởng của mực nước ngầm tăng thêm 50cm có
thể được rút ra được kết luận như sau:
1 Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc giảm
30% trong trường hợp mực nước ngầm tăng
thêm 50cm
2 Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc giảm ảnh
hưởng đến biến dạng của nền đất xung quanh
cọc, làm gia tăng biến dạng lệch của khối đất
trên đầu cọc và khối đất giữa 04 cọc, gây ra
những vết nứt trên bề mặt nền công trình
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Aubeny, C.P./Li, Y./ Briaud, J.L (2002):
Geosynthetics reinforced pile supported
embankments: numerical simulation and design
needs; Geosynthetics- 7th ICG- Delmas,
Gourc& Girard (eds), pp 365-368
[2] B Le Hello, B Chevalier, G Combe, P
Villard, Coupling finite elements and discrete elements methods, application to reinforced
embankment by piles and geosynthetics
[3] BS 8006 (1995): British Standard, code
of practice of strengthened/ reinforced soils and other fills, chapter 9
[4] Bergado, D T., Anderson, L R, Miura,
N and Balasubramaniam, A S (1996) Soft Ground Improvement in Lowland and Other
Environments, ASCE
[5] Châu Ngọc Ẩn (2012): Nền Móng Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp.HCM, pp 453÷446
[6] Collin, J.G / Watson, C.H / Han, G (2005): Column-Supported Embankments solves time constraint for new road construction; Proceedings of the Geo-Frontiers Congress, Austin, Texas, pp 1-9
[7] D.T Bergado, J.C Chai, Những biện pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây dựng, Nhà xuất bản giáo dục 1994, pp 58÷60 [8] EBGEO (2007): Empfehlung for den Enwurf und die Berechnung von Erdkurpern mit Bewehrung aus Geokunststoffen; 2007 [9] Goh, A.T.C / The, C.I / Wong, K.S (1997): Analysis of piles subjected to embankment induced lateral soil movements; Journal of
Engineering, Vol 123, No 9, pp 792-801 [10] Gourge Samir Fahmi Farag, Leateral Spreading in basal reinforced embankments supported by pile – like element, University Kassel, Germany 2008, pp 125
[11] Hans-Georg Kempfert Berhane Gebreselassie, Excavations and Foundations in Soft Soils , University Kassel, Germany
Người phản biện: GS.TS VƯƠNG VĂN THÀNH