Nội dung của bài viết muốn nói về cơ sở lý thuyết của việc tính toán xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng (CDM – Cement Deep Mixing) giữa tiêu chuẩn hiện tại của Việt Nam và một số nước trên thế giới.
Trang 1SO SÁNH LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG
CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG (CDM) GIỮA TIÊU CHUẨN CỦA
VIỆT NAM VÀ MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI
ThS Đặng Quốc Việt
Khoa Cầu đường, trường Đại học Xây dựng Miền Trung
yếu bằng cọc đất gia cố xi măng (CDM – Cement Deep Mixing) giữa tiêu chuẩn hiện tại của Việt Nam và một số nước trên thế giới
Abstract: This paper compares about the theory of methods improve Soft-Ground under
embankment between Vietnamese Design Standard and the others
1 Mở đầu:
Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế
của đất nước thì nhu cầu phát triển về cơ sở
hạ tầng giao thông là rất lớn và cấp thiết Do
đó việc phải xây dựng các tuyến đường trên
vùng đất yếu nhưng đòi hỏi thời gian thi
công nhanh chóng, độ lún và sự ổn định của
nền đường phải được kiểm soát chặt chẽ
Chúng ta thường sử dụng các giải pháp công
nghệ thông dụng như đệm cát, bấc thấm,
giếng cát, cọc cát, vải địa kỹ thuật Nhưng
với những giải pháp như thế thường khó
kiểm soát được biến dạng lún và ổn định
công trình, thời gian thi công kéo dài hoặc
chi phí cao như sàn giảm tải trên nền cọc bê
tông cốt thép
Trước đòi hỏi đó, công nghệ CDM bắt
đầu được áp dụng vào Việt Nam một cách
rộng rãi từ những năm 2000 và cho đến nay đã
được áp dụng cho rất nhiều ở các dự án lớn để
xử lý nền đất yếu như công trình Đường Liên
Cảng Cái Mép – Thị Vải, Cảng SITV, Đường
cao tốc Long Thành – Dầu Giây
Nhưng đến mãi năm 2006 thì mới có
tiêu chuẩn của Việt Nam đề cập đến công
nghệ CDM này, đó là Tiêu chuẩn xây dựng
Việt Nam TCXDVN 385:2006, “Gia cố nền
đất yếu bằng trụ đất xi măng” Tuy nhiên
Tiêu chuẩn vẫn còn một số tồn đọng chưa rõ
ràng trong việc tính toán so với các Tiêu chuẩn nước ngoài Vì thế thực tế khi tính toán xử lý nền đất yếu bằng công nghệ CDM thì thường vay mượn các tiêu chuẩn nước ngoài để làm rõ vấn đề
Trong giới hạn của bài báo, tác giả chỉ
đề cập đến việc tính toán xử lý nền đất yếu bằng công nghệ CDM của Tiêu chuẩn Việt Nam và các Tiêu chuẩn nước ngoài để làm nổi bật lên vấn đề này
2 Phương pháp tính toán theo công nghệ CDM
2.1 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu (design guide soft soil stabilistation CT97-0301)
a Cách xác định khoảng cách giữa các cọc đất xi măng
Khoảng cách giữa các cọc phải được tính toán sao cho bước cọc là lớn nhất để đáp ứng
về nhu cầu kinh tế, đồng thời đáp ứng yêu cầu
về kỹ thuật Giới hạn tối đa cho khoảng cách giữa các cọc khi bố trí theo lưới ô vuông thì có thể xác định theo công thức sau:
q f h f
Q s
q fs
p
.
(1)
Trong đó:
Trang 2Qp - khả năng chịu tải cho phép của
mỗi cọc
ffs - hệ số tải trọng do đất đắp, xét
trạng thái giới hạn cường độ, ffs = 1,3 ÷ 1,5
fp - hệ số tải trọng do hoạt tải, xét
trạng thái giới hạn cường độ, fp = 1,3 ÷ 1,5
q - hoạt tải phân bố đều trên bề mặt
đất đắp
h - chiều cao đất đắp
γ – trọng lượng trung bình của
đất đắp
b Kiểm tra theo vật liệu cọc
Tải trọng tác dụng lên cọc:
) a 1 ( E
E
a
A
q
Q
col
soil
col tt
(2)
Sức chịu tải của mỗi cọc đất - xi
măng như sau:
Qcoc = Acol (3,5Cucol + 3σn) (3)
Trong đó:
Acol - diện tích tiết diện ngang của
cọc đất - xi măng
σn = σp + 5Cusoil - áp lực ngang
tổng cộng tác dụng lên cọc đất - xi măng
Cucol , Cusoil – sức kháng cắt của cọc
và đất nền
σp = qtt + γđn Lcol - ứng suất
phân bố dưới đáy khối gia cố bằng cọc đất
- xi măng
2
Q
Q
S (4)
qtt - hoạt tải và tải trọng đất đắp
a - tỷ diện thay thế của cọc đất gia
cố xi măng
Esoil, Ecol - mô đun biến dạng của
nền đất và cọc đất trộn xi măng
c Kiểm tra theo đất nền
Kiểm tra theo điều kiện đất nền được thực hiện theo phương pháp hệ số vượt tải với điều kiện:
2
ac
col S P
Q
F (5)
Sức chịu tải của cọc đất theo điều kiện đất nền:
Qcol = (π*D*Lc + 2,25* π *D2)Su (6) Trong đó:
FS - hệ số an toàn
D - đường kính cọc
Lc - chiều dài cọc
Su - sức kháng cắt không thoát nước của đất nền
Pac - tải trọng tính toán của 1 cọc đơn bao gồm cả hoạt tải
d Kiểm tra sức chịu tải của nhóm cọc đơn Kiểm tra theo điều kiện đất nền của nhóm cọc được thực hiện theo phương pháp
hệ số vượt tải với điều kiện:
2 , 1
group
group S
P
Q
F (7) Sức chịu tải của nhóm cọc tính theo công thức của Broms & Boman (1978), Bergado (1996):
Qgroup = 2Su*Lc(B + L) + (6÷9) Su*B*L (8) Tải trọng tính toán:
Pgroup = (Pgl + Pht)B*L (9) Trong đó:
B - bề rộng của nhóm cọc
L - chiều dài nhóm cọc
Su - sức kháng cắt không thoát nước của đất nền
Hệ số lấy bằng 6 khi móng hình chữ nhật có L>>B (móng băng)
e Độ lún của khối thân cọc
Độ lún tổng cộng của một công trình đặt trên nền đất gia cường bằng cột đất xi măng gồm hai thành phần là độ lún cục bộ
Trang 3o
r
c
của khối đất được gia cố (Δh1) và độ lún của
đất không ổn định nằm dưới khối (Δh2)
Tính độ lún cục bộ của khối đất được
gia cố (Δh1):
Độ tăng tải trọng q gây ra do công
trình, một phần truyền lên cọc (q1) và một
phần truyền cho đất ở xung quanh (q2)
Hình 2-1 Phân chia tải trọng tác dụng lên
cọc và đất nền
Độ lún do tải trọng q1 gây ra:
col E a
q h S
.
. 1
1 (10)
Độ lún do tải trọng q2 gây ra:
soil M a
q h S
).
1 (
. 2
2 (11)
Độ lún cục bộ phần cọc xi măng đất
Δh1 được xác định theo giả thiết độ tăng tải
trọng q không đổi suốt chiều cao khối và tải
trọng trong khối không giảm, lúc đó thì cọc
và đất nền có cùng độ lún:
soil col a M E
a
q h S
S
h
).
1 (
2
1
Trong đó:
a - tỷ diện thay thế của cọc đất gia
cố xi măng
col: mô đun đàn hồi của cọc đất xi măng
Msoil: mô đun biến dạng của đất nền
xung quanh cọc
Δh – chiều dày của lớp địa chất
f Độ lún của đất dưới mũi cọc
Độ lún Δh2 của đất chưa gia cố
dưới mũi cọc được tính theo nguyên lý
cộng lún từng lớp phân tố (quy về móng
khối quy ước)
'
' '
' '
v vo i c vo
p i r n
i i
e
h h
(13)
Trong đó:
hi - bề dày lớp đất tính lún thứ i
e0i - hệ số rỗng của lớp đất i ở trạng thái tự nhiên ban đầu
Cri - chỉ số nén lún hồi phục ứng với quá trình dỡ tải
Cci - chỉ số nén lún hay độ dốc của đoạn đường cong nén lún
σ’v0 - ứng suất nén thẳng đứng do trọng lượng bản thân các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i
Δσ'v - gia tăng ứng suất thẳng đứng σ'p - ứng suất tiền cố kết
2.2 Phương pháp tính toán theo quy trình Nhật Bản (Guideline for Design and Quality Control of Soil Improvement for Buildings - Deep and Shallow Cement Mixing Methods, 2004)
a Sức chịu tải của cọc đất xi măng theo vật liệu Khả năng chịu tải của cọc đất xi măng được tính toán theo công thức sau:
a P A P
P (14) Trong đó:
P - Tải trọng của nền đất đắp do một cọc đỡ (kN)
ΔP - Tổng tải trọng phân bố của nền đắp (kN/m2)
A - Diện tích nền đất do một cọc đỡ (m2)
A = x2 (15)
x - khoảng cách giữa các cọc (tính từ tim cọc)
Pa: Lực nén lớn nhất mà cọc có thể chịu được (kN)
Pa=qu.Ap (16)
qu-Cường độ chịu nén của cọc (kN/m2)
Trang 4Ap - Diện tích tiết diện của cọc (m2)
b Sức chịu tải của cọc đất xi măng theo đất nền
i di pu
R . (17)
Trong đó:
Ru -Sức chịu tải cực hạn của cọc gia cố
Rup - Sức chịu tải mũi cực hạn của
cọc gia cố
τdi - Ma sát thành bên cực hạn của
cọc gia cố
hi - Chiều dày phân tố
L - Chu vi cọc gia cố
Sức chịu tải mũi cực hạn của cọc gia cố
phụ thuộc vào loại đất:
- Với đất rời:
p
up N A
R 75 (18)
- Với đất dính:
p
up c A
R 6 (19)
Trong đó:
N - trị số SPT trung bình trên và
dưới 1 lần đường kính cọc
c – lực dính của đất nền
Ap - Diện tích tiết diện của cọc
Ma sát thành bên cực hạn của cọc
được tính theo công thức sau:
- Đối với đất rời:
3
.
10 N
di
(20)
- Đối với đất dính:
c
di
2
u di
q
(21) Trong đó:
qu - sức kháng cắt của cọc
N - trị số SPT tại độ sâu đang xét
c Tính độ lún của nền đất gia cố
Độ lún tổng (S) của nền gia cố được
xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối
gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố:
S = S1 + S2 (22)
Trong đó:
S1 - độ lún trong phần đất được gia cố
S2 - độ lún của lớp đất yếu chưa được gia cố dưới mũi cọc
Độ lún S1
n
S
S1 (23)
) 1 ( 1
1
n
a p
(24) Trong đó:
Ap - tỷ diện tích đất được thay thế
n - tỷ số mô đun,
soil
col E
E
n (25)
Sn - độ lún cuối cùng của lớp đất thứ
n ( trong bài tón tính lún khi nền đất chưa được gia cố)
p
w w H e
C
1
1 2 2 1 0
Cc - chỉ số nén của lớp đất thứ n
e0 - hệ số rỗng ban đầu của lớp đất thứ n
hn - chiều dày của lớp đất thứ n
w1, w2 - tải trọng của đất đắp
P - ứng suất cố kết ở giữa lớp đất thứ
n, p = max(pc, σ2)
σ1, σ2 - ứng suất có hiệu do tải trọng gây ra
Độ lún S2 Xem khối đất được gia cố bằng cọc đất xi măng ở phía trên như một móng khối quy ước, khi đó độ lún S2 của đất yếu phía dưới khối gia cố được tính theo phương pháp phân tầng cộng lún từng lớp phân tố
2.3 Phương pháp tính toán theo quy trình Trung Quốc (DBJ08-40-94)
a Sức chịu tải của khối gia cố
-Sức chịu tải cho phép của cọc đất xi măng Khả năng chịu tải cho phép của cọc đất trộn xi măng được xác định theo thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn tại hiện trường, tuy
Trang 5nhiên có thể ước tính theo công thức sau và
lấy giá trị nhỏ hơn
p cu
P . (27)
Hoặc
P a U p.q si.l i .A p.q p (28)
Trong đó:
fcu - cường độ chịu nén của mẫu thử
đất gia cố xi măng trong phòng thí nghiệm ở
90 ngày tuổi trong điều kiện bảo dưỡng tiêu
chuẩn
Ap - diện tích mặt cắt ngang cọc
η - hệ số chiết giảm cường độ thân
cọc, có thể lấy bằng 0,3 ÷ 0,4
Up - chu vi cọc đất gia cố
qsi - lực ma sát của lớp đất xung
quanh cọc
li - chiều dày lớp đất thứ i
α - hệ số chiết giảm khả năng chị tải
của đất dưới mũi cọc, có thể lấy 0,4 ÷ 0,6
qp - khả năng chịu tải của đất dưới
mũi cọc
- Sức chịu tải cho phép của khối nền
đất gia cố
Khả năng chịu tải cho phép của khối
nền đất gia cố được xác định theo thí nghiệm
nén nền hỗn hợp tại hiện trường, tuy nhiên
có thể ước tính theo công thức sau và lấy giá
trị nhỏ hơn
p
a
A
P
m
F . .( 1 ). (29)
Trong đó:
m - tỷ diện thay thế của cọc đất gia cố
xi măng
fs - khả năng chịu tải cho phép của đất
giữa các cọc
β - hệ số chiết giảm khả năng chị tải
của đất dưới mũi cọc, có thể lấy 0,4 ÷ 0,6
b Độ lún của nền đất gia cố
Độ lún của nền đất gia cố được tính toán bao gồm độ lún của khối thân cọc đất xi măng và tổng độ lún của lớp đất yếu không gia cố dưới mũi cọc
- Độ lún của khối thân cọc đất xi măng
E
p p S
sp
z 2
0 0 1
(30) Trong đó:
Po - áp lực trung bình tại đỉnh cọc
Poz - áp lực tại mũi cọc
Esp - Mô đun co nén của thân cọc
Esp = m.Ep + (1-m).Es (31)
Ep: mô đun co nén của cọc đất xi măng
Ep = (100-120) fcu (32)
fcu - sức kháng cắt của cọc đất xi măng
m - tỷ diện thay thế của cọc đất gia cố
xi măng
Es - mô đun co nén của đất xung quanh cọc
- Độ lún của đất dưới mũi cọc
Độ lún S2 của đất chưa gia cố dưới mũi cọc được tính theo nguyên lý cộng lún
từng lớp
2.4 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCXDVN 385:2006)
Độ lún tổng (S) của nền gia cố được xác định bằng tổng độ lún của bản thân khối gia cố và độ lún của đất dưới khối gia cố:
S = S1 + S2 (33) Trong đó:
S1 - độ lún bản thân khối gia cố
S2 - độ lún của đất chưa gia cố, dưới mũi cọc
- Độ lún của bản thân khối gia cố S1 được tính theo công thức:
s c
tb aE a E
qH E
qH S
) 1 ( 1
(34) Trong đó:
q - tải trọng công trình truyền lên khối gia cố (kN);
Trang 6H - chiều sâu của khối gia cố (m);
a - tỷ số diện tích, a = (nAc / BL), n-
tổng số cọc, Ac - diện tích tiết diện cọc,
B, L - kích thước khối gia cố;
Ec- Mô đun đàn hồi của vật liệu cọc;
Có thể lấy Ec = (50100) Cc
Với Cc là sức kháng cắt của vật liệu cọc
Es - Mô đun biến dạng của đất nền
giữa các cọc (có thể lấy theo công thức thực
nghiệm Es = 250Cu, với Cu là sức kháng cắt
không thoát nước của đất nền)
- Độ lún của đất chưa gia cố S2 dưới
mũi cọc: được tính theo nguyên lý cộng lún
từng lớp Phạm vi vùng ảnh hưởng lún đến
chiều sâu mà tại đó áp lực gây lún không
vượt quá 10% áp lực đất tự nhiên
2.5 Nhận xét
Quan điểm tính toán độ lún đối với
giải pháp cọc đất gia cố xi măng thì nhìn
chung là tương tự nhau, cụ thể độ lún được
chia làm hai phần: trong khối gia cố và trong
nền đất ở phía dưới khối gia cố
- Độ lún trong phần gia cố (cọc đất)
các quan điểm tính toán đều dựa trên mô đun
đàn hồi tương đương của khối gia cố
- Độ lún trong nền đất phía dưới khối
gia cố: được tính theo phương pháp phân
tầng cộng lún
3 Kết luận
Hiện nay chúng ta đã có TCXDVN 385-2006 “Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng” dùng cho công tác thiết kế cọc đất gia
cố xi măng, tuy nhiên tiêu chuẩn này có một
số điểm cần được làm rõ:
- Tiêu chuẩn chỉ mới đưa ra cách tính toán biến dạng của nền đất gia cố, nhưng chưa thể hiện cách tính toán về sức chịu tải của cọc theo vật liệu và theo đất nền
- Có thể tham khảo thêm công thức xác định khoảng các giữa các cọc của các tiêu chuẩn nước ngoài để hoàn thiện các bước tính toán nền đường theo biến dạng
- Chưa đề cập đến cường độ chịu kéo của mẫu đất gia cố xi măng để có thể có cơ
sở cho các thiết kế cọc đất gia cố xi măng chịu tải ngang
- Chưa đề cập đến tính toán xử lý lực chọc thủng các lớp kết cấu áo đường bên trên gây nứt hoặc biến dạng không đều khi đưa công trình vào khai thác do cọc đất gia
cố xi măng không biến dạng cố kết mà chỉ
có đất xung quanh cọc và dưới mũi cọc đất gia cố xi măng mới có biến dạng
Do giới hạn của bài báo nên một số phần nội dung sẽ được trình bày trong các bài báo sau
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 385: 2006 “Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng”
[2] National Institute for Land and Infrastructures Management, Architecture Research Institute, Japan 2000 “Guideline for design and quality control of soil improvement for building – Deep mixing cement” National Institute for Land and Infrastructures Management, Architecture Research Institute
[3] CDIT, Japan 2002 “The deep mixing method – rinciples, design and construction” A A Balkema Publisher Lisse
[4] Quy phạm kỹ thuật xử lý nền móng – Tiêu chuẩn thành phố Thượng Hải DBJ08- 40 – 94 [5] Tiêu chuẩn Châu Âu EU 2003 “Deep Mixing” TC 288 WI 011- CEN, TC 288 - EU [6] Quy trình Châu Âu EU 1997 “Design Guide Soft Soil Stabilisation” CT97-0351- EU