Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền đất yếu và đầu cọc cho giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT ĐẮP LÊN NỀN ĐẤT YẾU VÀ ĐẦU CỌC CHO GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT TH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT ĐẮP LÊN NỀN ĐẤT YẾU VÀ ĐẦU CỌC CHO GIẢI PHÁP XỬ LÝ

NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP

KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT ĐẮP LÊN NỀN ĐẤT YẾU VÀ ĐẦU CỌC CHO GIẢI PHÁP XỬ LÝ

NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP

KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Mã số chuyên ngành: 62.58.60.01

Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Đức Mạnh

Phản biện độc lập 2: PGS TS Nguyễn Phi Lân

Phản biện 1: PGS TS Châu Trường Linh

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả 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 án này là trung thực và 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 án

Nguyễn Tuấn Phương

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Xây dựng nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật là một trong các giải pháp có triển vọng cho khu vực các tỉnh phía Nam Ưu điểm của giải pháp này là giảm độ lún đáng kể do tải trọng tập trung đầu cọc, chất lượng công trình được kiểm soát thuận tiện và đảm bảo, không chịu nhiều tác động của môi trường hóa lý lên vật liệu (so với cọc đất trộn xi măng), giảm đáng kể vật liệu đắp

bổ sung (so với các phương pháp gia tải trước) và một số ưu điểm khác Để phân tích đánh giá đặc điểm và quy luật phân bố ứng suất lên đầu cọc và đất nền, các thí nghiệm trên mô hình thực được thực hiện

Kết quả nghiên cứu cho thấy ứng suất tập trung lên đầu cọc chiếm tỷ lệ đáng kể, phụ thuộc vào sự dao động mực nước ngầm, ứng suất tác dụng vào đất nền phân bố không đồng đều phụ thuộc vào sức căng của vải địa kỹ thuật và vị trí điểm đo Ứng suất tác dụng lên nền đất có giá trị lớn tại vị trí gần cọc, và nhỏ dần tương ứng với sự gia tăng khoảng cách cọc và có giá trị nhỏ nhất tại điểm giữa các cọc

Khi ngập nước, ứng suất tổng tác dụng lên các cọc gia tăng, trong khi ứng suất tổng tác dụng lên đất nền không thay đổi đáng kể Do đó, hệ số tập trung ứng suất n nhỏ vào mùa khô và tăng cao vào mùa mưa khi ngập nước

Kết quả thí nghiệm đo đạc cho thấy hệ số tập trung ứng suất có giá trị lớn khi vừa san lấp và đầm chặt, sau đó giảm dần và ổn định sau khoảng một tháng

Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong điều kiện địa chất khu vực ven sông Tiền, giá trị đạt được n = [4÷6]

Kết quả nghiên cứu đo đạc có thể xem là tài liệu tham khảo tốt cho việc tính toán thiết kế công trình bằng giải pháp xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép, cọc vật liệu rời hay cọc đất trộn xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật

iii

ABSTRACT

Soft soil treatment by combining reinforced concrete piles with geotextile is one of the most popular solutions in the soft soil area of the southern provinces The advantage of this solution was a significant reduction in settlement due to pile head load, the quality of the constructions was controlled conveniently and a little affection of the physic or chemical environment on the pile manufacturing materials (compared to the cement soil piles), significantly reduced replenishment materials (compared to the pre-loading methods) and some other advantages Moreover, to analyze and evaluate the characteristics and rules of stress distribution on the pile heads and soft soil ground, real - model experiments were performed

The study results showed that the concentration stresses on the pile heads accounted to large proportion, depending on the fluctuation of the ground water level, the stress in the soft soil was irregularly distributed depending on the tension of the geotextile and the location measurement points

The stress that was distributed in the soft soil ground at the near piles had higher value than the locations away from the piles

When the soft soil was submerged, the concentration total stress on the pile heads was increased, while the total stress distributed on the soft soil did not change Therefore, the coefficient of stress concentration (n) was smaller in the dry season and higher in the rainy season

The results of the experiment showed that the stress concentration coefficient was larger during the ground leveling and ground compacting, then it was gradually seen to reduced and stabilize after a month

The concentration total stress on the pile heads (n) in the geological of the Tien river was n = [4 ÷ 6]

The results of studying could be considered a good reference in calculation and design construction by soft soil treatment with reinforced concrete piles, loose material piles, cement soil piles combined with the geotextile

iv

LỜI CÁM ƠN

Luận án được thực hiện với sự hướng dẫn tận tâm và tận tình của PGS TS Võ Phán, PGS TS Châu Ngọc Ẩn Cùng với sự chỉ dẫn và giúp đỡ của PGS TS Nguyễn Minh Tâm, PGS TS Lê Bá Vinh, PGS TS Bùi Trường Sơn, PGS TS Võ Ngọc Hà, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ Thanh Hải, TS Trương Quang Hùng, GS TS Ngô Kiều Nhi, GS

TS Trịnh Minh Thụ, PGS TS Đoàn Thế Tường TS Phạm Văn Hùng Luận án được

sự giúp đỡ của Bộ môn Địa cơ – Nền Móng, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Phòng cơ học ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa Tp HCM, Trường Đại học Tiền Giang Xin chân thành cảm ơn những hướng dẫn, chỉ dẫn, giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án này

Nghiên cứu sinh xin chân thành ghi nhớ những công ơn này và sẽ cố gắng hơn nữa để nâng cao tri thức và đạo đức để phục vụ tốt cho sự nghiệp giáo dục

v

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1

2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Điểm mới của luận án 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ NỀN ĐẤT YẾU 4

1.1 Tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL 4

1.2 Các giải pháp xử lý nền đất yếu dưới công trình 6

1.2.1 Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất gia cố xi măng 7

1.2.2 Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát 8

1.2.3 Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước 8

1.2.4 Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không 8

1.2.5 Xây dựng nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép và sàn giảm tải 9

1.2.6 Xây dựng nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật cường độ cao, lưới địa kỹ thuật cường độ cao 10

1.3 Sự phân bố tải trọng của nền đất đắp không có cọc bê tông cốt thép 11

1.4 Sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp không xử lý cọc bê tông cốt thép 13

1.4.1 Sự phân bố ứng suất tiếp, ứng suất pháp 13

1.4.2 Ảnh hưởng biến dạng ngang do sự phân bố ứng suất cắt 14

1.4.3 Áp lực đất trong khối đắp trên nền không có cọc 16

1.5 Sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp có xử lý cọc kết hợp vải địa kỹ thuật

17

1.6 Ứng xử của cọc bê tông cốt thép dưới nền đất đắp 21

1.6.1 Phần tử cọc 21

1.6.2 Ứng suất và chuyển vị ngang của cọc biên 21

1.7 Đặc điểm sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền được xử lý cọc 23

1.7.1 Sự phân bố ứng suất trong đường ống tròn 23

1.7.2 Sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền được xử lý cọc 25

vi

1.7.3 Sự chuyển tiếp tải 30

1.7.4 Các nhân tố trong đệm cát 32

1.8 Nhận xét chương 35

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN ĐẦU CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 37

2.1 Giải pháp xây dựng nền công trình bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật 37

2.1.1 Giới thiệu về giải pháp và mục tiêu nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất đắp và nền đất yếu trong giải pháp xây dựng nền công trình bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật 37

2.1.2 Đặc điểm tính toán cọc 39

2.1.3 Đặc điểm tính toán vải địa kỹ thuật 40

2.2 Lý thuyết về sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp trên nền đất yếu trong giải pháp xây dựng nền công trình bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật 40

2.2.1 Định nghĩa cung vòm 40

2.2.2 Cơ chế hình thành cung vòm 41

2.2.3 Lý thuyết cung vòm 44

2.2.4 Cung vòm trong giải pháp xây dựng nền công trình bằng cọc bê tông cốt thép 48

2.2.5 Phân tích ảnh hưởng của vải địa kỹ thuật gia cường 60

2.2.6 Các thông số đánh giá mức độ cung vòm 66

2.3 Nhận xét chương 67

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẮP LÊN HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 68

3.1 Tổng quan về các cấu kiện chính phục vụ mô hình thực nghiệm 68

3.2 Nguyên tắc xây dựng mô hình thực nghiệm 69

3.2.1 Giới thiệu 69

3.2.2 Mô hình thực nghiệm hiện trường 69

3.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm 71

3.3.1 Giới thiệu giải pháp 74

3.3.2 Khả năng ứng dụng các thông số vào tính toán 74

vii

3.4 Vật liệu thực nghiệm 75

3.4.1 Cọc bê tông 75

3.4.2 Cát thực nghiệm 76

3.4.3 Vải địa kỹ thuật 77

3.4.4 Đất yếu 79

3.5 Thiết bị ghi nhận biến dạng 79

3.5.1 Tổng quan 79

3.5.2 Làm thiết bị thực nghiệm 79

3.5.3 Chuẩn hóa thiết bị đo biến dạng 85

3.6 Nhận xét chương 90

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH QUI LUẬT PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG KHỐI ĐẮP LÊN HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT

91

4.1 Đặc điểm phân bố ứng suất trong giải pháp xây dựng nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật 91

4.1.1 Đo biến dạng để xác định ứng suất trong giai đoạn gia tải 91

4.1.2 Đặc điểm phân bố ứng suất lên cọc và đất nền ứng với tải trọng đắp cao và ảnh hưởng thời gian và sự dao động mực nước 97

4.2 So sánh phân bố ứng suất trong nền đắp theo phương pháp giải tích và phương pháp đo từ mô hình thí nghiệm hiện trường 105

4.3 Phân tích ứng suất phân bố trên nền đất yếu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

111

4.4 Ảnh hưởng của mực nước ngầm đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc 116

4.4.1 Giới thiệu 116

4.4.2 Kết quả đo mực nước thu được tại trạm đo thành phố Mỹ Tho 116

4.4.3 Kết quả đo biến dạng để xác định ứng suất từ mô hình thực nghiệm thu được ở lần đo khi mực nước sông dâng cao 63cm và tải trọng ngoài phân bố q = 48kN/m2 117

4.5 Nhận xét, kết quả nghiên cứu của luận án 122

4.5.1 Nhận xét 122

4.5.2 Kết quả nghiên cứu 122

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 124

1 Kết luận 124

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị

Thanh, 2002) [5] 6

Hình 1.2 Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật, Kempfert et al (1997) [9] 11

Hình 1.3 Sự truyền tải của khối đất đắp theo Kempfert et al (1997) [9] 12

Hình 1.4 Ứng suất trong mái dốc theo Rendulic (1938) và Schwarz (1963) 13

Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất lên vải theo Tolke (1990) 14

Hình 1.6 Chuyển vị của mái dốc theo Geduhn/Vollmert (2005) 15

Hình 1.7 Lực kéo căng của vải trên nền yếu không có cọc Kempfert et al (1997) [9] 16 Hình 1.8 Mô hình đắp trên cọc kết hợp vải địa kỹ thuật Kempfert et al (1997) [9] 17

Hình 1.9 Mô hình thí nghiệm trong phòng cọc biên và cọc giữa theo Zaeske (2001) 18

Hình 1.10 So sánh lực kéo căng của vải hệ I và II theo (Zaeske, 2001) 18

Hình 1.11 Lực kéo căng của vải trên đới dốc và đới trung tâm khi có lực ma sát giữa đất và vải theo (Maihold, 2003) 19

Hình 1.12 Lực kéo căng của vải trên đới dốc và đới trung tâm khi không có lực ma sát giữa đất và vải theo (Love, 2003) 19

Hình 1.13 Lực kéo căng của vải trên mái dốc theo (Geduhn/Vollmert, 2005) 20

Hình 1.14 Lực kéo căng của vải trên mái dốc Kempfert et al (1997) [9] 20

Hình 1.15 Sự phân bố tải trọng của nền đắp bên trong Kempfert et al (1997) [9] 21

Hình 1.16 a) giá trị λ, β; b) tương quan M* và [ζz/Cu] [27] 22

Hình 1.17 Xác định hệ số lún và hệ số lún tương ứng [20] 23

Hình 1.18 Xác định tương quan giữ hệ số (ζv/γBc) và hệ số (H/Bc) với cặp hệ số lún tương đối (rp, rsd ) Spangler (1960) [20] 24

Hình 1.19a và 1.19b ứng suất phân bố trên đường hầm tròn Bolton (1979) 24

Hình 1.20 Dạng cung trượt trong khối đắp khi cửa sập dịch chuyển nhỏ theo Terzaghi 25

Hình 1.21 Dạng cung trượt trong khối đắp khi cửa sập dịch chuyển lớn theo Terzaghi 26

Hình 1.22 Khối đất thay thế qua lỗ rỗng ở trạng thái cân bằng (McKelvey, 1994 và Li, 2002) 27

Hình 1.23 Khối đất bắt đầu mất cân bằng (McKelvey, 1994 và Li, 2002) 27

Hình 1.24 Cung vòm xuất hiện dưới tác dụng của trọng lượng khối đất (McKelvey, 1994 và Li, 2002) 27

Hình 1.25 Hình nêm của khối đất a) theo 2D; b) theo 3D đề nghị bởi Carlsson [33] 28

Hình 1.26 Đỉnh cung vòm trong nhóm cọc theo đề nghị của Jones (1990) 29

Hình 1.27 Sự truyền tải (trọng lượng bản thân, tải trọng ngoài) lên nền đất yếu xung quanh cọc (Li, 2002) [34] 30

ix

Hình 1.28 Cọc trong nền (Russell and Pierpoint, 1997 và Li, 2002) 32

Hình 1.29 Đỉnh bán cầu (Hewlett & Randolph, 1988 và Li,2002) 35

Hình 2.1 Tương quan giữa tải trọng và chuyển vị xuống cửa sập (Terzaghi (1943)) 41

Hình 2.2 Phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho mô hình cửa sập trong bài toán đối xứng trục Koutsabeloulis và Griffith (1989)[36] 43

Hình 2.3 Đường quan hệ giữa hệ số tải trọng (P/γH) và tỷ số hình dạng (H/B) đối với các loại cát có góc nội ma sát θ khác nhau theo Koutsabeloulis và Griffith (1989) [36] 44

Hình 2.4 Quan hệ suất đứng theo kích cỡ khối đắp được xây dựng từ mô hình cửa sập Terzaghi (1943)[21] 45

Hình 2.5 Phân tích lực tác dụng lên cửa sập trong mô hình cửa sập Terzaghi (1943) [21] 46

Hình 2.6 Phân tích lực tác dụng trên phần tử cung vòm [37] 51

Hình 2.7 Phân tích lực tác dụng trên cung vòm [37] 51

Hình 2.8 Phân tích cung vòm theo Hewlett và Randolph (1988) [37] 52

Hình 2.9 Biểu đồ biến thiên tính hiệu quả cung vòm theo chiều cao cát đắp [37] 53

Hình 2.10 Hình nêm của khối đất a) theo 2D; b) theo 3D đề nghị bởi Carlsson [14] 54

Hình 2.11 Mô hình hiệu ứng bán cầu theo Viện tiêu chuẩn Anh [12] 55

Hình 2.12 Biểu đồ giá trị ứng suất đứng tại điểm giữa hai cọc phát triển theo chiều sâu [45] 57

Hình 2.13 Phân tích cung vòm dựa trên đường ứng suất [34] 58

Hình 2.14 Quan hệ giữa tỷ lệ chiều cao cát đắp, khoảng cách cọc với góc nội ma sát của cát đắp θk = 300 để tìm giá trị của hàm z k0, k h P k [42], [43], [35] 60

Hình 2.15 Cơ chế hình thành lực kéo căng của vải dưới tác dụng của tải trọng ngoài [31] 60

Hình 2.16 Chuyển vị của vải theo từng cấp tải trọng [44] 62

Hình 2.17 Chuyển vị và biến dạng của vải theo chiều cao đắp được rút ra từ 62

Hình 2.18 Lực kéo căng của vải theo lưới hình chữ nhật của cọc vuông [34] 63

Hình 2.19 Lực kéo căng của vải theo lưới hình chữ nhật của cọc tròn [34] 63

Hình 2.20 Lực kéo căng của vải theo lưới hình tam giác của cọc tròn [34] 64

Hình 2.21 Toán đồ tính biến dạng lớn nhất trong lớp vải địa kỹ thuật gia cường theo lực tác dụng [35] 65

Hình 2.22 Sơ đồ xác định các thành phần diện tích theo lưới bố trí cọc [37] 67

Hình 3.1 Mặt cắt mô hình thực nghiệm đánh giá sự phân bố ứng suất trong nền đắp trên cọc BTCT tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật 73

Hình 3.2 Mặt bằng mô hình thực nghiệm đánh giá sự phân bố ứng suất trong nền đắp trên cọc BTCT tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật 73

Hình 3.3 Quan hệ lực kéo và biến dạng của vải địa kỹ thuật từ thí nghiệm kiểm tra của nhà sản xuất 78

x

Hình 3.4 Quan hệ chuyển vị và biến dạng của vải theo thời gian (năm) được cung cấp

từ nhà xản xuất 78

Hình 3.5 Biến dạng của vật liệu 80

Hình 3.6 Tấm kim loại mỏng chịu tải phân bố đều 80

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lí lắp Straingauge 82

Hình 3.8 Chi tiết các cấu kiện của thiết bị đo biến dạng 84

Hình 3.9 Thiết bị đo biến dạng được chế tạo hoàn thành 84

Hình 3.10 Thiết bị ghi nhận biến dạng P3 85

Hình 3.11 Kết nối máy tính vào các kênh tín hiệu ghi nhận số liệu đo 85

Hình 3.12 Biểu đồ chuẩn hóa các đường áp lực của thiết bị P3 cho các giá trị đầu đo PS1÷PS14 88

Hình 3.13 Biểu đồ chuẩn hóa các đường áp lực của thiết bị P3 trong 5 lần đo 88

Hình 3.14 Hình ảnh chuẩn hóa thiết bị đo biến dạng được kết nối với máy tính và đầu đo P3 90

Hình 4.1 Mặt bằng vị trí đặt đầu đo ứng suất giữa tâm mô hình thí nghiệm 92

Hình 4.2 Mặt cắt giữa tâm diện gia tải đặt đầu đo ứng suất 92

Hình 4.3 Ứng suất theo phương đứng và phương ngang tại các đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 15kN/m2 96

Hình 4.4 Ứng suất theo phương đứng tại đầu đo Ps9 và Ps10 khi tải trọng ngoài đạt 15kN/m2 96

Hình 4.5 Ứng suất theo phương đứng và phương ngang tại các đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 101

Hình 4.6 Ứng suất điểm theo phương đứng tại đầu đo Ps9 và Ps10 khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 102

Hình 4.7 Ứng suất theo phương đứng tại đầu đo Ps9 và Ps1 khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 102

Hình 4.8 Ứng suất theo phương đứng tại các đầu đo Ps9 và Ps1 theo thời gian 103

Hình 4.9 Hệ số ứng suất đứng tác dụng lên cọc và đất giữa hai cọc 104

Hình 4.10 So sánh ứng suất theo phương đứng được tính bằng phương pháp giải tích và kết quả đo từ mô hình thí nghiệm 106

Hình 4.11 Biểu đồ so sánh hệ số giảm ứng suất theo các tác giả 108

Hình 4.12 Phân tích ảnh hưởng cung vòm theo Kempfer 109

Hình 4.13 Biểu đồ so sánh số ứng suất phân bố trên nền đất yếu theo các cách tính 110 Hình 4.14 Sơ đồ mô hình mô phỏng cho 04 cọc giữa 112

Hình 4.15 Ứng suất trong nền đất sau khi gia tải 114

Hình 4.16 Lưới phần tử chuyển vị 114

Hình 4.17 Ứng suất đứng phân bố ở các độ sâu khác nhau 115

Hình 4.18 Hệ số tập trung ứng suất theo chiều cao đất đắp với khoảng cách cọc 1,0m 116

xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Giá trị tọa độ x, y theo Tolke (1990) 15

Bảng 3.1 Những đặc trưng không thứ nguyên trong mô hình thực nghiệm 75

Bảng 3.2 Những thông số đặc trưng của cọc BTCT trong mô hình 76

Bảng 3.3 Những thông số đặc trưng của cát đắp đầu cọc sử dụng trong mô hình thực nghiệm 77

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật vải dệt Woven Geotextile trong mô hình thực nghiệm 77

Bảng 3.5 Kết quả ghi nhận của thiết bị P3 các giá trị của 14 đầu đo được ký hiệu từ PS1 ÷ PS14 86

Bảng 3.6 Bảng so sánh sai số hệ số hồi quy cảm biến áp lực trong 5 lần đo với P3 89

Bảng 4.1 Ký hiệu và vị trí các đầu đo ứng suất 92

Bảng 4.2 Số liệu ghi nhận biến dạng từ đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 15kN/m2 93

Bảng 4.3 Tính chênh lệch biến dạng của từng cảm biến khi tải trọng ngoài đạt 15kN/m2 (μm/m) 94

Bảng 4.4 Tính giá trị ứng suất từ biến dạng tại các đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 15kN/m2 (kN/m2) 95

Bảng 4.5 Số liệu biến dạng ghi nhận từ đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 98

Bảng 4.6 Tính chênh lệch biến dạng của từng cảm biến khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 (μm/m) 99

Bảng 4.7 Tính giá trị ứng suất từ biến dạng tại các đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 (kN/m2) 100

Bảng 4.8 Giá trị ứng suất từ biến dạng ở các lần đo tại đầu đo Ps9 và Ps1 103

Bảng 4.9 Hệ số tập trung ứng suất qua các lần đo 104

Bảng 4.10 Tính giá trị ứng suất hữu hiệu theo phương đứng tại các điểm bằng phương pháp giải tích và kết quả đo từ mô hình thí nghiệm 105

Bảng 4.11 Hệ số giảm ứng suất theo các Tác giả 106

Bảng 4.12 Đặc trưng cơ lý của đất phục vụ mô phỏng 113

113

Bảng 4.14 Giá trị ứng suất phân bố trong nền đắp trên đầu cọc theo chiều cao đất đắp 114

Bảng 4.15 Bảng ghi nhận mực nước triều cường tại khu vực Tp Mỹ Tho 116

Bảng 4.16 Số liệu ghi nhận từ các đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 và mực nước

ngầm tăng cao 63cm 117

Bảng 4.17 Tính chênh lệch của các đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 và mực nước sông dâng cao 63cm (μm/m) 118

Bảng 4.18 Tính giá trị ứng suất tại các đầu đo khi tải trọng ngoài đạt 48kN/m2 và mực nước sông dâng cao 63cm 120

'k (o) Góc ma sát trong thoát nước của đất đắp

k

p kN/m2 Hoạt tải đặc trưng tác động lên mặt lớp đất đắp

K kN/m3 Trọng lượng riêng của đất đắp

c kN/m2 Ứng suất đứng phân bố trên đầu cọc

x, y, z kN/m2 Ứng suất pháp tuyến theo phương x, y và z

Ac m2 Diện tích tiết diện ngang của cọc

Cd: - Hệ số tải trọng trong tác dụng lên đường ống trong điều kiện

công trình bên trên

rp, rsd m2/kN Hệ số lún và hệ số lún tương ứng

bErs m Bề rộng chịu kéo của vải địa kỹ thuật

C’ kN/m2 Lực dính thoát nước của đất đắp

Cd - Hệ số tải trọng trong tác dụng lên đường ống trong điều kiện

công trình bên trên

Cu kN/m2 Lực dính không thoát nước của đất nền

Eb kN/m2 Mô đun đàn hồi của bê tông

Ecol kN/m2 Mô đun đàn hồi của vật liệu làm cọc

Esoil kN/m2 Mô đun đàn hồi của đất nền giữa hai cọc

Eu kN/m2 Mô đun độ cứng của nền đất yếu

Fah kN/m Lực kéo căng chủ động của vải địa kỹ thuật

FG,M kN/m Lực kéo căng vải do khối đất đắp ở giữa gây ra

FG,S kN/m Lực kéo căng vải do đất đắp mái dốc gây ra

FG kN/m Lực kéo căng của vải địa kỹ thuật

G kN/m2 Mô đun chống cắt của đất đắp

J kN/m Độ cứng của vải địa kỹ thuật

Jk kN/m Độ căng của vải địa kỹ thuật

Rb kN/m2 Cường độ nén của bê tông

Ra kN/m2 Cường độ kéo của bê tông

Rg m Bán kính cung tròn được tính từ tâm hợp với góc 2θ ứng với

Khoảng cách giữa 02 bệ cứng;

þ' o Góc ma sát trong hữu hiệu của nền đắp

WT kN/m2 Tải trọng đứng phân bố lên đất nền

yg mm Độ võng lớn nhất của vải dưới tác dụng của tải trọng ngoài

μ - Hệ số ma sát của vải với nền bên dưới

ζ’v kN/m2 Ứng suất hữu hiệu ở nền đắp

бc kN/m2 Ứng suất tập trung đầu cọc

бs kN/m2 Ứng suất phân bố trên nền đất yếu giữa các cọc

Ru kN/m Cường độ kéo của vải địa kỹ thuật

E50,u kN/m2 Mô đun đàn hồi không thoát nước ở cấp tải 50% cấp tải giới hạn

KR - Hệ số tương quan độ cứng giữa cọc và đất

εG mm Biến dạng của vải

WG kN/m2 Tải trọng phân bố đều trên vải

TT, EM,k kN Lực kéo căng của vải địa kỹ thuật

Fx,k ; Fy,k kN Lực kéo căng của vải theo phương x, y

xvi

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

FEM Finite Element Method (Phương pháp phần tử hữu hạn) BTCT Bê tông cốt thép

VĐKT Vải địa kỹ thuật

TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Việc xây dựng công trình trên đất yếu, đặc biệt là các công trình cơ sở hạ tầng thường gắn liền với các biện pháp xây dựng nền Do cao độ mặt đất tự nhiên thấp nên các công trình cơ sở hạ tầng ở các tỉnh phía Nam được xây dựng đồng thời với các công trình đắp cao (đê, đập, đường giao thông, khu dân cư, kho xưởng hay cầu cống) Ngoài các biện pháp xử lý nền phổ biến được áp dụng như cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước, cọc đất trộn xi măng thì cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật

là một trong các giải pháp hữu hiệu và có triển vọng Ưu điểm của giải pháp này có thể

kể đến là chất lượng công trình được kiểm soát thuận tiện và đảm bảo, thời gian thi công ngắn hơn đáng kể so với các phương pháp cố kết trước; vật liệu cọc ít chịu tác động ảnh hưởng của môi trường hóa lý (so với cọc đất trộn xi măng); độ lún của nền được xử lý bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật có giá trị không đáng kể nên cho phép sử dụng hạn chế vật liệu đắp, là loại vật liệu khan hiếm hiện nay ở khu vực (so với phương pháp gia tải trước)

Khả năng ổn định và độ lún của nền sau khi xử lý bằng giải pháp này phụ thuộc đáng kể vào đặc điểm phân bố ứng suất lên cọc và đất nền Thí nghiệm thực tế đo đạc nhằm tìm hiểu quy luật phân bố ứng suất tác dụng lên nền xử lý có ý nghĩa thực tiễn trong tính toán

áp dụng triển khai cũng như đánh giá triển khai phương pháp xử lý này trong thực tiễn Điều này có tính cấp thiết do việc đo đạc đánh giá sự phân bố ứng suất trong xử lý nền bằng phương pháp tương tự và trong điều kiện thực tế ở khu vực phía Nam chưa được thực hiện nhằm phục vụ đánh giá chính xác khả năng ổn định của nền sau khi xử lý

2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Cọc bê tông cốt thép là giải pháp nền móng thường được sử dụng cho các công trình tải trọng lớn hay khi đất yếu bề dày lớn nằm gần bề mặt Vật liệu cọc có tính biến dạng không đáng kể, khác với các loại trụ đất trộn xi măng hay vật liệu khác có tính biến dạng lớn Do đó, khi kết hợp với vải địa kỹ thuật, quy luật phân bố ứng suất lên cọc và đất nền có thể khác biệt và điều này ảnh hưởng trực tiếp đến các vấn đề tính toán thiết kế

2

Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền đất yếu và đầu cọc cho giải pháp xây dựng nền công trình bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật để tìm quy luật và đặc điểm phân bố ứng suất giữa cọc và nền đất yếu là mục tiêu của luận án

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được chọn lựa cho luận án là nghiên cứu cơ sở lý thuyết về

sự phân bố ứng suất trên đầu cọc và đất nền; Thí nghiệm hiện trường theo điều kiện thực tế khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre và mô phỏng tính toán bằng mô hình số

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Luận án Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền đất yếu và đầu cọc cho giải pháp xây dựng nền công trình bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật Phạm vi nghiên cứu:

- Chỉ nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong phạm vi khối đắp chưa xét sự thay đổi trạng thái ứng suất trong nền đất yếu bên dưới

- Do hạn chế về vị trí, kinh phí nên chỉ xây dựng được mô hình thí nghiệm với số lượng 16 cọc Điều này chưa thật sự giống với bài toán phẳng trong xử lý nền đường Nghiên cứu chủ yếu ảnh hưởng ứng suất của 04 cọc trung tâm, phù hợp với bài toán không gian

- Khu vực thí nghiệm hiện trường thường xuyên chịu ảnh hưởng của triều cường Do

đó sự phân bố ứng suất trong nền đất yếu cũng thay đổi, điều này cũng ảnh hưởng đến

hệ số tập trung ứng suất đầu cọc

5 Điểm mới của luận án

1 Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xây dựng nền công trình bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật trong điều kiện địa chất khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre

2 Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xây dựng nền công trình bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật khi mực nước ngầm hạ thấp và khi mực nước ngầm tăng do triều cường kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng cục bộ Hệ số

3

tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật sẽ nhỏ vào mùa khô và tăng cao vào mùa mưa khi nền ngập nước

6 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm có các phần: Mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo Tổng cộng có 125 trang, trong đó có 86 hình, 25 bảng biểu và các công thức tính toán.Phần phụ lục có 48 trang Nội dung chính của luận án được thể hiện qua các chương:

Chương 1 Tổng quan kết quả nghiên cứu phân bố ứng suất trong nền đất đắp lên cọc

bê tông cốt thép và nền đất yếu

Chương 2: Lý thuyết về sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp lên đầu cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

Chương 3 Xây dựng mô hình thực nghiệm nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong nền đắp lên hệ cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật

Chương 4 Phân tích qui luật phân bố ứng suất trong khối đắp lên hệ cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

Kết luận và kiến nghị, hướng nghiên cứu tiếp theo

4

ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP

VÀ NỀN ĐẤT YẾU

1.1 Tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL

Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp [1] ĐBSCL được hình thành và phát triển gần đây nên trầm tích chưa nén chặt, phổ biến là trầm tích sông biển mềm yếu Do đó, địa chất dưới nền móng của các công trình nhà ở, nhà xưởng, đường sá, đê điều, đập chắn nước và một số công trình khác ở đây thường đặt

ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức chịu tải của nền thấp, độ lún lớn

Các loại đất yếu thường gặp ở ĐBSCL như là đất sét mềm gồm các loại đất sét hoặc á sét, ở trạng thái bão hòa nước, có cường độ thấp thường được gọi là bùn Bùn là các loại đất tạo thành trong môi trường nước, thành phần hạt rất mịn ở trạng thái luôn no nước, hệ số rỗng rất lớn, rất yếu về mặt chịu lực; than bùn là loại đất yếu có nguồn gốc hữu cơ, được hình thành do kết quả phân hủy các chất hữu cơ có ở các đầm lầy [1]

a Phân loại theo nguồn gốc hình thành

Loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật hoặc nguồn gốc hữu cơ

Loại có nguồn gốc khoáng vật: thường là sét hoặc á sét trầm tích trong nước ở ven biển, vũng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu Đối với loại đất này, được xác định

là đất yếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng thường gần bằng hoặc lớn hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e ≥ 1,5, đất á sét e ≥ 1), cường độ lực dính không thoát nước ≤ 15 kPa, góc ma sát trong θ từ 00 đến 100 hoặc cường độ lực dính

từ kết quả cắt cánh hiện trường < 35 kPa [2]

Loại có nguồn gốc hữu cơ: hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa, phân huỷ tạo ra các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật Loại này thường được gọi là đất đầm lầy than bùn, thường có màu đen hay nâu sẫm, hàm lượng hữu cơ chiếm từ 20% đến 80%

và được phân thành

5

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

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

Hàm lượng hữu cơ trên 60%: than bùn [3]

b Phân loại theo chỉ tiêu cơ lý (trạng thái tự nhiên)

Để đánh giá sơ bộ về tính chất công trình trên đất yếu, từ đó xem xét các giải pháp thiết kế nền đường tương ứng, đất yếu được phân loại theo trạng thái tự nhiên của chúng như sau

Với đất là đầm lầy than bùn: Loại đất này được phân thành 3 loại

Loại I: Có độ sệt ổn định, thuộc loại này nếu vách đất đào thẳng đứng sâu 1m nhưng chúng vẫn duy trì được độ ổn định từ 1 đến 2 ngày

Loại II: Loại có độ sệt không ổn định, không đạt tiêu chuẩn loại 1 nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy

Loại III: Đất than bùn ở trạng thái chảy [3]

c Một số chỉ tiêu phân loại đất yếu theo tiêu chuẩn nước ngoài

Phần lớn các nước trên thế giới thống nhất về định nghĩa nền đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước Su và trị số xuyên tiêu chuẩn SPT (N) như sau: Đất rất yếu: Su ≤ 12,5 kPa hoặc N ≤ 2; Đất yếu: Su ≤ 25 kPa hoặc N ≤ 4 [4]

Lê Bá Lương và các đồng nghiệp (2005) kết luận trong nghiên cứu về đất yếu ở ĐBSCL là phần lớn đất thuộc dạng đất yếu và có chiều dày từ 10 m đến 40 m [4] Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL theo Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh (2002) như bản

đồ Hình 1.1 [5]

6

1.2 Các giải pháp xử lý nền đất yếu dưới công trình

Theo [6] do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, biến dạng lớn nên cần thiết phải có các biện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình bên trên Thực tế này đòi hỏi phải hình thành và phát triển các công nghệ thích hợp và tiên tiến để xử lý nền đất yếu Việc xử

lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính

Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị

Thanh, 2002) [5]

Đất sét màu xám nâu, xám vàng Đất bùn sét, bùn á sét, bùn á cát xen kẹp với các lớp á cát (IIa, IIb, IIc, IId) Cát hạt mịn, á cát xen kẹp ít bùn á cát (IIIa, IIIb, IIIc)

Đất than bùn xen kẹp bùn sét, bùn á sét, cát bụi, á cát (IVa, IVb)

Bùn á sét và bùn á cát ngậm nước

Cà Mau

Rạch Giá

Sóc Trăng Bạc Liêu

Trà Vinh

Bến Tre

Mỹ Tho

Tân An Cao Lãnh

Long Xuyên Cần Thơ

V

GHI CHÚ:

7

chất cơ lý của nền đất yếu như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất … đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình Đối với công trình đường ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm 2 nhóm chính:

- Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, đất trộn ximăng, Silicat hóa 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

- Các biện pháp xử lý nền thường được áp dụng như cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không Trường hợp này, thời gian cố kết đất nền được rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa công trình vào sử dụng Ngoài ra, việc lựa chọn 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 ổn định Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp này là: đệm cát, bệ phản áp

1.2.1 Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất gia cố xi măng

Trước đây biện pháp xử lý đất trộn vôi đã được sử dụng nhiều trong nước Thời gian gần đây, với công nghệ, thiết bị thi công du nhập từ nước ngoài vào, cộng thêm việc nghiên cứu được chú trọng nên trụ đất gia cố xi măng được sử dụng phổ biến hơn trong xây dựng công trình đắp

Trụ đất gia cố xi măng 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 cao đầu 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 …) [1]

Trụ đất gia cố xi măng thường được dùng để xử lý nền đất yếu, ứng suất tập trung lên trụ nên giảm độ lún và khả năng chịu tải tổng thể của nền được gia cố Đây là giải

8

pháp công nghệ thích hợp để gia cố sâu nền đất yếu Trụ đất gia cố xi măng đã áp dụng

để xử lý nền móng sân bay Trà Nóc Cần Thơ, đường vào khu khí điện đạm Cà Mau và nhiều công trình giao thông khác [6]

1.2.2 Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát

Để xử lý đất yếu người ta có thể dùng công nghệ cọc cát đầm (Sand Compaction Pile) hay viết tắt là cọc cát (SCP) Phương pháp cọc cát đầm là một phương pháp để làm ổn định nền đất yếu bằng cách thi công các cọc cát được đầm kỹ với đường kính lớn bằng quá trình lặp đi lặp lại rút hạ cọc ống thép được rung Phương pháp này thay thế và làm chặt đất, cải thiện chỉ tiêu cơ lý của đất nền

1.2.3 Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước

Phương pháp xử lý nền bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước thường được xử lý nền đắp trên nền đất yếu Với mục đích làm giảm chiều dài đường thoát nước, phương pháp xử

lý nền đất yếu bằng bấc thấm tạo ra các biên thoát nước nhân tạo cho phép nước thoát

ra theo cả hai phương bằng các vật thoát nước thẳng đứng và lớp đệm cát trên bề mặt

để thoát nước theo phương đứng và theo phương ngang

Bấc thấm có hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét, khi bố trí bấc thấm trong nền đất và kết hợp gia tải, nhờ tải trọng ngoài làm nước lỗ rỗng thặng dư trong đất nền thấm về hướng bấc thấm rồi sau đó thoát nhanh theo phương đứng ra khỏi đất nền Bấc thấm được sử dụng để xử lý lớp bùn hữu cơ, bùn sét, độ sâu xử lý không vượt quá 25m Theo nguyên tắc cơ bản, việc khảo sát, thiết kế, thi công và nghiệm thu nền xử lý nền bằng bấc thấm theo Quy trình xử lý đất yếu bằng bấc thấm trong xây dựng nền đường [7]

1.2.4 Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không

Bơm hút chân không là biện pháp sử dụng áp lực của cột khí quyển (xấp xỉ 100 kN/m2) thay thế cho vật liệu gia tải Trong thực tế, giá trị tải trọng có thể đạt được từ bơm hút chân không xấp xỉ 80 kN/m2

9

Phương pháp nén trước bằng chân không là một trong những phương pháp gia cố nền đất sét yếu, theo đó, áp suất chân không được áp dụng lên một diện tích nền được bao bởi các tấm (màng) vật liệu kín khí (airtight membrane), để bơm thoát nước lỗ rỗng chứa trong nền làm cho đất cố kết nhanh

Do áp lực trong lỗ rỗng thặng dư giảm giống nhau theo mọi phương nên trong khối đất

bị hút chân không, không xuất hiện ứng suất lệch nên hạn chế đáng kể hiện tượng trượt ở khu vực biên chịu tải

1.2.5 Xây dựng nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép và sàn giảm tải

Trong các giải pháp kiểm soát biến dạng lún và ổn định đường đầu cầu, giải pháp xử

lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép và sàn giảm tải cũng được đề cập đến Tải trọng của nền được truyền xuống nền đất tốt thông qua các cọc bê tông cốt thép, trên các đầu cọc là sàn bê tông cốt thép có chức năng phân bổ tải trọng Như đã biết, cọc bê tông cốt thép đúc sẵn được sử dụng rộng rãi nhất trong xây dựng móng sâu và chịu áp lực ngang Có ưu điểm: điều kiện áp dụng không phụ thuộc vào tình hình nước ngầm, điều kiện địa hình, chiều dài, tiết diện cọc cấu tạo theo ý muốn, cường độ vật liệu làm cọc lớn, có thể cơ giới hoá trong thi công, chất lượng cọc đảm bảo tốt vì cọc đúc sẵn

dễ kiểm tra chất lượng

Khoảng cách giữa các cọc được bố trí căn cứ sức chịu tải của hệ cọc Tải trọng tính toán bao gồm tĩnh tải của lớp đất đắp trên đường dẫn và hoạt tải xe cộ được quy đổi ra chiều cao lớp đất đắp tương đương Chiều dày của sàn giảm tải BTCT và bố trí cốt thép được tính toán theo độ bền chống chọc thủng tại đầu cọc

Theo [8], một trong những vấn đề rất khó xử lý ở đường dẫn vào cầu đắp cao trong vùng đất yếu là độ chênh lệch lún của mố cầu đặt trên cọc và phần đường đắp trên nền

tự nhiên hoặc nền đã được gia cố bằng các giải pháp đã nêu trên, nhưng vẫn còn lún nhiều Giải pháp triệt để thường được sử dụng là kéo dài chiều dài cầu để giảm chiều cao đất đắp hoặc sử dụng hệ giảm tải bằng các bản bê tông cốt thép đặt trên nền cọc bê tông cốt thép gánh đỡ đường đất đắp

10

Ngoài ra còn có nền kho xưởng chịu tải trọng chất chứa lớn được xây dựng trong vùng trũng phải san lấp cao Giải pháp thông thường là xử lý móng cọc kết hợp sàn bê tông cốt thép hoặc cọc kết hợp sàn giảm tải Cả hai giải pháp cho hai loại công trình nói trên đều có giá thành cao

1.2.6 Xây dựng nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật cường độ

cao, lưới địa kỹ thuật cường độ cao

Đồng bằng sông Cửu Long có địa hình thấp, nền đất chủ yếu là nền đất yếu, nhiều công trình cơ sở hạ tầng được đầu tư xây dựng, trong đó có nhiều công trình đất đắp cần phải xử lý nền trước khi xây dựng Việc xử lý nền trước khi xây dựng công trình

có nhiều giải pháp, mỗi giải pháp có những nhược điểm khác nhau nhau như (thời gian thi công, thời gian chờ nền cố kết, tài nguyên thiên nhiên bù lún, chi phí…) Giải pháp

xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật đang được nghiên cứu

để xử lý nền đất yếu góp phần giải quyết được những nhược điểm của các phương pháp xử lý nền khác

Công nghệ xây dựng nền móng công trình mới hình thành có tên “Cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật” Những “phần tử cọc” (cọc bê tông cốt thép, trụ đá, cọc gỗ, trụ cát có bao, trụ 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 [9]

Trọng lượng của khối đất đắp có thể truyền chủ yếu 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 như hình 1.2

Với những ưu điểm từ giải pháp xử lý nền trên do đó có rất nhiều công trình trên thế giới sử dụng giải pháp xử lý nền này như ở Đức, Anh, Pháp, Hồng Kông… Ở Việt Nam có một vài công trình sử dụng giải pháp xử lý nền này như: công trình Metro Hưng Lợi thành phố Cần Thơ, nhà máy chế biến thức ăn gia súc C.P-Group Thái Lan tại Tiền Giang, cảng biển Duyên Hải tại Trà Vinh, Bồn chứa dầu nhà máy điện Cà Mau 1, Dự án đường cao tốc Bến Lức – Long Thành, Dự án đường dẫn vào cầu Trần

11

Thị Lý – Đà Nẵng, Dự án đường dẫn vào cầu Nguyễn Hữu Cảnh Tp.HCM, Dự án cảng quốc tế Thị Vãi Vũng Tàu

1.3 Sự phân bố tải trọng của nền đất đắp không có cọc bê tông cốt thép

Nền dưới khối đắp thường có độ cứng khá lớn nên khối đất đắp không chỉ truyền tải trọng bản thân, tải trọng ngoài mà còn có tải ngang gây ảnh hưởng trượt của khối đất đắp

Như vậy xét điều kiện cụ thể trong trường hợp nền đất cứng thì khối đắp ở vùng trung tâm không trượt Trượt chỉ xuất hiện ở khối mái dốc Tại đáy mái dốc dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối đắp gây ra ứng suất tiếp gây trượt ngang, trong khi đó ở vùng trung tâm gần như chỉ xuất hiện khi ứng suất pháp gây thay đổi thể tích (trạng thái nén chặt)

Ứng suất phân bố ở chân mái dốc chủ yếu là ứng suất tiếp và gây ra chuyển vị ngang Khi bên dưới nền có lớp vải địa kỹ thuật thì lực ngang sẽ truyền lên vải làm giảm sự trượt mái đất đắp Hình 1.3 minh hoạ sự truyền tải ngang dưới tải trọng của khối đất đắp trên vải Áp lực ngang của đất phát triển bên ngoài gây ứng suất cắt ở chân nền Hình 1.2 Giải pháp xây dựng công trình bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ

thuật, Kempfert et al (1997) [9]

12

Trong trường hợp nền không có vải địa kỹ thuật có thể gây ra chuyển vị ngang trong mái dốc Đối với nền có vải địa kỹ thuật, lực cắt bị triệt tiêu do sức kháng cắt của vải

và liên kết cài giữa đất và vải [10]

Ứng suất trong nền có vải bao gồm ứng suất gia tăng từ lực trượt ngang, xoay và đẩy Theo [10] hệ số an toàn của độ ổn định trượt nhỏ nhất FS ≥ 2 và ổn định xoay FS ≥ 1,2÷1,3

Tài liệu [11] cho phép xác định kết quả của ảnh hưởng lực phân bố do lực ngang từ ứng suất chủ động ở đỉnh nền đắp đến dưới nền đất yếu nơi đặt vải gia cường Ứng suất chủ động này là một hàm theo chiều cao và hệ số áp lực ngang chủ động Kah Độ lớn phân bố của áp lực đất chủ động trên mái dốc phụ thuộc vào đặc trưng loại đất đắp, góc trượt và chiều cao đắp

Tiêu chuẩn Anh [12] cho phép xác định giới hạn trượt ngang và bắt buộc sự phù hợp giữa vải địa kỹ thuật trong nền đắp có cường độ kéo theo chiều cao đắp Sự ổn định

Hình 1.3 Sự truyền tải của khối đất đắp theo Kempfert et al (1997) [9]

1.4 Sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp không xử lý cọc bê tông cốt thép

1.4.1 Sự phân bố ứng suất tiếp, ứng suất pháp

Cắt phần tử khối đất đắp có bề rộng Δy, dài vô hạn trên mái dốc của nền đất đắp để phân tích như hình 1.4

Phương trình cân bằng lực trên lát cắt đứng với độ dày Δy

14

Ứng suất ngang của khối đất mái dốc được tính bằng phương pháp Rendulic (1938) hoặc phương pháp Schwarz (1963) trong trường hợp khối đất đắp trên nền đất yếu chịu tải ngang [10]

1.4.2 Ảnh hưởng biến dạng ngang do sự phân bố ứng suất cắt

Để tính toán biến dạng ngang trong đất đắp trên nền đất yếu không có vải địa kỹ thuật loại dệt Chuyển vị ngang tại đáy nền đất đắp do ứng suất tiếp gây ra Sự phân bố ứng suất cắt được mô tả trong hình 1.5 gây ra chuyển vị theo phương ngang của nền đất yếu, theo [13] và Geduln/Vollmert (2005) Ảnh hưởng biến dạng ngang do ứng suất cắt trên nền đắp đã được phân tích cho thấy tại trục tâm của nền đất đắp ứng suất tiếp bằng 0, ứng suất tiếp sẽ tăng dần đến đỉnh mái dốc và đạt cực đại tại đây sau đó giảm dần và trở về tâm trục của khối đất đắp

Chuyển vị ngang do ảnh hưởng của ứng suất cắt được xác định như sau

( )

y

4 0

Với F G S, E ah R u, trong đó Fah: lực kéo căng của vải địa kỹ thuật; Eah: áp lực đất chủ

động; Ru: cường độ kéo của vải địa kỹ thuật

1.4.3 Áp lực đất trong khối đắp trên nền không có cọc

Theo Ochial et al (1986) phân tích khả năng kéo căng của vải địa kỹ thuật trong nền

đất tự nhiên không gia cố cọc [10]

Nền đất đắp có sử dụng vải địa kỹ thuật trên nền đất yếu không kết hợp cọc Tải trọng

của đất đắp sẽ được truyền lên nền đất yếu bên dưới thông qua lớp vải địa kỹ thuật tạo

sự phân bố lại ứng suất làm nền lún đều, giảm lún lệch

R h n (1.12)

Hình 1.7 Lực kéo căng của vải trên nền yếu không có cọc Kempfert et al (1997) [10]

1.5 Sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp có xử lý cọc kết hợp vải địa kỹ thuật

Để gia tăng khả năng ổn định của nền đất yếu và hạn chế độ lún của khối đất đắp, cọc

được hạ vào trong nền đất yếu kết hợp vải địa kỹ thuật để phân bố tải trọng lên cọc

Theo [14], [15], [16] vải địa kỹ thuật gánh đỡ trực tiếp tải trong của khối đắp thông

qua khả năng kéo căng trước khi phân bổ lên đầu cọc

Tiêu chuẩn Anh [12] khuyến cáo vải địa kỹ thuật có thể chịu được lực ngang do trượt

và có thể chuyển vị phù hợp với chuyển vị cho phép của cọc bởi vì khử độ nghiêng

cần thiết của cọc Lực kéo vải được tính cho áp lực ngang chủ động của đất

Lực kéo căng trong vải do ảnh hưởng lực phân bố và hiệu ứng vòm trong nền đất giữa

hai phần tử cọc Có nhiều phương pháp tính khác nhau được đưa ra

Hình 1.8 Mô hình đắp trên cọc kết hợp vải địa kỹ thuật Kempfert et al (1997) [9]

Hình 1.9 Thí nghiệm trong phòng cọc biên và cọc giữa theo Zaeske (2001) [19]

Hình 1.10 So sánh lực kéo căng của vải hệ I và II theo (Zaeske, 2001) [19]

Hệ 1

Hệ 2

19

+ Theo Maihold et al (2003) lực kéo căng của vải trên đới dốc và đới trung tâm khi có

lực ma sát giữa đất và vải theo hình 1.11 [20]

Với Ea,k: Áp lực ngang đất chủ động

FG,S: Lực kéo căng của vải trên mái dốc nền đắp

FG,S: Lực kéo căng vải ở đới trung tâm

+ Theo Love et al (2003) lực kéo căng của vải trên đới dốc và đới trung tâm khi không

có lực ma sát giữa đất và vải theo hình 1.12 [22]

Tổng lực kéo căng

FG = max(FG,M;FG,S)

Hình 1.11 Lực kéo căng của vải trên đới dốc và đới trung tâm khi có lực ma sát giữa

đất và vải theo (Maihold, 2003) [20]

Hình 1.12 Lực kéo căng của vải trên đới dốc và đới trung tâm khi không có lực ma sát

giữa đất và vải theo (Love, 2003) [22]

20

Lực kéo căng trên vải lớn hơn lực kéo căng trong đất đắp

+ Theo Geduhn/Vollmert (2005) lực kéo căng vải được xác định như sau:

Với μ: Hệ số ma sát của vải với nền bên dưới

Hình 1.13 Lực kéo căng của vải trên mái dốc theo (Geduhn/Vollmert, 2005) [10]

Hình 1.14 Lực kéo căng của vải trên mái dốc Kempfert et al (1997) [10]

1.6.2 Ứng suất và chuyển vị ngang của cọc biên

Áp lực ngang trên mái dốc nền đắp gây ra lực ngang và ứng suất ngang trên cọc biên Ứng suất ngang tác dụng lên cọc phụ thuộc chủ yếu vào tương quan độ cứng giữa cọc

và đất Ngoài ra còn có những nhân tố tương quan khác bao gồm độ sâu của cọc và chiều dày lớp sét yếu theo [16]

Hệ số kích thước được ký hiệu M* được tính toán theo giá trị moment uốn lớn nhất của cọc trong đất [24]

Hình 1.15 Sự phân bố tải trọng của nền đắp bên trong Kempfert et al (1997) [10]

x C

Trong đó Mmax là giá trị moment uốn lớn nhất của cọc trong đất, d là cạnh cọc, Cu là lực dính không thoát nước của đất, ζz là ứng suất tổng của nền đất đắp, λ và β là hằng

số phụ thuộc vào hệ số tương quan độ cứng giữa cọc và đất KR

Theo Poulos (1973) và Stewart (1992) [27]

λ =1.8(KR)0.5 và β = 0.18(KR)-0.1

50, 2

P P R

u

E I

K

Với EP - mô đun đàn hồi của vật liệu làm cọc, IP - moment quán tính của cọc, E50,u -

mô đun đàn hồi không thoát nước ở cấp tải 50% cấp tải giới hạn, h2 - chiều dày lớp đất yếu

Hình 1.16 a) giá trị λ, β; b) tương quan M* và [ζz/Cu] [27]