Phương pháp tính toán độ lún cố kết sơ cấp của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỮU THIỆN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỐ KẾT SƠ CẤP CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT - XI MĂNG Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LUẬN VĂN THẠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HỮU THIỆN

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỐ KẾT SƠ CẤP

CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT - XI MĂNG

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - Tháng 01 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Bá Vinh

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Tô Văn Lận

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Đỗ Thanh Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG

Tp HCM ngày 05 tháng 01 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS Bùi Trường Sơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI

Phương pháp tính toán độ lún cố kết sơ cấp của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Hiệu ứng vòm trong nền đất đắp ảnh hưởng đến sự phân phối ứng suất tác dụng lên trụ đất - xi măng và đất yếu xung quanh trụ

2 Lựa chọn mô-đun đàn hồi của trụ đất - xi măng từ kết quả của các thí nghiệm nén nở hông và thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn

3 Sự phân bố và tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng

4 Đề xuất phương pháp tính toán độ lún cố kết sơ cấp của nền đất yếu được gia

cố bằng trụ đất - xi măng

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Lê Bá Vinh

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Nguyễn Minh Tâm

Để hoàn thành được luận văn thạc sĩ này, ngoài sự nổ lực không ngừng của bản thân còn có sự giúp đỡ chân thành từ quý thầy cô, những bậc đàn anh đi trước, các đồng nghiệp và các bạn Trước tiên, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS TS Lê Bá Vinh, người thầy đã gợi mở những ý tưởng đầu tiên về đề tài này và đã tận tình hướng dẫn trong suốt khoảng thời gian từ những ngày đầu tiên cho đến khi luận văn được hoàn thành

Xin gởi lời tri ân đến các thầy cô trong Bộ môn Địa cơ Nền móng, cũng như các thầy cô trong Khoa Kỹ thuật Xây dựng đã giảng dạy rất nhiệt tình và chu đáo từ khi tác giả còn là một sinh viên đại học đến khi là một học viên cao học

Ngoài ra, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến anh Phạm Thanh Thái, Phó Giám đốc Phân viện Khoa học công nghệ Xây dựng miền Nam, đã trợ giúp về số liệu thí nghiệm trụ đất - xi măng

Lời cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn thiêng liêng nhất đối với Ba và Mẹ đã luôn ủng hộ và ở cạnh bên con trong suốt thời gian qua Xin cám ơn đã tất cả các bạn, Ban Giám đốc và các đồng nghiệp tại Công ty TNHH Structerre Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 11 năm 2016

Học viên

Trần Hữu Thiện

Tên đề tài:

“PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỐ KẾT SƠ CẤP

CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT - XI MĂNG” Tóm tắt:

Gia cố đất yếu bằng trụ đất – xi măng là một phương pháp phổ biến Luận văn tập trung vào việc đề xuất phương pháp tính toán độ lún cố kết sơ cấp của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất – xi măng Ngoài ra, còn xem xét đến các vấn đề liên quan như hiệu ứng vòm, mô-đun đàn hồi của trụ đất – xi măng, và sự tiêu tán áp lực nước

lỗ rỗng thặng dư trong nền được gia cố Một loạt các phương pháp đã được sử dụng như: phương pháp giải tích, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp thí nghiệm thực hành, và quan trắc thực tế Các kết quả thu được như sau:

 Về hiệu ứng vòm, tỷ số giảm ứng suất giảm khi tăng đun của đất đắp, đun đàn hồi của trụ đất - xi măng và tỷ diện tích thay thế Khi tăng chiều cao đất đắp,

mô-tỷ số giảm ứng suất giảm khi chiều cao đất đắp còn nhỏ và tăng dần khi chiều cao đất đắp vượt qua một giá trị ngưỡng của nó Ngoài ra, tỷ số giảm ứng suất trong trường hợp trụ chống có giá trị nhỏ hơn trong trường hợp trụ treo

 Về mô-đun đàn hồi của trụ, mô-đun đàn hồi thực tế của trụ từ thí nghiệm nén

col

nén nở hông mẫu khoan E col, 50 và có mối quan hệ E col* mE col, 50, trong luận văn này, tìm được m 17 23  

 Về ứng xử cố kết và phương pháp được đề xuất, độ lún giảm và tốc độ cố kết của nền được gia cố tăng lên do độ cứng của nền được tăng cường bởi trụ đất – xi măng Khi tính toán độ cố kết, nền đất được gia cố có thể đơn giản xem như một lớp đồng nhất với hệ số cố kết đứng tương đương và khi đó, độ cố kết có thể được tính theo lý thuyết cố kết một chiều vì sự cố kết xảy ra chủ yếu theo phương đứng Dưới điều kiện làm việc bình thường, trụ đất - xi măng không hoạt động như một thiết bị thoát nước Sự chênh lệch về hệ số thấm của trụ và đất xung quanh trụ có thể được

bỏ qua trong tính toán vì ảnh hưởng không đáng kể

Thông qua các kiểm chứng, phương pháp được đề xuất có thể sử dụng như một công cụ trong tính toán và thiết kế

Title:

“A METHOD FOR CALCULATING PRIMARY CONSOLIDATION

SETTLEMENT OF SOIL – CEMENT COLUMN IMPROVED SOFT GROUND” Abstract:

Improving soft ground with soil-cement columns is a popular method The thesis focuses on proposing a method for calculating primary consolidation settlement of soil – cement column improved soft ground Moreover, some regarding problems are considered such as arching effect, elastic modulus of soil-cement column, and dissipation of excess pore water pressure in the improved ground Some approaches are applied such as analytical method, finite element method, practical experimental method, and actual monitoring method Several results are derived as follows:

 For arching effect, stress reduction ratio decreases with an increase of modulus

of embankment, of elastic modulus of soil-cement column, and of area replacement ratio With raising height of embankment fill, stress reduction ratio decreases with the small height and tends to rise when the height is more than its yield value Furthermore, value of stress reduction ratio in penetrating fully column case is larger than one in floating column case

 On elastic modulus of soil-cement column, column elastic modulus from back

col

than the elastic modulus from results of unconfined compression test for drill samples

E col, 50 with relationship E col* mE col, 50, in this thesis, it was found that

17 23 

m  

 For consolidation behaviour and the proposed method, settlement decreases and consolidation rate of the improved ground increases due to ground stiffness enhanced by soil-cement columns When calculating consolidation degree, the ground can be seen simply as a homogeneous single layer with the equivalent coefficient of vertical consolidation and the degree of consolidation can be calculated with one-dimensional consolidation theory because the consolidation occurs mainly

in the vertical direction Under normally working conditions, the soil–cement column does not work as a drain The effect of the difference of coefficients of permeability between the column and the surrounding soft soil is not significant

With verifications, the proposed method can be used as an effective tool in calculating and design work

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên

Trần Hữu Thiện

MỤC LỤC

KẾT SƠ CẤP CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ

SỰ PHÂN PHỐI ỨNG SUẤT TÁC DỤNG LÊN TRỤ ĐẤT - XI

2.4.3 Sự ảnh hưởng của chiều cao đất đắp 27

TỪ KẾT QUẢ CỦA CÁC THÍ NGHIỆM NÉN NỞ HÔNG VÀ

PHẦN MỀM PLAXIS ĐỐI VỚI KẾT QUẢ NÉN TĨNH TRỤ ĐẤT

NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT - XI MĂNG 48

4.2.2 Phân tích về sự tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư 52

VIỆC ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÁC TRƯỜNG HỢP THỰC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.10 Trường ứng suất chính hữu hiệu trong khối đất đắp khi khảo sát chỉ tiêu

fill

Hình 2.11 Sự thay đổi của tỷ số giảm ứng suất (SRR) theo chiều cao đất đắp (H fill)

Hình 2.14 Trường ứng suất chính hữu hiệu trong khối đất đắp khi khảo sát chỉ tiêu

s

Hình 2.15 Sự thay đổi của tỷ số giảm ứng suất (SRR) theo tỷ diện tích thay thế ( )a s

Hình 3.1 Quan hệ q u  của các mẫu trong phòng thí nghiệm với hàm lượng xi măng t

Hình 3.9 Biểu đồ tải trọng – độ lún quan trắc – độ lún từ phân tích ngược bằng

Hình 4.6 Trạng thái áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở cuối giai đoạn cố kết trong trường

Hình 4.10 Chuyển đổi nền hai lớp sang nền một lớp đồng nhất để tính toán hệ số cố

Hình 4.11 Vị trí của các thiết bị trong mô hình vật lý như sau: (a) mặt bằng vị trí của

Hình 4.13 So sánh độ lún tính toán và đo được theo thời gian đến cấp áp lực 60kPa

67Hình 4.14 So sánh về áp lực nước lỗ rỗng thặng dư với thời gian dưới áp lực đứng

Hình 4.16 So sánh các đường lún theo thời gian của các trường hợp thí nghiệm mô

DANH MỤC BẢNG BIỂU

PHẦN MỞ ĐẦU

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Có hai vấn đề lớn khi gia cố đất yếu bằng trụ đất - xi măng đó là sức chịu tải và biến dạng Trong luận văn này, tập trung nghiên cứu về phương pháp tính toán độ lún

cố kết sơ cấp theo thời gian của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng dưới tải trọng đất đắp Đây là một vấn đề thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học, các chuyên gia trong lĩnh vực xử lý nền Bởi đây là một vấn đề còn nhiều điều để bàn bạc để từ đó có thể đi đến sự thống nhất về cách nhìn nhận cũng như phương pháp tính toán cho vấn đề này

Tại Việt Nam, trong tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 – Gia cố đất nền yếu - Phương pháp trụ đất - xi măng [1] đã đề cập và đưa ra công thức tính toán độ lún tổng mà không có chỉ dẫn cụ thể về việc tính toán độ lún theo thời gian của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng Tiêu chuẩn chỉ phân tích khái quát về đặc điểm của trụ, được chế tạo theo phương pháp trộn ướt và trộn khô, ảnh hưởng đến tốc độ lún của nền được gia cố, với nguyên văn như sau:

“Trong trộn khô, có thể tính thấm của trụ cao hơn đất xung quanh, trụ có tác dụng như băng thoát nước thẳng đứng Tuy nhiên, tốc độ lún không chỉ quyết định bởi hiệu ứng thoát nước Khi trụ gia cố và đất sét yếu xung quanh cùng làm việc, hiện tượng nổi trội chính là sự phân bố ứng suất trong hệ thống trụ - đất theo thời gian Ngay khi tác động, tải trọng được chịu bởi áp lực nước lỗ rỗng dư Trụ tăng độ cứng theo thời gian, sẽ chịu dần tải trọng, giảm bớt tải trọng lên đất Hệ quả là áp lực nước lỗ rỗng dư trong đất yếu sẽ được giảm nhanh, thậm chí chưa có thấm hướng tâm Phân bố lại ứng suất là nguyên nhân chính để giảm độ lún và tăng tốc độ lún

Do đó, cho dù tính thấm của trụ chỉ bằng của đất thì quá trình cố kết cũng nhanh hơn nhờ hiện diện của các trụ Trụ đất - xi măng đã làm tăng hệ số cố kết một chiều Trong trộn ướt, tính thấm của trụ không cao hơn nền đất xung quanh Nhưng nhờ phân bố lại ứng suất mà quá trình cố kết một chiều xảy ra nhanh hơn.”

Từ đó, có thể kết luận rằng việc nghiên cứu về phương pháp tính toán độ lún cố kết sơ cấp theo thời gian của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất – xi măng dưới tải trọng đất đắp là một đề tài mang tính cấp thiết và mang một ý nghĩa nhất định để từ

đó có thể dự đoán trước độ lún cố kết theo thời gian và làm cơ sở cho việc tính toán

và thiết kế

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục tiêu chủ đạo của luận văn này là đề xuất một phương pháp nhằm xác định độ lún cố kết sơ cấp theo thời gian của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng dưới tải trọng đất đắp Bên cạnh đó, để hiểu được sâu sắc và đầy đủ hơn, luận văn còn xét đến sự tác động của hiệu ứng vòm trong nền đất đắp đến sự phân phối ứng tác dụng lên trụ đất - xi măng và đất yếu xung quanh trụ, lựa chọn mô-đun đàn hồi của trụ đất - xi măng để phục vụ cho việc tính toán độ lún như đã đề ra, và sự tiêu tán

áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Luận văn chỉ xem xét, phân tích và đánh giá để đưa ra một phương pháp tính toán

độ lún cố kết sơ cấp của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng dựa trên cơ

sở bài toán phẳng và sự cố kết được xem như xảy ra chủ yếu theo phương đứng Đất yếu được nghiên cứu ở đây là đất dính yếu và chỉ xét đến tải trọng đất đắp Tính hợp lý của phương pháp được đề xuất chỉ được kiểm chứng theo các số liệu thí nghiệm và quan trắc của một số thí nghiệm mô hình và công trình thử nghiệm, mà chưa thể kiểm chứng cho nhiều công trình thực tế khác để xác định được mức độ chính xác và độ tin cậy cao của phương pháp đó

CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Việc nghiên cứu được dựa trên lý thuyết cố kết một chiều với nhiều phương pháp được kết hợp sử dụng:

− Phương pháp giải tích;

− Phương pháp phần tử hữu hạn (chương trình PLAXIS);

− Phương pháp thí nghiệm trong phòng và hiện trường;

− Phương pháp quan trắc

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

Ý nghĩa khoa học: Cung cấp những quan điểm về ứng xử cố kết và tính toán độ

lún cố kết sơ cấp của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả đạt được có thể được sử dụng để tính toán và thiết kế

công trình đất đắp trên nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng mà tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 – Gia cố đất nền yếu – Phương pháp trụ đất - xi măng chưa hướng dẫn cụ thể

CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn bao gồm các chương như sau:

Phần mở đầu;

Chương 1 Tổng quan về phương pháp tính toán độ lún cố kết sơ cấp của nền

đất yếu được gia cố bằng trụ đất – xi măng;

Chương 2 Hiệu ứng vòm trong nền đất đắp ảnh hưởng đến sự phân phối ứng

suất tác dụng lên trụ đất - xi măng và đất yếu xung quanh trụ; Chương 3 Lựa chọn mô-đun đàn hồi của trụ đất - xi măng từ các kết quả của

các thí nghiệm nén nở hông và thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn;

Chương 4 Phương pháp tính toán độ lún cố kết sơ cấp của nền đất yếu được

gia cố bằng trụ đất - xi măng;

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỐ KẾT SƠ CẤP CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT – XI MĂNG

Trụ đất - xi măng là một phương pháp được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực cải tạo và gia cố nền đất yếu, đặc biệt ở những công trình mà yêu cầu về vấn đề biến dạng của nền đất được quan tâm và kiểm soát nghiêm ngặt Để hạ giá thành xây dựng và giảm thiểu tối đa ảnh hưởng đến môi trường đất, việc cải tạo nền đất sét yếu bằng trụ đất - xi măng đã được ứng dụng vào nhiều dự án thực tế Ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng dạng trụ treo khác với ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng dạng trụ chống Hơn hết, ứng xử cố kết của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất – xi măng vẫn là một đề tài thu hút nhiều sự quan tâm kể cả nhà ứng dụng thực tiễn và các nhà nghiên cứu với nhiều nghiên cứu về việc

dự đoán các ứng xử kỹ thuật của nền đất được gia cố bằng trụ đất - xi măng Một trong những khía cạnh quan trọng trong việc thiết kế một hệ thống trụ đất - xi măng nhằm mục đích gia cố đó là việc tính toán độ lún cố kết của nền đất yếu được gia cố Yin và Fang [2] cũng như Chai và Pongsivasathit [3] đã khảo sát ứng xử cố kết của

mô hình nền hỗn hợp gồm trụ đất – xi măng và đất yếu được tiến hành trong phòng thí nghiệm với điều kiện đối xứng trục Trong đó, Yin và Fang [2] đã giả thiết rằng tốc độ cố kết của nền hỗn hợp nhanh hơn bởi vì các trụ đất - xi măng có tính thấm cao và đóng vai trò như một thiết bị thoát nước Ngược lại, Chai và các cộng sự [4]

đã bàn luận về vấn đề này và giải thích rằng các trụ đất - xi măng thúc đẩy quá trình

cố kết nhờ độ cứng của chúng lớn dẫn đến hệ số cố kết lớn hơn so với nguyên nhân

là do tính thấm lớn hơn Chai và Pongsivasathit [3] đã đưa ra một phương pháp dự đoán đường cong lún theo thời gian của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng dạng treo Sau đó, Pongsivasathit và các cộng sự [5] đã cải tiến phương pháp của Chai và Pongsivasathit để xét tới ảnh hưởng xâm nhập tương đối của trụ đất - xi măng vào trong lớp đất yếu bên dưới trụ Bên cạnh đó, Yang và các cộng sự [6] đã đưa ra lời giải giải tích cho vấn đề cố kết của nền hỗn hợp được gia cố bằng trụ không thấm dạng treo Miao và các cộng sự [7] đưa lý thuyết cố kết của nền hai lớp vào cho

bài toán nền gia cố bằng trụ đất - xi măng dạng treo Bên dưới trình bày tóm tắt hai phương pháp đã được các tác giả đề xuất

1.1 PHƯƠNG PHÁP CỦA CHAI VÀ CÁC CỘNG SỰ ĐÃ ĐƯỢC HIỆU CHỈNH

Phương pháp này được để xuất bởi Chai và các cộng sự [3] và sau đó đã được hiệu chỉnh [5]

1.1.1 Phương pháp tính toán độ lún cố kết theo thời gian

Như được thể hiện trong Hình 1.1, phương pháp này chấp nhận quan điểm cho

như một lớp không được gia cố để tính toán sự nén lún của nó với các thuộc tính chỉ

β, có thể được diễn tả như bên dưới:

Đối với trường hợp có sàn trên đầu trụ:

ở đây,  – tỷ diện tích thay thế với   Ac / Ae (Ac - diện tích mặt cắt ngang của trụ

độ lún theo thời gian s(t) được cho như bên dưới:

Đối với lớp có chiều dày '

1

H và H2' Dci và Dsi - mô-đun biến

tính toán như bên dưới:

1.1.2 Độ cố kết của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng dạng treo

Ở mức độ tổng thể, tầng đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng dạng treo có thể chia thành hai lớp như trong Hình 1.2

 1

1

.1

nền đất yếu được gia cố theo phương pháp có sử dụng bấc thấm, như sau:

2 1

  12

2

83

với n  de / d sc,  ds / dc(dc - đường kính trụ, de - đường kính của phần tử đơn vị

Hình 1.3 Mô tả sự thay đổi chiều dày của lớp 2 (a) Ban đầu; (b) Sau cùng [3]

Hình 1.4 Sự thay đổi tuyến tính của sự gia tăng ứng suất tổng [3]

2 2,0

s,2

f

Lý thuyết cố kết được đề nghị sử dụng là lời giải cố kết nền hai lớp được công bố bởi Zhu và Yin [10], trong đó có xét đến sự thay đổi tuyến tính của sự gia tăng ứng suất phương đứng theo độ sâu và thời gian (xem Hình 1.4) Dưới tải trọng nền đắp,

1

,

o

độ sâu z = 0, H1 và H1 + H2) có thể được xác định gần đúng theo phương pháp Osterberg [11]

1.2 PHƯƠNG PHÁP CỦA YANG VÀ CÁC CỘNG SỰ [6]

Lời giải của phương pháp này dựa trên mô hình cố kết đối xứng trục, được gọi là phần tử đơn vị Từ Hình 1.5, có thể thấy rằng phần tử đơn vị hình trụ bao gồm trụ

dày của vùng được gia cố và vùng không được gia cố nằm bên dưới Điều kiện biên của các tường ngoài là: ứng suất cắt bằng không, chuyển vị hướng tâm bằng không,

và không có dòng thấm Các giả thuyết được đưa ra như sau:

Hình 1.5 Mô hình cố kết của đất hỗn hợp với trụ không thấm dạng treo [6]

1 Trụ không thấm nước

2 Đất bão hòa nước hoàn toàn Định luật Darcy được tuân thủ Hệ số thấm và mô-đun biến dạng không nở hông của đất là hằng số trong quá trình nén cố kết

3 Tải trọng phân bố đều được đặt lên tức thời và duy trì không đổi trong suốt quá trình cố kết

4 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất ngay bên dưới trụ chỉ thoát nước theo phương hướng tâm và thấm qua phần đất ngay bên dưới phần đất xung quanh trụ

5 Giả thiết biến dạng phương đứng bằng nhau được chấp nhận, nghĩa là, trụ, đất xung quanh trụ và đất không được gia cố nằm bên dưới chỉ biến dạng theo

phương đứng, và có biến dạng bằng nhau tại mọi điểm theo độ sâu

1.2.1 Phương trình cố kết

a) Phương trình cố kết cho đất xung quanh trụ

Phương trình cố kết thấm của đất xung quanh trụ:

có kể đến sự ảnh hưởng của trụ không thấm xuyên qua tương đối, có dạng như sau:

v

nhiên

b) Phương trình cố kết cho đất không được gia cố nằm bên dưới

Phương trình cố kết thấm của đất nằm dưới trụ:

cố bên dưới có xét đến ảnh hưởng của trụ không thấm, biểu diễn như sau:

Phương trình (1.20) là phương trình cố kết thấm chủ đạo của đất không được gia

của nước lỗ rỗng của đất không được gia cố nằm bên dưới theo phương thẳng đứng

1.2.2 Lời giải giải tích

Để các biểu thức được đơn giản, các tham số không thứ nguyên được định nghĩa như sau:

Theo lý thuyết cố kết của nền nền đất chịu nén hai lớp [13], độ cố kết tổng thể của nền đất hỗn hợp nhận được như sau:

1

1 1

độ lún và theo áp lực nước lỗ rỗng thặng dư

Cuối cùng, biến đổi ta được:

dụng ý tưởng về hệ số thấm tương đương của phương pháp gia cố nền đất yếu

có sử dụng bấc thấm là không hợp lý khi hệ số thấm của trụ bé và không được xem như là băng thoát nước

 Phương pháp của Yang và các cộng sự được áp dụng cho trụ không thấm cùng một số giả thiết được đưa ra Lời giải này có thể áp dụng cho trụ đất – xi măng nếu có thể chấp nhận giả thiết rằng trụ đất – xi măng không thấm, trong một số trường hợp nhất định

 Trong hai phương pháp được đề cập chi tiết, các mô hình được xét đến đều có

dạng trụ treo và lớp đất yếu đều có bề dày hữu hạn H Chưa có sự giải thích về việc lựa chọn giá trị của H để tính toán khi chiều dày lớp đất yếu trong thực tế

có thể là lớn hoặc rất lớn

Chương 2 HIỆU ỨNG VÒM TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP ẢNH HƯỞNG ĐẾN

SỰ PHÂN PHỐI ỨNG SUẤT TÁC DỤNG LÊN TRỤ ĐẤT - XI MĂNG VÀ

ĐẤT YẾU XUNG QUANH TRỤ

2.1 GIỚI THIỆU

Người đầu tiên đưa ra quan điểm về hiệu ứng vòm đó là Terzaghi [14], ông đã trình bày những quan điểm đó trong quyển Cơ học đất năm 1943 Lúc đầu, áp suất theo phương đứng lên nền đất yếu tự nhiên là bằng với sức chịu tải của nền Tiếp đó,

do độ cứng khác nhau dẫn đến hiện tượng lún không đều giữa trụ và đất xung quanh trụ làm xuất hiện sức kháng cắt ở mặt bên giữa một khối đất đắp bị lún xuống và khối trên cọc đứng yên Kết quả là áp lực tổng lên đầu trụ được tăng lên bởi vùng đứng yên và giảm đi trong vùng bị võng xuống Khi độ võng đạt đến giới hạn sẽ sinh ra mặt phá hoại giữa hai mặt trượt hình thành theo dạng vòm, xuất hiện từ đầu trụ lên đến bề mặt đất đắp [15] Có nhiều phương pháp thiết kế và đều xem ứng suất tại vòm lõm giữa hai trụ phụ thuộc mạnh mẽ vào khoảng cách giữa các trụ

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ HIỆU ỨNG VÒM

Để đánh giá mức độ hiệu ứng vòm, các khái niệm sau được đưa ra [16]:

− Tỷ số ứng suất trụ CSR (Column stress ratio),

− Tỷ số giảm ứng suất SRR (Stress reduction ratio),

− Tỷ số tập trung ứng suất n (Stress concentration ratio),

− Mức độ hiệu quả E (Efficacy)

với cách xác định như sau:

A a

Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp đánh giá mức độ hiệu ứng vòm

thông qua tỷ số SRR, trong đó xét đến sự ảnh hưởng của kích thước trụ, khoảng cách

giữa các trụ, chiều cao đất đắp, … Các biểu thức tính toán của các nhà nghiên cứu được tổng hợp trong Bảng 2.1 [16]

'

2 2 2

2.8

c

p s

1

p

K p

p p

Guido hiệu

s a SRR



ở đây,

H – chiều cao khối đất đắp;  – dung trọng khối đất đắp; q – phụ tải;

s – khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các trụ; a – bề rộng trụ;

− Đối với trụ đá, trụ vôi, và trụ cát đầm chặt, C c 1.50H a/ 0.07

2.3 CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH SỐ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PLAXIS

Trong phần này, các mô phỏng số được thực hiện với phần mềm PLAXIS nhằm khảo sát hiệu ứng vòm trong khối đất đắp được đặt trên nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng Nhiều cuộc khảo sát được tiến hành bởi các tác giả nhằm phân tích ứng xử của đất yếu được gia cố bằng trụ đất - xi măng [23] [24] [22] [16] Với công

Hình 2.2 Mô hình phân tích

Trụ đất - xi măng

Đất yếu Đất đắp

cụ PLAXIS, hiệu ứng vòm được khảo sát ở nhiều phương diện với sự thay đổi của nhiều yếu tố khác nhau Điều này giúp khảo sát toàn diện hơn so với các biểu thức trong Bảng 2.1 chỉ xét đến một hoặc một vài yếu tố Các yếu tố được thay đổi nhằm đạt được mục đích khảo sát đó là mô-đun của đất đắp, mô-đun đàn hồi của trụ đất -

xi măng, chiều cao khối đất đắp, và tỷ diện tích thay thế

Trong thực tế, các trụ được bố trí theo kiểu lưới hình vuông hoặc hình tam giác đều Thế nhưng, nhằm đơn giản hóa cho việc khảo sát nhưng vẫn phải đảm bảo được tính sát thực với ứng xử thực tế, chỉ mô phỏng một trụ đơn cùng với vùng ảnh hưởng của nó (một đơn nguyên) Đường kính tương đương của một đơn nguyên hình trụ đó được tính như sau:

1.13

e

trụ liền kề trong bố trí thực tế ở hiện trường

Mô hình đối xứng trục được ứng dụng trong khảo sát này như Hình 2.2, trong đó

đối xứng trục được sử dụng ở đây Tiêu chuẩn phá hủy Mohr-Coulomb được sử dụng cho ứng xử của trụ đất - xi măng, đất yếu và đất đắp Giả sử rằng sự tiếp xúc giữa trụ

và đất yếu là hoàn toàn nên không cần mô phỏng phần tử tiếp xúc Có hai giai đoạn (phases) tính toán cho mỗi trường hợp, đó là:

Phase 1: Đắp đất,

Phase 2: Cố kết

trong đó, đất đắp được giả thiết là đặt tức thời và quá trình cố kết được diễn ra cho đến khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tại tất cả các điểm của bài toán mô phỏng không còn lớn hơn 1 kPa Các thông số của các trường hợp được mô tả trong Bảng 2.2, trong

đó khi thay đổi một yếu tố nào đó thì các yếu tố còn được được lấy trong trường hợp

cơ bản

Bảng 2.2 Thông số vật liệu cho các trường hợp phân tích

2.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH VÀ BÀN LUẬN

2.4.1 Sự ảnh hưởng của mô-đun đất đắp

Nhằm khảo sát sự tác động của mô-đun đất đắp lên mức độ hiệu ứng vòm, một

Hình 2.3 Lưới bị biến dạng dưới tải trọng đất đắp

ở cuối giai đoạn cố kết

biến dạng của lưới trong mô hình sau khi quá trình cố kết kết thúc được thể hiện trong

Điều đó là do khi độ cứng của khối đất đắp tăng thì sức kháng cắt của nó cũng tăng theo, hiệu ứng vòm xảy ra mạnh mẽ hơn và ứng suất trong đất xung quanh trụ cũng

sẽ giảm Hình 2.4 trình bày mối quan hệ giữa mô-đun đất đắp và tỷ số giảm ứng suất

(SRR) thu được từ các trường hợp được phân tích bằng chương trình PLAXIS Khi

Hình 2.4 Quan hệ giữa mô-đun đất đắp và tỷ số giảm ứng suất

Ngoài ra, ứng với mỗi giá trị của Efill , thì mức độ suy giảm của SRR theo thời

SRR càng nhanh Dù vậy, chúng có chung một đặc điểm là SRR giảm nhanh ở một

giai đoạn ngắn ban đầu, sau đó giảm chậm và đạt giá trị nhỏ nhất ở cuối quá trình cố kết Diễn biến này được thể hiện rõ rệt qua Hình 2.5

Song song với sự suy giảm của SRR (cũng đồng nghĩa với sự suy giảm của ứng

suất trong đất xung quanh trụ đất - xi măng) là sự tăng lên ứng suất trong trụ, dẫn đến

tỷ số tập trung ứng suất (n) tăng lên Hình 2.6 thể hiện mối quan hệ của tỷ số n theo

thời gian Khi giá trị của Efill tăng thì tỷ số n cũng tăng theo Sự gia tăng của tỷ số n

diễn ra nhanh trong một giai đoạn ngắn ban đầu (song hành với sự giảm nhanh của tỷ

số SRR), sau đó tăng chậm và đạt giá trị lớn nhất ở cuối giai đoạn cố kết Nguyên

nhân là trong quá trình cố kết, sự lún trong đất yếu diễn ra mạnh mẽ hơn so với trụ đất - xi măng (do độ cứng của trụ lớn gấp rất nhiều lần so với đất yếu) dẫn đến sự lún lệch giữa trụ và đất yếu xung quanh trụ càng gia tăng Điều này khiến cho hiện tượng hiệu ứng vòm ngày càng phát triển mạnh hơn dẫn đến sự phân phối ứng suất, sự gia tăng mạnh mẽ ứng suất trong trụ và sự giảm mạnh ứng suất trong đất yếu xung quanh trụ

2.4.2 Sự ảnh hưởng của mô-đun đàn hồi của trụ đất - xi măng

Trụ đất - xi măng là thành phần chủ đạo trong bài toán đang xét, và độ cứng hay

hợp phân tích là 25; 50; 100; 200 và 300 MPa Khi Ecol tăng thì sự lún lệch giữa giữa trụ và đất yếu xung quanh trụ cũng tăng theo làm đẩy mạnh mức độ hiệu ứng