Nghiên cứu ứng xử của nền đường trên đất yếu được gia cường bằng cọc kết hợp vật liệu địa kỹ thuật

TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG CỌC KẾT HỢP VẬT LIỆU ĐỊA KỸ THUẬT II.. Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm ANSYS để nghiên cứu hiệu ứng vòm trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

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

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

- -NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHẠM ĐỨC HÓA MSHV: 13010002

Ngày, tháng, năm sinh: 10/05/1990 Nơi sinh: Đà Nẵng Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông MN: 60 58 02 05

I TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU

ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG CỌC KẾT HỢP VẬT LIỆU ĐỊA KỸ THUẬT

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nghiên cứu tổng quan về giải pháp nền đường trên đất yếu xử lý bằng bằng cọc, trụ đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật

2 Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết phân tích và tính toán nền đường trên đất yếu có cọc gia cố kết hợp vật liệu địa kỹ thuật

3 Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm ANSYS để nghiên cứu hiệu ứng vòm trong nền đường đắp trên đất yếu được xử lý bằng trụ đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật

TP HCM, ngày … tháng … năm 2017

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS LÊ BÁ KHÁNH

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CẦU ĐƯỜNG

LỜI CẢM ƠN

Qua quá trình học tập và nghiên cứu dưới sự giảng dạy tận tình của các thầy cô khoa Kỹ thuật Xây dựng trường đại học Bách Khoa, tôi học được nhiều kinh nghiệm thực tiễn, hiểu biết sâu rộng hơn và trưởng thành hơn về kiến thức chuyên môn Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô, đặc biệt tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến

thầy TS Lê Bá Khánh đã dành nhiều thời gian động viên, hỗ trợ và hướng dẫn tôi

vượt qua nhiều khó khăn để hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn gia đình luôn ủng hộ, tạo điều kiện để tôi hoàn thành khóa học này

Trân trọng

Phạm Đức Hóa

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này tập trung nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm ANSYS mô phỏng đối xứng trục 2D và 3D hệ thống nền đắp gia cố trụ đất xi măng (DXM) kết hợp lưới địa kỹ thuật (Geogrid) theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để khảo sát hiệu ứng vòm trong nền đường đầu cầu Trong một số trường hợp, giải pháp xử

lý nền đất yếu bằng hệ thống này được xem là tiềm năng và cần được đảm bảo cơ chế truyền tải trọng hiệu quả từ nền đắp đến trụ Sự phân bố ứng suất trong nền đắp trên trụ, đất yếu và vai trò của lưới địa kỹ thuật được nghiên cứu Hình dạng và chiều cao tới hạn của cung vòm của phương pháp số này tương thích với phương pháp giải tích

và thí nghiệm Kết quả luận văn là bước đầu cho việc ứng dụng phần mềm ANSYS vào các bài toán địa kỹ thuật trong tương lai

an embankment to soil-cement columns in this system The stress distribution in an embankment over columns, soft soil and the geogrid role are specified The arching shape and the critical height of arch obtain from this numerical method being compatible with experimental and analytical methods These thesis’ results play a fundamental role to apply ANSYS software in geotechnical problems in the future

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả của luận án chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án

Tác giả

Phạm Đức Hóa

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG HỆ THỐNG CỌC – TRỤ ĐẤT XI MĂNG VÀ VẬT LIỆU ĐỊA KỸ THUẬT - GEOGRID 4

1.1 Giới thiệu 4

1.1.1 Cấu tạo nền đắp gia cố cọc kết hợp vật liệu địa kỹ thuật gia cường 5

1.1.2 Tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ DXM 7

1.1.3 Tổng quan về vật liệu địa kỹ thuật 11

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 13

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 18

1.4 Nhận xét của chương 19

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG BẰNG CỌC VÀ VẬT LIỆU ĐỊA KỸ THUẬT 20 2.1 Giới thiệu 20

2.2 Khái niệm hiệu ứng vòm 20

2.2.1 Mô hình ma sát 21

2.2.1.1 Terzaghi (1943) và McKelvey (1994) 21

2.2.1.2 Naughton (2007) 23

2.2.2 Mô hình vòm cứng 23

2.2.2.1 Carlsson (1987) 24

2.2.2.2 Rogbeck et al (1998) 24

2.2.2.3 Guido et al (1987) 25

2.2.3 Mô hình vòm cân bằng giới hạn 25

2.2.3.1 Hewlett & Randolph (1988) 26

2.2.3.2 Zaeske (2001) 27

2.2.3.3 Van Eekelen et al (2014) 27

2.2.4 Độ lớn cung vòm 28

2.3 Khái niệm hiệu ứng màng 29

2.4 Cơ sở lý thuyết phân tích nền đắp theo phương pháp giải tích 32

2.4.1 Marston và Anderson (1913) 32

2.4.2 Tiêu chuẩn Anh, BS8006 (2010) 33

2.4.3 Tiêu chuẩn Đức, EBGEO (2010) 36

2.4.4 Hệ số tập trung ứng suất SCR 37

2.4.5 Lực căng trong Geogrid 38

2.5 Cơ sở lý thuyết phân tích nền đắp theo phương pháp số 38

2.5.1 Tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb 39

2.5.2 Phương pháp Newton-Raphson giải các phương trình phi tuyến 42

2.6 Nhận xét của chương 45

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH CUNG VÒM TRONG NỀN ĐẮP TRÊN HỆ THỐNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG VÀ GEOGRID 46

3.1 Giới thiệu đối tượng nghiên cứu 46

3.2 Xây dựng kết cấu bằng ANSYS MAPDL V18.0 47

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm ANSYS 47

3.2.2 Trình tự giải phần mềm ANSYS 47

3.2.3 Mô hình hóa bằng ANSYS 48

3.2.3.1 Kiểm chứng sự làm việc của ANSYS 50

3.2.3.2 Loại phần tử (Element Type) 51

3.2.3.3 Thuộc tính vật liệu (Material Properties) 53

3.2.3.4 Mô hình (Modeling) 54

3.2.3.5 Chia lưới mô hình (Meshing) 55

3.2.3.6 Điều chỉnh đánh số nút phần tử 57

3.2.3.7 Tải trọng (Loads) và điều kiện biên (Boundary Conditions) 57

3.2.3.8 Kiểu phân tích (Analysis Type) 58

3.2.3.9 Quá trình phân tích cho mô hình phần tử hữu hạn trong ANSYS 58

3.3 Kết quả phân tích 2D 59

3.3.1 Sơ đồ tính của mô hình nền đắp gia cố trụ DXM và Geogrid 59

3.3.1.1 Khảo sát điều kiện biên đối xứng 59

3.3.1.2 Khảo sát điều kiện biên phải 62

3.3.1.3 Khảo sát điều kiện biên đáy 63

3.3.1.4 Khảo sát độ mịn phần tử 65

3.3.2 Sự phân bố ứng suất σz trong nền đắp với mô hình 2D 67

3.3.2.1 Tại đáy nền đắp 69

3.3.2.2 Theo độ sâu nền đắp 73

3.3.3 Chiều cao tới hạn 79

3.3.4 Ứng suất dọc trục trong Geogrid 84

3.3.5 Lực căng trong Geogrid 85

3.4 Kết quả phân tích 3D 87

3.4.1 Sơ đồ tính của mô hình nền đắp gia cố trụ DXM 87

3.4.2 Sự phân bố ứng suất σz của hệ nền đắp gia cố trụ DXM 87

3.4.3 So sánh sự phân bố ứng suất do hiệu ứng vòm với CUR226 (2015) 93

3.5 Nhận xét của chương 94

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1 Tổng hợp chiều cao tới hạn của các nghiên cứu trước 29

Bảng 2-2 Các thông số cơ bản của mô hình Mohr-Coulomb 39

Bảng 3-1 Kích thước mô hình hình học khảo sát ban đầu 46

Bảng 3-2 Đặc tính kỹ thuật của Geogrid 49

Bảng 3-3 Quy ước cách đặt tên các trường hợp mô phỏng 2D/ 3D 50

Bảng 3-4 Các loại phần tử sử dụng trong mô hình 51

Bảng 3-5 Các giá trị đặc trưng cơ lý của vật liệu (giả định) 53

Bảng 3-6 Dòng lệnh khai báo thuộc tính tuyến tính vật liệu 54

Bảng 3-7 Thông số đầu vào cho mô hình Mohr-Coulomb [25] 54

Bảng 3-8 Dòng lệnh khai báo đặc tính vật liệu nền đắp trong Ansys 54

Bảng 3-9 Hệ trục tọa độ dùng trong mô hình nghiên cứu 54

Bảng 3-10 Điều kiện biên mô hình 2D 57

Bảng 3-11 Điều kiện biên mô hình 3D 58

Bảng 3-12 Bảng dòng lệnh thiết lập cho phân tích phi tuyến 58

Bảng 3-13 Ví dụ phân tích của phương pháp Newton-Raphson 59

Bảng 3-14 Các trường hợp kiểm tra điều kiện biên phải 62

Bảng 3-15 Các giá trị thay đổi bề dày đất nền 63

Bảng 3-16 Ứng suất σz lần lượt ứng với các trường hợp bảng 3-15 64

Bảng 3-17 Kết quả chuyển vị và ứng suất theo số phần tử khi chia lưới 65

Bảng 3-18 Hệ số tập trung ứng suất SCR tại các trụ 72

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1 Nền đắp có gia cố cọc truyền thống [4] 5

Hình 1-2 Nền đắp gia cố cọc hiện nay [4] 6

Hình 1-3 Các ứng dụng của nền đắp gia cố cọc và GR [4] 7

Hình 1-4 Các dạng bố trí trụ đất xi măng trộn khô [6] 10

Hình 1-5 Các loại vật liệu địa kỹ thuật (nguồn Internet) 12

Hình 1-6 Lưới địa kỹ thuật 1 trục và 2 trục 13

Hình 2-1 Các loại tải trọng được định nghĩa trong nền đắp được gia cố Vòm (A), lực do lưới địa (B) và lực tác dụng lên đất yếu (C) [15] 21

Hình 2-2 Mô hình ‘cửa sập’ của Terzaghi (1943) [16] 22

Hình 2-3 Khái niệm ‘mặt phẳng độ lún bằng nhau’ [17] 22

Hình 2-4 Hình dạng vùng dẻo hình xoắn ốc logarit [17] 23

Hình 2-5 Mô hình nêm đất (a) 2D, (b) 3D 24

Hình 2-6 Nêm đất được giữ bằng GR (a) Diện tích phân bố tải trọng 3D (b) 25

Hình 2-7 Cung vòm dạng nêm đất tam giác vuông cân của Guido et al (1987) 25

Hình 2-8 Hình dạng cung vòm 2D của các mô hình của (a) Hewlett & Randolph (1988), (b) Zaeske (2001) và (c) Van der Peet & Van Eekelen (2014) 26

Hình 2-9 Cung vòm với các phần tử đỉnh và chân vòm theo Hewlett & Randolph [15] 27

Hình 2-10 Cung vòm đường chéo của Zaeske với phần tử tại tâm đỉnh vòm [15] 27

Hình 2-11 Sự liên kết giữa bán cầu 3D và cung vòm 2D trong mô hình CA theo lý thuyết (a) cơ chế truyền tải trong bán cần lớn, (b) cơ chế truyền tải trong bán cầu nhỏ [19] 28

Hình 2-12 Mô hình vòm 1 phần (trái) và vòm toàn phần (phải) (BS8006) 29

Hình 2-13 Ý tưởng chung về vật liệu địa kỹ thuật gia cường trong nền đắp (BS8006) 30

Hình 2-14 Ba dạng phân bố tải trọng lên GR [15] 30

Hình 2-15 Sự phân bố tải trọng lên GR của BS8006 trong (a) 2D và (b) 3D [15] 31

Hình 2-16 Sự phân bố tải trọng lên GR của Modified BS8006 [15] 31

Hình 2-17 Nghiên cứu thực nghiệm của Marston và Anderson (1913) [15] 32

Hình 2-18 Khoảng cách tối thiểu giữa mép ngoài cọc đến chân taluy (BS8006) [21] 36

Hình 2-19 Mô hình vòm nhiều lớp 37

Hình 2-20 Xác định môđun đàn hồi của đất nền E 39

Hình 2-21 Xác định E0 và E50 qua thí nghiệm nén ba trục thoát nước 40

Hình 2-22 Xác định hệ số Poisson 40

Hình 2-23 Xác định góc ma sát trong và lực dính đơn vị 40

Hình 2-24 Xác định góc giãn nở 41

Hình 2-25 Mô hình dẻo – đàn hồi tuyệt đối 41

Hình 2-26 Mặt dẻo Mohr-Coulomb với ứng suất cắt và ứng suất trung bình [22] 41

Hình 2-27 Mặt chảy dẻo Mohr-Coulomb trong không gian ứng suất chính [22] 42

Hình 2-28 (a) Khái niệm bước tải, số bước tải và thời gian và (b) Phương pháp lặp cân bằng Newton-Raphson [23] 43

Hình 2-29 Biểu đồ phân tích phi tuyến của phương pháp Newton-Raphson 44

Hình 3-1 Mặt cắt dọc đường dẫn vào cầu được xử lý bằng trụ DXM 46

Hình 3-2 Lưới địa kỹ thuật 2 chiều 49

Hình 3-3 Sơ đồ lắp đặt thí nghiệm kiểm tra 50

Hình 3-4 Mô hình móng và đất bằng ANSYS (trái) và biểu đồ quan hệ áp lực – độ lún (phải) 51

Hình 3-5 Phần tử Plane 183 [22] 52

Hình 3-6 Phần tử Link 180 52

Hình 3-7 Phần tử Solid 187 [22] 53

Hình 3-8 Mô hình 2D 55

Hình 3-9 Mô hình 3D 55

Hình 3-10 Chia lưới mô hình nghiên cứu 2D 56

Hình 3-11 Chia lưới mô hình nghiên cứu 3D 57

Hình 3-12 Ứng suất σz của toàn hệ (trái) và ½ hệ (phải) (N/m2) 60

Hình 3-13 Chuyển vị uz của toàn hệ (trái) và ½ hệ (phải) (m) 61

Hình 3-14 Mối quan hệ giữa khoảng cách L và chuyển vị uz tại tim đường 62

Hình 3-15 Mô hình kiểm tra điều kiện biên đáy của đất nền 63

Hình 3-16 Biểu đồ phân tích lún giả thiết tải trọng nền phân bố đàn hồi tuyến tính 65 Hình 3-17 Chuyển vị tại đáy nền đắp ở tim đường theo số lượng phần tử 66

Hình 3-18 Ứng suất σz tại đáy nền đắp ở tim đường với số lượng phần tử (N/m2) 67

Hình 3-19 Ứng suất σz của ½ hệ nền đắp gia cố trụ DXM kết hợp Geogrid 68

Hình 3-20 Ứng suất σz trong nền đắp từ -100000 ÷ 10000 N/m2 68

Hình 3-21 Ứng suất σz tại đáy nền đắp ứng với các chiều cao đắp khác nhau 69

Hình 3-22 Sự thay đổi ứng suất σz tại tim trụ DXM và trên đất yếu khi tăng chiều cao đắp 70

Hình 3-23 Ứng suất σz tại đáy nền đắp khi có và không có phụ tải 71

Hình 3-24 Ứng suất σz tại đáy nền đắp ứng với các chiều cao đắp khác nhau 72

Hình 3-25 Ứng suất σz trong nền đắp tại tim trụ DXM và khoảng giữa 2 trụ DXM 73 Hình 3-26 Sự thay đổi ứng suất lớn nhất giữa 2 mép trụ DXM 75

Hình 3-27 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ DXM 75

Hình 3-28 Sự phân bố ứng suất lớn nhất giữa 2 mép trụ DXM 76

Hình 3-29 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ DXM 76

Hình 3-30 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ DXM 77

Hình 3-31 Vectơ phân bố các ứng suất chính trong hệ nền đắp khi không dùng Geogrid (trái) và có Geogrid (phải) 78

Hình 3-32 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ 0-A theo chiều cao đắp 79

Hình 3-33 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ 0-A theo chiều cao đắp 80

Hình 3-34 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ 0-A theo chiều cao đắp 81

Hình 3-35 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ 0-A theo đường kính trụ DXM 82

Hình 3-36 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ 0-A theo môđun đàn hồi trụ DXM 83

Hình 3-37 So sánh chiều cao tới hạn với các nghiên cứu trước 83

Hình 3-38 Chuyển vị uz tại đáy nền đắp (10-3m) 84

Hình 3-39 Ứng suất dọc trục trong Geogrid (N/m2) 85

Hình 3-40 Sự phân bố lực căng trong Geogrid 86

Hình 3-41 Ảnh hưởng của độ cứng Geogrid đến lực căng lớn nhất trong Geogrid 86

Hình 3-42 Sự phân bố trụ DXM trong mô phỏng 3D 87

Hình 3-43 Ứng suất σz của hệ nền đắp – trụ DXM với mô hình LE 88

Hình 3-44 Ứng suất σz tại đáy nền đắp theo mặt cắt ngang đường (N/m2) 88

Hình 3-45 Ứng suất σz tại mặt cắt đường chéo giữa 2 trụ (N/m2) 89

Hình 3-46 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ DXM giữa 4 trụ 0, 0’, A, A’ 90

Hình 3-47 Ứng suất σz của hệ nền đắp gia cố trụ DXM khi d = 1m 91

Hình 3-48 Ứng suất σz tại đáy nền đắp theo đường chéo (N/m2) 91

Hình 3-49 Ứng suất σz tại đáy nền đắp dọc tim đường (N/m2) 92

Hình 3-50 Hình dạng cung vòm giữa 2 mép trụ DXM giữa 4 trụ 0, 0’, A, A’ 92

Hình 3-51 Hiệu ứng vòm trong nền đắp theo mô phỏng 3D của trường hợp nghiên cứu 93

Hiện nay, khuynh hướng tính toán bài toán địa kỹ thuật theo mô hình 3D ngày càng phổ biến Phần mềm ANSYS là một phần mềm hỗ trợ thiết kế, có khả năng xử

lý 3D rất mạnh Đặc biệt từ phiên bản 17.0, ANSYS được bổ sung nhiều mô hình đất giúp cho việc ứng dụng phần mềm này trong địa kỹ thuật được thuận tiện hơn Hơn nữa, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã mua bản quyền cho bộ phần mềm này

Do đó, vấn đề nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm ANSYS để khảo sát hiệu ứng vòm trong trường hợp giải pháp xử lý nền đất dưới nền đường đầu cầu bằng giải pháp trụ đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm ANSYS để khảo sát hiệu ứng vòm trong trường hợp nền đường đắp trên trụ DXM, có mô phỏng mô hình hệ thống nền đắp gia cố trụ DXM trường hợp có và không có Geogrid theo phương pháp phần tử hữu hạn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Luận văn nghiên cứu cho một đoạn nền đường đầu cầu đắp trên đất

yếu có gia cố trụ đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật

Phạm vi nghiên cứu: Các thành phần của hệ thống được xem là vật liệu đồng

nhất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính; ngoài ra, nền đắp được xét thêm trường hợp phi tuyến vật liệu bằng mô hình đàn – dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb Chỉ xét trường

hợp trụ đất xi măng dưới dạng cọc chống, không có ma sát giữa trụ và đất nền xung quanh Không xét ảnh hưởng của nước ngầm

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu và ứng dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng

mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn và kết hợp với nghiên cứu tổng quan về phân tích lý thuyết giải tích để giải quyết các mục tiêu của đề tài

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Xác định được hình dạng cung vòm trong nền đắp với trụ

đất xi măng gia cố khi có và không có lưới địa kỹ thuật bằng phương pháp phần tử hữu hạn, so sánh với các giả thiết của các nghiên cứu trước đây Xác định ảnh hưởng của lưới địa kỹ thuật đến sự phân bố tải trọng trong nền đắp

Tính thực tiễn: Kết quả của luận văn có thể cho biết khả năng ứng dụng của

ANSYS cho bài toán 2D và 3D trong trường hợp giải pháp xử lý nền đất dưới nền đường đầu cầu bằng giải pháp trụ đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật

6 Nội dung đề tài

Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phần phụ lục

PHẦN MỞ ĐẦU: Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm

vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Chương 1: Giới thiệu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc, trụ DXM, vật liệu địa kỹ thuật, Geogid; tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

về hệ thống gia cố nền đất yếu bằng cọc và vật liệu địa kỹ thuật, kết luận lý do thực hiện

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích tính toán hệ thống nền đường trên đất yếu được gia cường bằng cọc kết hợp vật liệu địa kỹ thuật

Chương 3: Phân tích các tham số (chiều cao nền đắp, đường kính trụ DXM,…) ảnh hưởng đến hình dạng và chiều cao cung vòm trong nền đường đắp bằng phần mềm ANSYS

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận đồng thời đề nghị định hướng nghiên cứu tiếp sau nghiên cứu này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG TRÊN ĐẤT YẾU BẰNG HỆ THỐNG CỌC – TRỤ ĐẤT XI MĂNG VÀ VẬT LIỆU ĐỊA KỸ THUẬT - GEOGRID

1.1 Giới thiệu

Đồng bằng sông Cửu Long ở miền Nam Việt Nam với diện tích đất đai thuận lợi cho phát triển nông nghiệp, đây còn là vị trí khu vực rất quan trọng trong giao thương quốc tế nhưng việc xây dựng cơ sở hạ tầng rất khó khăn khi tầng đất yếu có nơi dày 30-40m

Nhiều sự cố thường xuất hiện khi xây dựng công trình trên đất yếu như sự mất

ổn định tổng thể hay mất ổn định cục bộ, độ lún quá mức cho phép do quá trình cố kết của đất yếu, lún lệch tại bề mặt nền đắp, phá hoại cọc đơn hay nhóm cọc gia cố, nền đắp bị phá hoại trượt ngang,…

Do đó, để khắc phục những hạn chế nói trên, nhiều nghiên cứu đã thực hiện đã đưa ra các giải pháp tăng nhanh quá trình cố kết của đất nền như: (a) gia tải trước hay xây dựng theo từng giai đoạn, (b) thêm hệ thống thoát nước đứng, (c) sử dụng vật liệu đắp trọng lượng nhẹ, đào bỏ lớp đất yếu và thay thế bằng vật liệu đắp thích hợp, (d) giảm độ dốc nền đắp và (e) thêm cọc chống đỡ Cả 4 giải pháp đầu tiên đều không thích hợp với các công trình đòi hỏi xây dựng nhanh do chúng đều dựa vào hiện tượng

cố kết của đất yếu và cần nhiều thời gian Phương pháp sử dụng cọc được xem là giải pháp hợp lý cho việc xây dựng nền đắp trên đất yếu khi công trình chỉ xây dựng trong một giai đoạn mà không phải cần thời gian chờ đợi và giảm đáng kể độ lún chênh lệch và độ lún tổng cộng Cọc chống đỡ có thể là cột cứng như cọc bê tông cốt thép, cột nửa cứng như cột xi măng trộn sâu ( [1], [2]) hay cột đá ( [3]) được sử dụng tùy thuộc vào điều kiện địa chất và đặc điểm công trình xây dựng

Gần đây, trụ đất xi măng được xem là giải pháp tối ưu để cải thiện các đặc trưng

cơ lý của đất yếu, đã và đang được áp dụng rộng rãi trong việc xử lý móng và nền đất yếu cho các công trình xây dựng giao thông, thủy lợi, sân bay, bến cảng…như: làm tường hào chống thấm cho đê đập, sửa chữa thấm máng cống và đáy cống, gia cố đất

xung quanh đường hầm, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn, ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng của đất, cải tạo các vùng đất nhiễm độc…

1.1.1 Cấu tạo nền đắp gia cố cọc kết hợp vật liệu địa kỹ thuật gia cường

Hệ thống gia cố đất nền thông thường bao gồm: mũ cọc, cọc Mũ cọc có tác dụng như sàn giảm tải cứng nhận tải trọng bên trên truyền xuống cọc đến tầng đất cứng chịu lực Nhưng đối với đất nền quá yếu như sét, bùn… hệ thống này đôi khi sẽ

bị chìm vào trong đất nền do ma sát giữa cọc và đất yếu quá nhỏ Mũ cọc đóng vai trò quan trọng trong việc giảm độ lún chênh lệch giữa mũ cọc và đất yếu giữa mũ cọc, khi đó có thể tăng hiệu quả cọc – nghĩa là tải trọng tác dụng lên cọc nhiều hơn Trước đây, phương pháp truyền thống của nền đắp trên đất yếu gia cố cọc – không có lưới địa kỹ thuật gia cường – thường được sử dụng trong xây dựng công trình Thông thường, cọc nghiêng được thi công bên dưới chân mái đắp để chịu lực đẩy ngang do nền đắp gây ra tác dụng lên đầu cọc (Hình 1-1)

Hình 1-2 Nền đắp gia cố cọc hiện nay [4]

Hiện nay, hệ thống nền đắp gia cố cọc có sử dụng thêm vật liệu địa kỹ thuật làm việc như một tấm màng lên các mũ cọc, tận dụng ưu điểm chịu kéo của tấm vật liệu địa kỹ thuật mà đất đắp không có để kết hợp tạo thành tấm cứng truyền tải trọng lên các mũ cọc ngăn cản sự hình thành áp lực gây chuyển vị ngang của đất đắp (Hình 1-2) Do đó, mũ cọc lớn và cọc xiên không còn sử dụng với hệ thống mới này Ngoài

ra, việc sử dụng vật liệu địa kỹ thuật còn giảm sự lún lệch, tăng sức chịu tải và ổn định mái dốc do khả năng chịu lực đẩy ngang Hệ thống mới này sẽ làm tăng đáng kể khả năng truyền tải trọng từ đất lên các mũ cọc mà không làm tăng chuyển vị của đất yếu giữa các mũ cọc Phương pháp này được áp dụng cho nền đắp trên tất cả các loại đất yếu, nền đất yếu sâu, ngăn chặn sự lún lệch giữa nền đắp mới bên cạnh kết cấu và nền hiện hữu, mà ở đó hoàn toàn tắt lún, cải thiện những tầng đất ở dưới Đây là phương pháp kỹ thuật mới, hiện được một số nước tiên tiến trên thế giới nghiên cứu

sử dụng và đã mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể với tốc độ thi công nhanh

Nhìn chung, để tăng tải trọng truyền lên cọc và giảm tỉ số thay thế diện tích, một hay nhiều lớp vật liệu địa kỹ thuật gia cường (Geosynthetic Reinforcement – GR) được đặt hệ thống nền đắp gia cố cọc (Kempton et al., 1998, Lawson, 1992) Hệ thống cọc có GR thường được sử dụng phổ biến cho đường đầu cầu, bể chứa, mở rộng nền đường, tường chắn và nền đắp để tạo ra một sàn truyền tải hiệu quả như đánh giá của nhiều nghiên cứu (Han and Gabr, 2002) Dựa trên nhiều nghiên cứu thực nghiệm, GR

Mũ cọc tiết diện nhỏ

Cọc đứng

Tầng đá cứng

có nhiều loại, có thể chịu kéo 2 phương hay 1 phương với cường độ chịu kéo thay đổi giữa 20 đến 1100 kN/m, thường sử dụng đến 3 lớp GR

Hình 1-3 Các ứng dụng của nền đắp gia cố cọc và GR [4]

1.1.2 Tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ DXM

Sau đại chiến thế giới thứ 2 năm 1954, lần đầu tiên Mỹ nghiên cứu thành công phương pháp thi công cọc trộn tại chỗ, gọi là ‘Mixed In-place Pile – MIP’ dùng chất liên kết là vôi có đường kính từ 0.3÷0.4m, dài 10÷12m Sau đó, công nghệ trộn đất theo chiều sâu bắt đầu từ Thụy Điển và Nhật Bản từ thập niên 1960 và đến nay được thành hai loại: theo chất kết dính (vôi, xi măng, thạch cao, tro bay…), theo phương pháp trộn (khô/ ướt, quay/ phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt) [5]

Tại Việt Nam, công nghệ trụ đất xi măng (hay vôi) đã bắt đầu nghiên cứu vào năm 1980 với sự giúp đỡ của Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển Công trình dân dụng và công nghiệp đầu tiên ở phía Nam ứng dụng công nghệ này năm 2001 với khối lượng khoảng 50.000m dài cọc Đến năm 2002, một số dự án bắt đầu ứng dụng vào các

công trình trên nền đất yếu ở Việt Nam như dự án Cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m trụ đất xi măng có đường kính 600m thi công bằng trộn khô Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật đã sử dụng Jet-Grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội)…

Trụ đất xi măng có dạng trụ tròn được tạo thành bằng hỗn hợp đất – xi măng với công nghệ trộn sâu Nguyên lý của phương pháp thi công trụ đất xi măng là: phụt vào trong lỗ rỗng của đất có sẵn hoặc được tạo ra trong quá trình bơm vữa, hay khe nứt của đá một lượng xi măng cần thiết theo thiết kế Sau đó, vữa xi măng sẽ ninh kết hay hóa keo giúp giảm lỗ rỗng, tính thấm và làm tăng khả năng chịu tải của nền đất hay đá dưới công trình xây dựng Nguyên lý làm việc cơ bản của việc gia cố xi măng đất là xi măng sau khi được trộn với đất sẽ sinh ra một loạt phản ứng hóa học rồi dần dần đóng rắn lại, các phản ứng chủ yếu như: phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng xảy ra do sự kết hợp các khoáng vật trên bề mặt xi măng với nước trong đất yếu, sản phẩm sinh ra của phản ứng này tiếp tục tác dụng với các hạt đất sét:

- Phản ứng thủy giải và thủy hóa của xi măng: xi măng thông thường chủ yếu

do các chất Oxid và Oxid Canxi, Oxid Silic lần lượt tạo thành các khoáng vật xi măng khác nhau: Silicat tricalxi, Aluminat tricalxi, Silicat dicalxi,… Khi dùng xi măng gia

cố nền đất yếu, các khoáng vật trên bề mặt xi măng nhanh chóng xảy ra phản ứng thủy giải và thủy hóa với nước trong đất yếu tạo thành các hợp chất như Hydroxid Calci, Silicat Calci ngậm nước, Aluminat Calci ngậm nước… theo các công thức sau:

Xi măng + Nước = Keo CSH + Ca(OH)2

- Tác dụng của đất sét với các chất thủy hóa của xi măng: sau khi các chất thủy hóa của xi măng tạo thành, tự thân trực tiếp đóng rắn, hình thành bộ khung xương đá

xi măng, tiếp đến phản ứng với các hạt đất sét có một hoạt tính nhất định ở xung quanh

- Tác dụng Cacbonat hóa: Hydro Calci trôi nổi trong chất thủy hóa xi măng có thể hấp thụ Cacbonic trong nước và trong không khí sinh ra phản ứng Cacbonat tạo thành Calci Cacbonat không tan trong nước

Từ những nguyên lý trên cho thấy, do tác dụng cắt gọt và nhào trộn của cần khoan nên trên thực tế không thể tránh được trường hợp đất còn sót lại dưới dạng cục

từ đó lượng xi măng được phun vào khối đất không được phân bố đồng đều Do đó trong xi măng đất sẽ có những vùng cường độ khá cao và tính ổn định nước khá tốt xen kẽ những vùng có cường độ thấp hơn Vì vậy, việc trộn cưỡng bức giữa xi măng

và đất càng kỹ thì sự phân bố xi măng trong khối đất càng đồng đều và cường độ của trụ đất xi măng sẽ cao hơn

Với đặc tính dễ thi công, ít ảnh hưởng đến công trình lân cận, có thể thay đổi chiều dài trụ phụ thuộc vào điều kiện hiện trường, cường độ trụ tạo thành cứng hơn nhiều so với đất nguyên dạng, dựa theo phương pháp thi công, trụ được phân thành các loại như sau:

- Phụt vữa (Jet Grouting)

- Trộn đất (Soil Mixing)

- Trộn xi măng sâu (Deep Cement Mixing – DCM)

- Trộn đất sâu (Deep Soil Mixing – DSM)

- Cột vôi (Lime Columns – LC) và cột vôi xi măng (Lime Cement Columns – LCC)

Một số dữ liệu cơ bản về trụ đất xi măng do các nhà khoa học đưa ra sau một thời gian nghiên cứu ứng dụng và phát triển như sau:

- Đường kính trụ đất xi măng: 0.5÷1.2m (thông thường là 0.6÷1.2m)

- Khoảng cách giữa các trụ đất xi măng: 0.8÷1.8m

- Chiều dài trụ đất xi măng: 16÷33m

- Lượng xi măng trộn vào là 7÷15% trọng lượng đất gia cố (tương đương 180÷250 kg/m3)

- Cường độ đất sau khi gia cố bằng trụ đất xi măng có thể đạt 100÷1500 kPa

- Tỷ lệ diện tích đất gia cố bằng trụ đất xi măng so với diện tích đất không được gia cố từ 0.1÷0.3 (tại Nhật có thể lên đến 0.5)

Tùy theo điều kiện địa chất khu vực và mục đích sử dụng của công trình mà trụ đất xi măng được bố trí theo các kiểu khác nhau như: kiểu đơn, kiểu đôi, kiểu dải, kiểu lưới tam giác hoặc ô vuông, kiểu diện, kiểu khối…

- Kiểu đơn: bố trí trụ theo lưới ô vuông hoặc lưới tam giác thường được áp dụng cho việc gia cố các khối đất đắp nền đường hoặc các công trình chịu tải trọng thẳng đứng lớn

- Kiểu dải: bố trí trụ theo kiểu dải để gia cố cho các hố đào, các công trình ổn định mái dốc, các công trình có lực ngang tác dụng lớn

- Kiểu lưới và kiểu khối: thường được bố trí cho các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, các trụ được bố trí bên dưới móng công trình

(1) Dải, (2) Nhóm, (3) Lưới tam giác, (4) Lưới vuông, (5) Trùng nhau theo khối

Hình 1-4 Các dạng bố trí trụ đất xi măng trộn khô [6]

Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ trụ đất xi măng:

- Hàm lượng hữu cơ: hàm lượng hữu cơ càng cao làm ngăn cản quá trình hydrat hóa của xi măng, làm giảm cường độ chịu nén Lượng sét mịn càng cao làm tăng lượng xi măng cần dùng

- Thành phần khoáng: trong trường hợp đất có hoạt tính pozzolan cao thì đặc trưng cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào ứng xử về cường độ của những hạt xi măng đông cứng Trong trường hợp đất có pozzolan kém thì đặc trưng cường độ của đất trộn xi măng phụ thuộc chủ yếu vào ứng xử về cường độ

5

của những hạt đất đông cứng (Saitoh, 1985) cho nên nếu điều kiện cải tạo đất nền như nhau thì loại đất có tính pozzolan cao hơn cho cường độ lớn hơn Hilt và

Davidson (1960) quan sát thấy rằng các loại đất sét monmorilonit và kaolinit là những hoạt chất pozzolan có hiệu quả so với các loại đất sét chứa khoáng illite, chlorite hoặc vermoculite Wissa và các tác giả (1965) cũng giải thích rằng số lượng

xi măng thứ cấp sinh ra trong phản ứng pozzolan giữa hạt sét và vôi tôi phụ thuộc vào số lượng và thành phần khoáng của sét cũng như silica và alumina trong đất

- Độ pH của đất: những phản ứng pozzolan lâu dài sẽ thuận lợi khi độ pH lớn

vì phản ứng sẽ được đẩy nhanh nhờ độ hòa tan của silicat và aluminat trong hạt sét gia tăng

- Tỷ lệ xi măng/ đất: việc lựa chọn tỷ lệ xi măng với đất ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của hỗn hợp vật liệu xi măng đất và giá thành công trình Cường độ kháng nén (qu) là một chỉ tiêu để tính toán sức chịu tải của cọc Cường độ của xi măng đất tăng lên theo tỷ số tăng lượng xi măng trộn vào Trong thực tế, tỷ lệ xi măng với đất thường chọn 7-15%, trong các trường hợp thông thường thì không nên nhỏ hơn 12% Tỷ lệ xi măng với đất (aw) được tính theo % khối lượng xi măng so với khối lượng đất Để chọn tỷ lệ pha trộn các hỗn hợp gia cố theo phương pháp thí nghiệm trong phòng xác định sức kháng nén của mẫu xi măng đất Lượng xi măng đất yêu cầu phụ thuộc vào loại đất, trạng thái của đất cần gia cố Tỷ lệ xi măng với đất tối

ưu (so với trọng lượng khô của đất cần gia cố) phụ thuộc vào các loại đất khác nhau

Cường độ trụ đất xi măng tại hiện trường bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tính chất của đất, điều kiện trộn, thiết bị và quy trình trộn, điều kiện dưỡng hộ, tỷ lệ

xi măng và đất

1.1.3 Tổng quan về vật liệu địa kỹ thuật

Ngày nay, vật liệu địa kỹ thuật thường được sử dụng phổ biến trong việc gia cường nền đất do dễ kiểm soát các đặc tính về loại và kích cỡ, cường độ, chống thấm, tính lâu bền và khả năng trung hòa acid Vật liệu địa kỹ thuật được phân chia dựa theo các chức năng khác nhau (Hình 1-5)

Với chức năng gia cường chịu kéo, Geogrid được xem là giải pháp thay thế tiên tiến trong các công trình như : tường chắn có cốt, mái dốc có cốt, gia cố nền đất yếu, kết cấu mặt đường…Lưới địa kỹ thuật được sản xuất đầu tiên năm 1978 ở Anh, bởi công ty Nelton (hiện là tập đoàn Tensar International) Trải qua nhiều thập kỷ nghiên cứu phát triển, thí nghiệm và áp dụng tại hàng nghìn dự án trên khắp toàn cầu, lưới địa kỹ thuật đang chứng tỏ được ưu điểm của mình về tính kinh tế, tiến độ cũng như thân thiện với môi trường

Hình 1-5 Các loại vật liệu địa kỹ thuật (nguồn Internet)

Geogrid được làm bằng chất polypropylen (PP), polyester (PE) hay bọc bằng polyetylen-teretalat (PET) với phương pháp ép và dãn dọc Vật liệu dùng làm lưới địa có sức kéo đứt rất lớn 40.000 psi (so với sắt là 36.000 psi) Lưới địa kỹ thuật giống như tờ bìa dày có lỗ, có thể cuộn tròn lại Geogrid được chia làm 3 nhóm:

- Lưới 1 trục: được làm từ polyetylen có tỷ trọng cao (HDPE), có sức kéo theo hướng dọc máy, thường để gia cố mái dốc, tường chắn…

- Lưới 2 trục: được làm từ polyetylen hoặc polypropylen hoặc cả hai, có sức kéo cả hai hướng, thường dùng để gia cố nền đường, nền móng công trình… Trái với vải, hướng ngang máy có sức chịu kéo lớn hơn dọc máy

- Lưới 3 trục: Lưới ARG, AR1, Glasstex dùng cho những ứng dụng Asphalt Các loại lưới địa kỹ thuật đều có những đặc điểm sau:

- Sức chịu kéo lớn không thua kém gì các thanh kim loại Vật liệu dùng làm lưới địa có sức chịu kéo đứt rất lớn (khoảng 2800 kg/cm2)

- Tính cài chặt với vật liệu xung quanh, tạo nên một lớp móng vững chắc, nhất

là chống lại sự trượt của đất đắp dùng làm đê đập, tường chắn đất

- Tính đa năng: hầu như thích hợp với mọi loại đất, đá

- Giản dị: thi công dễ dàng, dễ mang vác, vận chuyển, không cần máy móc, chỉ 2 người là có thể trải lưới

- Bền vững: ít bị hủy hoại bởi thời tiết, tia tử ngoại, bởi môi trường xung quanh như đất có axit, kiềm và các chất độc hại khác

Hình 1-6 Lưới địa kỹ thuật 1 trục và 2 trục

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Yan Zhuang, Xiaoyan Cui (2015) [7] đã so sánh kết quả của mô hình số và phương pháp giải tích với dữ liệu đo được từ hiện trường của nền đắp đường sắt cao tốc Fengyang được xây dựng trên nền đất yếu có gia cố cọc ‘cement fly-ash gravel’ (CFG) kết hợp gia tải trước để dự đoán ứng xử của nền đường Mô hình số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm ABAQUS V6.12 với các giả thiết đặc trưng cho mô hình: nền đắp vật liệu hạt, khô ứng xử như mô hình đàn – dẻo lý tưởng theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb; hai lớp sét của đất nền dùng

mô hình Cam-Clay hiệu chỉnh Phương pháp giải tích chỉ dùng phương pháp Terzaghi

cải tiến của Russel và Pierpoint (1997) để dự đoạn tỉ số tập trung ứng suất (SCR), đồng thời dựa vào mô hình đã đưa ra của Zhuang et al (2014) để đánh giá độ lún của đất yếu tại trục tim đường và lực kéo của Geogrid Kết quả chỉ ra rằng phương pháp FEM phù hợp với số liệu đo, cụ thể là FEM đánh giá thấp tỷ số SCR cũng như lực dọc trục và ứng suất do ma sát của cọc, trong khi đó FEM lại đánh giá quá cao lực kéo của Geogrid và tỷ số SCR so với phương pháp giải tích

Han và Gabr (2002) [4] đã mô hình 1 đơn nguyên hệ nền đắp – cọc tròn – vật liệu địa với đường kính ảnh hưởng trung bình xung quanh cọc 3m bằng phần mềm FLAC Các giả thiết mô phỏng được đơn giản hóa như sau: vật liệu nền đắp và đất nền sử dụng mô hình đàn hồi hyperbolic phi tuyến của Duncan và Chang (1970), cọc

và vật liệu địa là vật liệu đàn hồi tuyến tính, tương tác giữa cọc – đất – vật liệu địa được liên kết dính chặt tuyệt đối Kết quả cho thấy sự kết hợp thêm vật liệu địa vào

hệ thống nền gia cố cọc làm tăng hiệu quả truyền tải trọng, giảm sự chảy dẻo của nền đất trên đầu cọc, giảm độ lún chênh lệch và độ lún tổng cộng Đồng thời, mô hình số chỉ ra ba tham số có ảnh hưởng lớn đến tỉ số tập trung ứng suất là: chiều cao nền đắp,

độ cứng chịu kéo của vật liệu địa, mô đun đàn hồi của vật liệu cọc Ngoài ra, lực kéo lớn nhất của vật liệu địa xảy ra ở gần mép biên của cọc

Zhou et al (2016) [8] đã mô hình nền đắp đường sắt cao tốc với tỷ lệ thực dựa trên thí nghiệm của Chen et al (2015b) bằng phầm mềm phần tử hữu hạn ABAQUS 3D theo các giả thiết: ứng xử vật liệu nền đắp và đất yếu là đàn hồi tuyến tính – dẻo tuyệt đối theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb, lưới địa kỹ thuật dùng phần tử tấm chỉ chịu kéo dọc trục Kết quả cho thấy, trong quá trình xây dựng, áp lực trên mũ cọc tăng trong khi áp lực trên đất yếu giảm do hiệu ứng vòm; diện tích tập trung ứng suất lớn ở gần cạnh và góc mũ cọc; áp lực lớn nhất đều xảy ra tại tâm của mũ cọc và đất yếu; chiều cao cung vòm tăng khi tăng tải trọng tĩnh và chỉ xảy ra ở giữa nền đắp Lehn et al (2016) [9] đã mô hình số 3D nền đắp gia cố cọc vuông với 1 lớp lưới địa kỹ thuật gia cường dưới tác dụng của tải trọng lặp gần như tĩnh bằng phương pháp phần tử hữu hạn PLAXIS 3D và so sánh sự phân bố ứng suất trên lưới địa kỹ thuật với các phương pháp giải tích hiện nay Lưới địa kỹ thuật được đặt trực tiếp lên cọc

và đất yếu để tránh phá hoại chọc thủng lớp cát giữa cọc và vật liệu địa theo mô hình của Van der Peet (2014) Cọc bê tông và lưới địa ứng xử đàn hồi tuyến tính, đất yếu theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb, còn nền đắp theo mô hình Hardening Soil với độ cứng biến dạng nhỏ Kết quả chỉ ra rằng hình dạng cung vòm được quan sát theo hướng của ứng suất chính trong lớp cát đắp thay đổi dưới tải trọng lặp nhưng không chênh lệch đáng kể khi số lần lặp tăng và sự phân bố tải trọng hình tam giác ngược trên lưới địa và mô hình vòm đồng tâm 3D của Van Eekelen (2015) thực tế hơn so với tiêu chuẩn Đức EBGEO dưới tác dụng của tải trọng tĩnh cũng như tải trọng lặp

Yapage et al (2015) [2] đã sử dụng hệ thống trụ đất xi măng trộn sâu (DCM) kết hợp vật liệu địa kỹ thuật để gia cố nền đường đắp trên đất yếu thay cho các giải pháp cọc gia cố thông thường của các nghiên cứu trước Nghiên cứu mô hình trên với

số liệu đường đầu cầu bắc qua sông Sipoo River ở Hertsby, Finland theo Forsman et al., 1999 bằng phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình biến dạng phẳng 2D dùng ABAQUS với các giả thiết mô hình: vật liệu địa kỹ thuật gia cường đàn hồi tuyến tính – dẻo lý tưởng theo tiêu chuẩn phá hoại Von-Mises; nền đắp, đất yếu, đất cứng đều dùng vật liệu rỗng hai pha đàn hồi tuyến tính – dẻo lý tưởng theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb So với số liệu đo tại hiện trường, mô hình 2D cho thấy việc lý tưởng hóa biến dạng phẳng cho trường hợp 3D cho trụ đất xi măng dạng tường chắn theo phương dọc đường chỉ hợp lý khi trụ thi công gài vào nhau Kết quả cho thấy bề dày và độ cong biên ngoài của cung vòm tăng khi tải trọng cũng như chiều cao nền đắp tăng Mô hình số được so sánh kết quả với ba phương pháp giải tích của BS8006 (2010), Abusharar et al (2009), Low et al (1994) đều chỉ ra rằng tính toán giải tích

dự đoán quá cao lực kéo cực đại của vật liệu địa kỹ thuật, tỉ số giảm ứng suất và tính hiệu quả của vật liệu địa; trong khi đó lại đánh giá thấp hiệu suất cọc và đất yếu Do vậy, việc gia cố bằng cọc DCM đòi hỏi phương pháp giải tích cải tiến phù hợp với đặc tính của vật liệu nền đắp, chiều cao nền đắp, khoảng cách cọc, độ cứng tương đối giữa cọc và đất yếu, điều kiện chịu tải trọng

Huang và Han (2009) [1] đã đơn giản hóa vấn đề mô phỏng 3D thành bài toán biến dạng phẳng 2D nghiên cứu một nền đắp đường đầu cầu gia cố cọc trộn sâu và gia cường một lớp GR được xây dựng tại sông Sipoo, Hertby, Phần Lan bằng phần mềm FLAC – phương pháp sai phân hữu hạn 2D – kết hợp cả đặc tính cơ học và thủy lực cho mô hình dựa theo lý thuyết Biot gần như tĩnh tuyến tính Khi đó, áp lực nước

lỗ rỗng sẽ thay đổi do sự di chuyển chất lỏng cùng với sự biến dạng thể tính và ứng suất hữu hiệu được cập nhật Ở đây, đất, cột, nền đắp giả thiết theo tiêu chuẩn Mohr-Coulomb; còn GR là phần tử lưới địa kỹ thuật chỉ chịu kéo Kết quả cho thấy mô hình này có thể mô phỏng chính xác ứng xử nền đắp gia cố cọc nếu cọc trộn sâu bố trí như dạng tường chắn

Huang and Li (2014) [10] đã nghiên cứu một hệ thống gia cố nền đắp mới với cọc gia cố dạng hỗn hợp không đều nhau bằng việc đơn giản hóa phần tích mô hình biến dạng phẳng 2D với các giả thiết: cọc và mũ cọc là vật liệu đàn hồi tuyến tính, không có chuyển vị tương đối giữa cọc và đất khi biến dạng xảy ra tương đối nhỏ, đất yếu và nền đắp là vật liệu đàn – dẻo theo tiêu chuẩn phá hoại Drucker-Prager cải tiến Kết quả cho thấy độ lún cực đại tăng khi chiều cao nền đắp tăng, độ lún chênh lệch giữa mũ cọc và đất yếu giữa 2 cọc tăng khi chiều dài cọc dài lớn hơn 30m và giảm khi tăng chiều dài cọc ngắn, hệ số tập trung ứng suất trên cọc dài lớn hơn cọc ngắn và khi tăng chiều cao nền đắp thì cả hai hệ số này tăng và chênh lệch nhau đáng

kể, hiệu quả cọc dài tăng còn cọc ngắn giảm khi tăng chiều cao nền đắp và hiệu quả cọc dài cũng tăng khi tăng chiều dài cọc dài và giảm khi tăng chiều dài cọc ngắn Vì vậy, phương pháp cọc hỗn hợp này yêu cầu chiều dài cọc ngắn hơn so với phương pháp truyền thống với chiều dài cọc như nhau

Zheng and Liu (2014) [11] đã sử dụng phương pháp số sai phân hữu hạn để phân tích ổn định tổng thể của cọc và ứng xử theo phương ngang của cọc tại những

vị trí khác nhau đối với nền đắp Kết quả là cọc và đất yếu được chia làm 3 vùng: vùng uốn – kéo, vùng cắt, vùng uốn – nén Cọc ở mỗi vùng sẽ có cơ chế phá hoại khác nhau Nghiên cứu cho thấy phương pháp cân bằng giới hạn để tính hệ số an toàn chống lại phá hoại tổng thể không hợp lý khi sử dụng cho nền đắp gia cố cọc do chỉ

xét sức kháng cắt ngay của cọc ngay tại mặt trượt Thí nghiệm ly tâm cho nền đắp với cọc DMC chỉ ra rằng hình thức phá hoại của cọc trộn sâu bao gồm uốn, nghiêng, dịch chuyển, cắt, vỡ vụn cọc, và đất chảy quanh cọc Han et al (2005a, b, 2006) và Navin et al (2006) dùng phân tích số để phân tích ổn định của nền đắp cọc DM và kết luận rằng giả thiết phá hoại cắt của DMC không an toàn Brom (1999) chỉ ra rằng lực ngang do nền đắp gây ra làm giảm sức chịu tải của cọc DM Zhao et al (2002) chỉ ra rằng phương pháp FEM với chức năng giảm cường độ chống cắt được dùng để phân tích ổn định Khi tiêu chuẩn phá hoại thỏa mãn tại cường độ đất nhất định đã giảm thì hệ số giảm cường độ chống cắt tương ứng là hệ số an toàn cho ổn định Trong nghiên cứu này, với phân tích số, tiêu chuẩn phá hoại mặt trượt được sử dụng

là công thức của vùng biến dạng cắt dẻo liên tục Nền ổn định có thể được gia tải cho đến phá hoại bằng tải trọng không đều như tăng chiều cao nền đắp Nghiên cứu này không sử dụng GR

Bo et al (2013) [12] đã so sánh mô hình ly tâm và phân tích số bằng phần tử hữu hạn mô hình biến dạng phẳng 2D ANSYS cho nền đắp (không gia cố cọc) có và không có GR với các giả thiết mô hình: (1) Đất gia cường vải địa kỹ thuật xem như vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, các tham số lấy từ thí nghiệm nén 3 trục; (2) không đánh giá ảnh hưởng lên nền đắp; (3) sự cố kết đã xảy ra hoàn toàn do trọng lượng bản thân của nó, và không xét đến tác động của áp lực nước lỗ rỗng Nền đắp có GR và không có GR đều sử dụng mô hình Drucker-Prager Kết quả cho thấy ứng suất phân

bố trong nền đắp có GR được cải thiện đáng kể so với không có GR Biến dạng, độ lớn ứng suất và phạm vi thay đổi của chúng trong nền đắp có GR ít hơn nhiều so với không GR Hơn nữa, nền đắp có GR ngăn cản sự dịch chuyển theo phương ngang hiệu quả, và sự phân bố ứng suất và biến dạng cân đối hài hòa hơn so với không GR Ngoài ra, nghiên cứu chỉ ra 2 điểm thuận lợi khi sử dụng sợi geosynthetic để gia cường nền đắp: (1) nền đắp có GR có thể chịu được các vết nứt do mạng lưới các sợi quấn vào nhau, (2) đất có gia cường sợi gần giống vật liệu đồng nhất, đẳng hướng hơn đất không gia cường

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nguyễn Quốc Dũng (2012) [13] đã giới thiệu một số vấn đề chủ yếu liên quan

đến kỹ thuật thiết kế khối đắp trên nền đất yếu để cung cấp những khái niệm bước

đầu khi tiếp cận các công nghệ này và nhận thấy các công nghệ gia cố nền khối đắp

bằng cọc bê tông cốt thép, cọc xi măng đất đang được áp dụng nhiều hiện nay Tuy

nhiên, khái niệm hiệu ứng vòm trong khối đắp đầu cọc chưa được hiểu biết đầy đủ

dẫn đến việc thiết kế còn xảy ra nhiều sai sót Tác giả cũng chưa nghiên cứu các vấn

đề liên quan như: phạm vi đóng cọc, tính toán độ bền vải địa kỹ thuật, ảnh hưởng của

phương pháp hạ cọc, ảnh hưởng lâu dài đến chênh lệch lún và nứt bề mặt

Nguyễn Tuấn Phương cùng các tác giả (2014) [14] đã đưa ra kết quả kiểm chứng

thực tế 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: dưới tác dụng của hiệu ứng màng vải địa kỹ

thuật thì hệ số tập trung ứng suất từ mô hình thí nghiệm n = 10.84, ứng suất phân bố

trên nền đất yếu đạt σs=5.95kN/m2 trong khi ứng suất tập trung đầu cọc

σc=64.49kN/m2; nếu bỏ qua một phần tác dụng của hiệu ứng màng vải địa kỹ thuật

thì hệ số tập trung ứng suất đầu cọc n = 2.5, ứng suất phân bố trên nền đất yếu đạt

σs=5.95kN/m2 trong khi ứng suất tập trung đầu cọc σc=14.4kN/m2 Khoảng cách cọc

xử lý nền sử dụng trong mô hình S = 1m, nên hiệu quả tập trung ứng suất đầu cọc khá

lớn, tuy nhiên để đạt được hiệu quả kinh tế cao, việc tăng khoảng cách cọc sẽ làm

giảm hệ số tập trung ứng suất đầu cọc, vì vậy, khả năng lún của nền sẽ tăng

1.4 Nhận xét của chương

Chương 1 tổng quan nghiên cứu về hệ thống nền đắp gia cố cọc, trụ DXM, vật liệu địa kỹ thuật gia cường nói chung và Geogrid; đồng thời tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước để đưa ra các nhận xét sau:

 Theo các nghiên cứu trong nước và trên thế giới, việc ứng dụng phần mềm ANSYS để phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn cho nền đắp gia cố cọc kết hợp vật liệu địa kỹ thuật còn rất hạn chế Việc ứng dụng các phần mềm khác như PLAXIS, ABAQUS, FLAC chỉ đánh giá ứng xử cục bộ của nền đắp mà không xét ảnh hưởng của toàn bộ khối đắp hay nhóm cọc

 Hầu hết các phân tích số cho nền đắp gia cố cọc trong nghiên cứu tổng quan đều giả thiết rằng cọc không dịch chuyển, khác với thực tế, nhưng vấn đề này dễ dàng cho mô phỏng phân tích số

 Các nghiên cứu thực nghiệm, lý thuyết chủ yếu thực hiện cho cọc với mũ cọc hình vuông, cọc dạng tròn không có mũ cọc ít được đánh giá, đặc biệt đối với trụ đất xi măng

 Một số nghiên cứu chỉ ra rằng kết quả phân tích số bằng mô hình 3D đáng tin cậy Tuy nhiên, phân tích 3D cần nhiều năng lực máy tính và tốn nhiều thời gian hơn Ngoài ra, phân tích đối xứng trục 2D để đánh giá cung vòm đất, tải trọng tác dụng lên Geogrid do cung vòm và độ lún

có thể được sử dụng hợp lý cho tính toán

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN NỀN ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG BẰNG CỌC VÀ VẬT LIỆU ĐỊA

KỸ THUẬT

2.1 Giới thiệu

Thiết kế nền đắp bao gồm thiết kế dạng hình học, tính ổn định và cơ chế truyền tải trọng thông qua hiệu ứng vòm Dạng hình học được lựa chọn sao cho thỏa mãn yêu cầu xây dựng, độ ổn định nền đắp và sự phát triển của cung vòm Tính ổn định nền đắp có thể được đánh giá qua phương pháp phân tích ổn định mái dốc thông thường của Bishop, Fellenius hay sử dụng phân tích số như phương pháp phần tử hữu hạn Việc thiết kế hình dáng và ổn định nền đắp tương đối rõ ràng và chắc chắn, trong khi đó, điều không chắc chắn nhất khi thiết kế nền đắp là cơ chế truyền tải trọng Vì vậy, hầu hết các phương pháp thiết kế đều chú ý đến vấn đề này Việc định lượng quá trình vòm đất diễn ra là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế nền đắp được gia cố bởi cọc khi xây dựng nền đắp trên nền đất yếu

2.2 Khái niệm hiệu ứng vòm

Hiệu ứng vòm đất đóng vai trò quan trọng trong cơ chế truyền tải trọng của nền đắp gia cố cọc kết hợp vật liệu địa kỹ thuật gia cường (Geosynthetic Reinforced-Column Supported – GRCS) Nền đắp cần đủ cao để cung vòm phát triển đầy đủ để giảm độ lún bề mặt và đảm bảo bề mặt bằng phẳng

Hiệu ứng vòm là một hiện tượng tự nhiên xảy ra trong tất cả các loại đất dạng hạt dẫn đến sự phân bố lại ứng suất hay sự phân bố lại tải trọng nền đắp tại lớp đáy của nó, cho phép truyền tải trọng ngoài và phần lớn tải trọng nền đắp lên cọc Các nghiên cứu trước đã định nghĩa cung vòm – giống chân cầu vòm La Mã cổ - với nhiều hình thức và giả thiết khác nhau được phân thành bốn nhóm chính: mô hình ma sát,

mô hình vòm cứng, mô hình vòm cân bằng giới hạn, mô hình vòm phần tử cơ học Thế nhưng, tất cả mô hình trên đều giống nhau về khái niệm cơ chế truyền lực trong nền đắp là đảm bảo toàn bộ tải trọng nền đắp chủ yếu tập trung trên cọc (lực A), còn phần tải trọng bên dưới cung vòm do GR và đất yếu gánh đỡ (lực B và C) (Hình 2-1)

Hình 2-1 Các loại tải trọng được định nghĩa trong nền đắp được gia cố Vòm (A), lực do

lưới địa (B) và lực tác dụng lên đất yếu (C) [15]

2.2.1 Mô hình ma sát

2.2.1.1 Terzaghi (1943) và McKelvey (1994)

Terzaghi là người đầu tiên lý luận định nghĩa hiệu ứng vòm trong ‘Theoretical Soil Mechanics’ năm 1943 Qua vài nghiên cứu thử nghiệm đầu tiên với mô hình cửa sập dựa trên nghiên cứu trước của các tác giả khác như Cain (1916), Völlmy (1937), theo ông cung vòm xuất hiện khi có sự di chuyển giữa các hạt theo phương ngang hoặc phương đứng trong giới hạn của khối đất Ông giả thiết rằng sức kháng cắt trong đất được huy động dọc theo hai mặt phẳng thẳng đứng và cung vòm chỉ được duy trì bởi ứng suất cắt trong đất Nó không xuất hiện suốt như những trường hợp ứng suất khác trong đất Để cung vòm được hình thành, một lượng chuyển vị nhất định phải xảy ra

Cân bằng lực theo phương đứng, ứng suất tác dụng lên phần tử đất tại cửa sập hay ứng suất hữu hiệu thẳng đứng tăng theo hàm số mũ trong nền đắp giữa 2 móng cứng là:

Đất yếu

Hình 2-2 Mô hình ‘cửa sập’ của Terzaghi (1943) [16]

McKelvey (1994) đã mở rộng mô hình của Terzaghi bằng việc giả thiết một

‘mặt phẳng độ lún bằng nhau’ và kết hợp với lý thuyết màng chịu kéo

Russell and Pierpoint (1997) cũng đã mở rộng mô hình Terzaghi bằng cách giả thiết sự có mặt của lực ma sát trong mặt phẳng thẳng đứng dọc theo các cạnh mũ cọc hình vuông

McGuire et al.l (2012) cũng đã chấp nhận ý tưởng ‘mặt phẳng độ lún bằng nhau’ của McKelvey (1994) và xem như ‘chiều cao tới hạn’ được xác định bằng nhiều thí nghiệm

Hình 2-3 Khái niệm ‘mặt phẳng độ lún bằng nhau’ [17]

Cửa sập

Mặt đất tự nhiên Mặt phẳng độ lún bằng nhau

Mũ cọc

Trong các mô hình này, cung vòm được hình thành với hình dạng cố định, không

bị ảnh hưởng bởi chuyển vị và luôn có dạng tam giác 2D hay hình chóp 3D với giả thiết rằng toàn bộ tải trọng nằm trên cung vòm (trọng lượng nền đắp và hoạt tải xe) được truyền trực tiếp lên cọc (phần A), còn trọng lượng nêm đất tam giác hay hình chóp được vật liệu địa kỹ thuật và đất yếu gánh đỡ (phần B+C) Điểm thiếu sót của

mô hình này là kết quả không xét đến các đặc tính cơ học của vật liệu đất đắp như góc ma sát trong

Nhiều nghiên cứu đã sử dụng mô hình tính toán thuộc nhóm này như: mô hình Scandinavian (Carlsson, 1987), Rogbeck et al., 1998, Svanø et al., 2000) và mô hình cung vòm mở rộng (còn gọi là mô hình Bush-Jenner hay mô hình Collin, 2004) và sử dụng cho phương pháp thiết kế hiện nay của trung tâm nghiên cứu ở Nhật (2000)

2.2.2.1 Carlsson (1987)

Carlsson (1987) đã đề xuất sử dụng cung vòm đất có dạng hình nêm mà diện tích mặt cắt ngang của nêm đất dưới vòm có thể xấp xỉ như một nêm với góc tại đỉnh bằng 300 (Hình 2-5)

Hình 2-5 Mô hình nêm đất (a) 2D, (b) 3D

Trọng lượng nêm đất trên mỗi đơn vị chiều dài hay tải trọng tác dụng lên GR

theo mô hình 2D được tính theo công thức:

 2

o

b aw

với a là bề rộng mũ cọc vuông, b là khoảng cách cọc tính tại tâm, γ là trọng

lượng riêng của nền đắp, H là chiều cao nền đắp, β là độ dốc

2.2.2.2 Rogbeck et al (1998)

Theo Rogbeck et al (1998), ở Thụy Điển, mô hình vòm cứng là mô hình chấp nhận TK Geo 13 để tính sự truyền tải trọng thẳng đứng lên GR (Trafikverket, 2014)