Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng sử dụng để gia cố nền đường

ĐINH CÔNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG SỬ DỤNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 60.58.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP... TỔNG QUAN VỀ

ĐINH CÔNG PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG SỬ DỤNG ĐỂ GIA CỐ NỀN

ĐƯỜNG

Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (60.58.60)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐINH CÔNG PHƯƠNG Giới tính: Nam T/ Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 16 – 02 – 1977 Nơi sinh: Mỹ Tho - Tiền Giang

Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Khoá (Năm trúng tuyển): 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN

XI MĂNG SỬ DỤNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG – TÌM HIỂU CÁC CÔNG TRÌNH THIẾT KẾ ĐƯỜNG GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG TẠI KHU VỰC TP.HCM VÀ VÙNG PHỤ CẬN

2 TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN SỰ PHÂN

BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC THIẾT LẬP CÔNG THỨC GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG

4 MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG ĐƯỢC TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03/09/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2009

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Minh Tâm.

(Họ tên và chữ ký)

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Ngày tháng năm 2009

Luận Văn Tốt Nghiệp là sự tổng hợp của toàn bộ kiến thức mà tác giả đã tiếp thu được trong khoảng thời gian học Cao Học tại Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM chuyên ngành Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Trong quá trình thực hiện, tác giả đã gặp nhiều bỡ ngỡ, khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu tham khảo cũng như khi phân tích kết quả Đến hôm nay, khi quyển Luận Văn này đã hoàn thành, tác giả xin chân thành cảm ơn:

Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô tham gia giảng dạy chuyên ngành đã hết lòng truyền đạt những kiến thức quí báu trong suốt thời gian em theo học

Em xin gửi lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy NGUYỄN MINH TÂM, người đã luôn quan tâm, hướng dẫn tận tình trong thời gian thực hiện Luận Văn

Tác giả cũng xin cảm ơn các anh, chị cán bộ kỹ thuật của Ban Quản lý Dự án Đại lộ Đông Tây, Ban Quản lý

Dự án Cầu Thủ Thiêm và Phòng Quản lý Giao thông - Sở Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã rất nhiệt tình giúp đỡ trong thời gian tác giả thu thập số liệu để thực hiện luận văn này

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn

bè thân hữu vì những sự giúp đỡ, động viên trong thời gian hoàn thành Luận Văn

Tp HCM, ngày 03 – 07 – 2009

ĐINH CÔNG PHƯƠNG

embankments over soft soils because of bearing failure, intolerable settlement, and global or local instability… Method that using Deep Cement Soil Mixing Column to strengthen embankments is an economic and effective method to construct roads on soft soils Evaluating the stress distribution and displacement

of embankment into the soft soil is a very necessary work for design The transfer the embankment load into the column is almost explained by soil arching phenomenon that plays a significant role in the behavior of embankments supported on columns

The purpose of this Thesis is using Finite Element Method Program, such as Plaxis, to modeling embankment, which is supported by Deep Cement Soil Mixing Column, to find out the stress distribution and displacement of embankment, with or without using geosynthetic membrane The critical height

of embankment in soil arching phenomenon and the Stress Reduction Ratio, that

is suitable for Ho Chi Minh City’s geological condition, can be determined All the results are compared with other foreign researcher’s results to find out appropriated numerical function to calculating stress under embankment

Hiện nay, trong quá trình thiết kế nền đường trên lớp đất yếu, các kỹ sư địa kỹ thuật xây dựng đã gặp nhiều trở ngại do nền đất yếu không đủ khả năng gánh đỡ công trình, độ lún lớn và mất ổn định tổng thể và cục bộ của nền đường Phương pháp ứng dụng cọc đất trộn xi măng để gia cố nền đường trên đất yếu là một phương pháp mang tính kinh tế và đạt hiệu quả cao Trong việc thiết kế, điều cần thiết là tìm ra được sự phân bố ứng suất và chuyển vị của nền gia cố Cơ chế truyền tải trọng từ nền đường sang cọc đất trộn xi măng và đất yếu sẽ được giải thích bằng hiện tượng hiệu ứng vòm Nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân tích ứng xử của nền đường, được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng

Luận Văn này có mục tiêu là mô hình nền đường, được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng, bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể là chương trình Plaxis, để tìm ra qui luật phân bố ứng suất và biến dạng của nền đường, cọc đất trộn xi măng và phần đất yếu bên dưới, cho trường hợp có và không có sử dụng vải địa kỹ thuật Giá trị chiều cao cực hạn của nền đất đắp và hệ số giảm ứng suất SRR ứng với số liệu địa chất công trình tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh sẽ được xác định Tác giả sẽ so sánh các kết quả tìm được với các công thức lý thuyết và thực nghiệm của các nhà nghiên cứu trên thế giới để tìm ra được công thức giải tích thích hợp nhất, ứng dụng cho điều kiện địa chất tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT

1.4 Tổ g q an về ggiải pháp gia cố nền đất yếu dưới nền đường bằng cọc đất

1.7 Một số công trình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng (DSMC) để gia cố

1.7.2 Công trình: Hầm Thủ Thiêm – Dự án đường chui trên đường

1.7.3 Công trình: Đường vào cầu Khánh Hội – Dự án trọng điểm của

1.8 Trình tự trộn cọc đất gia cố xi măng (DSMC) để gia cố nền đất yếu tại

lú của cọcđấttrộ ximăn và đấtnền bằng nhauu 24 2.2 Phươn p áp ín oán heo mô hìn của Po ro shasb và Meyerhof 29

2.3.2 Áp dụng nguyên lý của hiệu ứng vòm vào việc xác định ứng suất

2.3.3.3 Các mô hình tính toán sự phân bố ứng suất lên cọc đất trộn xi

2.4 Tín oán sự p ân b ứn suấtlên cọc đấttrộ xi măn có kếthợp gia

2.4.2 Mô hình móc xích (Catenary Method) – Mô hình của John (1987) 59

2.4.4 Lý thuyết hiệu ứng màng – Mô hình của Marston – Tiêu chuẩn

Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC THIẾT LẬP CÔNG THỨC GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI

3.1.2.2 Đối với đất không được xử lý – vùng đất yếu xung quanh cọc

3.1.2.3 Đối với đất được xử lý – các phần tử đất trong cọc đất trộn xi

3.2 Xác định ứng suất thẳng đứng tác dụng lên cọc đất trộn xi măng 78

của cọc đất trộn xi măng và vùng đất yếu xung quanh cọc 81

3.4.1 Ứng suất tác dụng lên vùng đất yếu xung quanh cọc đất trộn xi

3.4.3 Mối quan hệ giữa chuyển vị của cọc đất trộn xi măng và vùng

3.5 Quan hệ ứng suất - biến dạng trong cọc đất trộn xi măng và vùng

3.5.3 Tương quan về biến dạng giữa cọc đất trộn xi măng và vùng

Chương 4 MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG ĐƯỢC TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ

4.1.1 Tổng quan về phương pháp PTHH– FINITE ELEMENT METHOD

94

96 4.1.3 Các thông số của mô hình Morh – Coulomb

97 4.2 Nguyên lý qui đổi từ mô hình thực tế sang mô hình PLAXIS 2D

99

4.3 Mô hóa nền đường được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng bằng

4.3.2 Các thông số trong mô hình bài toán phẳng 2D

103

Hình 1.1 Biểu đồ mô tả phản ứng của cọc đất trộn xi măng và mối quan hệ

giữa hàm lượng ximăng và cường độ của cọc

11

Hình 1.2 Mô hình 3D thể hiện kết cấu đường được gia cố bằng cọc đất trộn

xi măng, kết hợp sử dụng vải địa kỹ thuật

12

Hình 1.3 Sơ đồ bố trí cọc đất - ximăng trên mặt bằng 14

Hình 1.5 Mặt cắt ngang điển hình đường dẫn tại khu vực cầu Nước Lên, Cầu Kênh 1, Cầu Kênh 2, Cầu Cá Trê Nhỏ được gia cố bằng bằng cọc đất trộn xi

Hình 1.8 Máy thi cọc đất trộn xi măngtại khu vực Kênh 1 và Kênh 2 19

Hình 1.9 Khoan lõi thí nghiệm cho cọc đất XM thử tại khu vực Cầu Rạch Cây 19 Hình 1.10 Thi công đào đất tại đốt hầm H1 ¸ H3, sau khi cọc đất trộn xi

măng đã đạt cường độ cho phép

20

Hình 1.11 Toàn cảnh khu vực gia cố cọc đất trộn xi măng – phần đường vào

Hình 1.12 Kiểm tra kích thước và khoảng cách của cọc đất XM 21

Hình 1.13 Mặt cắt điển hình của hạng mục đường khu khu vực Cầu Khánh

Hội

22

Hình 2.1 Mô hình cọc đất trộn xi măng và đất nền làm việc đồng thời 25

Hình 2.2 Mô hình cọc đất trộn xi măng và đất nền của Poorooshasb và

Meyerhof

31

Hình 2.3: Mô hình cột đất thể hiện định nghĩa hiệu ứng vòm 32

Hình 2.4 Sơ đồ hiệu ứng vòm và áp lực trên nền qua thí nghiệm cửa sập của

Hình 2.5 Dụng cụ thí nghiệm của Chen Yun-min và cộng sự (2006) 36

Hình 2.6 Sự chuyển vị của các lớp cát thí nghiệm của Thí nghiệm số 1 và số

Hình 2.7 Các mô hình phân bố ứng suất của hiệu ứng vòm [6] 46

Hình 2.12 Nguyên lý truyền lực lên cọc và vải địa kỹ thuật 55

Hình 2.13 So sánh giữa sự truyền lực do hiệu ứng vòm và ảnh hưởng của vải

địa kỹ thuật lên cọc đất trộn xi măng trong mô hình hai phương và ba phương 58

Hình 2.14 Biến dạng móc xích của vải địa kỹ thuật , John (1987) 60

Hình 2.15 Mô hình biểu đồ thí nghiệm kéo trên vải địa kỹ thuật gia 60

Hình 3.1 Hệ thống cọc đất trộn xi măng và đất xung quanh – Đơn nguyên

Hình 3.2 Mô hình lăng trụ của Ugural và Fenster,1995 72

Hình 3.3 Ứng suất của phần tử đất trong hệ tọa độ cực 73

Hình 3.4 Ứng suất tác dụng lên cọc đất trộn xi măng 76

Hình 3.8: Ứng suất xung quanh cọc đất trộn xi măng

Hình 3.9: Mô hình tính toán của nền gia cố bằng cọc đất trộn xi măng

Hình 3.10: Mô hình tính toán chuyển vị của cọc đất trộn xi măng và đất nền

Hình 4.4 Mặt cắt ngang điển hình của nền đường gia cố bằng cọc đất trộn xi

măng tại khu vực Cầu Kênh 1

Hình 4.5 Sơ đồ tính bài toán phẳng

Hình 4.8 Tổng biến dạng khi lớp đất đắp h=2m; h=6m và 9m 84 Hình 4.9 Mặt cách ngang điển hình thể hiện sự biến thiên của chuyển vị đứng 85

Hình 4.10 Ứng suất thẳng đứng khi lớp đất đắp h =3m và 9m 85

Hình 4.11 Vùng ứng suất và phương của ứng suất chính thể hiện hiệu ứng vòm

trên đầu cọc khi h = 3m

Hình 4.12 Vùng ứng suất và phương của ứng suất chính thể hiện hiệu ứng vòm

trên đầu cọc khi h = 6m

Hình 4.13 Vùng ứng suất và phương của ứng suất chính thể hiện hiệu ứng vòm

trên đầu cọc khi h = 9m

Hình 4.14 Mô hình nền đường gia cố bằng vải địa kỹ thuật

Hình 4.15 Lực kéo dọc trục trong vải địa kỹ thuật - h=9m, E=200kN/m

Hình 4.16 Biến dạng dọc trục trong vải địa kỹ thuật - h=6m, E=200kN/m

Bảng 1.2 So sánh thi công DSMC giữa công nghệ trộn khô và trộn ướt 9

Bảng 2.1 Chi tiết các số liệu của thí nghiệm hiệu ứng vòm của Chen Yun-min 37 Bảng 2.2 Bảng số liệu thể hiện ảnh hưởng của cường độ chịu kéo của vải địa

Bảng 2.3 Bảng số liệu thể hiện ảnh hưởng của bề rộng gối giữa đến n 44

Bảng 2.4 Tổng kết các kết quả thí nghiệm mô hình, Low 65

Bảng 2.5: Giá trị chiều cao yêu cầu h c của nền đất đắp theo các phương pháp tính toán hiệu ứng vòm

Bảng 3.2: Bảng tổng hợp giá trị ứng suất tác dụng lên đầu cọc đất trộn xi măng và đất yếu khi chiều cao lớp đất đắp thay đổi từ 1 đến 6 6 theo công thức của TS Nguyễn Minh Tâm

Bảng 4.1: Bảng tổng hợp tính chất vật lý và cơ lý của các lớp đất ở khu vực khảo sát

Bảng 4.2 Các thông số dùng khi mô hình PLAXIS 2D

giữa cọc, đất với các giá trị tý diện tích thay thế

27

Đồ thị 2.2 Qui luật biến thiên hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng

suất SRR, đất với các giá trị tý diện tích thay thế

28

Đồ thị 2.3 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa tỷ số PR và S, f và ef 31

Đồ thị 2.4 Sự thay đổi ứng suất trong đất tại các vị trí đặt cảm biến – Thí nghiệm 7 Hình A: Theo chiều cao lớp đất thí nghiệm; Hình B: Khi thoát nước

38

Đồ thị 2.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ h/s đến hệ số tập trung ứng suất n 40

Đồ thị 2.6 Ảnh hưởng của cường độ chịu kéo của vải địa kỹ thuật đến hệ số

tập trung ứng suất n

43

Đồ thị 2.7 Ảnh hưởng của bề rộng gối giữa đến hệ số tập trung ứng suất n 45

Đồ thị 2.8 Ảnh hưởng của chiều cao nền đất đắp đến hệ số tập trung ứng suất

trong trường hợp có và không có sử dụng vải địa kỹ thuật 56

Đồ thị 2.9 Ảnh hưởng của độ cứng của cọc đất trộn xi măng đến hệ số tập trung ứng suất trong trường hợp có và không có sử dụng vải địa kỹ thuật 56

Đồ thị 2.10 Ảnh hưởng của độ cứng vải địa kỹ thuật đến n 57

Đồ thị 3.1: Đồ thị quan hệ giữa bc và n

Đồ thị 4.1 Quan hệ giữa chuyển vị tương đối và chiều cao lớp đất đắp

Đồ thị 4.2 Quan hệ giữa ứng suất của cọc đất trộn xi măng và đất yếu với tỷ số

h/(s-a)

Đồ thị 4.3 Quan hệ giữa chuyển vị của cọc đất trộn xi măng và đất yếu với tỷ

số h/(s-a)

Đồ thị 4.4 Quan hệ giữa chiều cao lớp đất đắp và hệ số giảm ứng suất

Đồ thị 4.5 Quan hệ giữa chiều cao lớp đất đắp và hệ số tập trung ứng suất

Đồ thị 4.6 Sự thay đổi hệ số n với module chịu kéo của vải địa kỹ thuật

Đồ thị 4.7 Quan hệ ứng suất và chiều cao lớp đất đắp

Đồ thị 4.8 Quan hệ lực kéo dọc trục max và tỷ số h/(s-a), ứng với thiết kế

Đồ thị 4.10 Quan hệ giữa chiều cao lớp đất đắp và hệ số SRR

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Họ tên: ĐINH CÔNG PHƯƠNG

Ngày sinh: 16/02/1977

Nơi sinh: Mỹ Tho - Tiền Giang

Địa chỉ: 12/2 Lữ Gia, Quận 11, Tp Hồ Chí Minh

Cơ quan: Sở Giao thông vận tải Tp.HCM

Điện thoại : 08 38 642 574, Di động: 0903 091 900

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

· 1995 – 2000: Sinh viên khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

· 2006 – 2009: Học viên cao học ngành Địa Kỹ Thuật Xây Dựng, khóa 2006, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

· Tháng 11/2000 đến 2006: Công tác tại Công ty Khảo sát, Tư vấn

và Thiết kế Xây dựng Tiền Giang

· Từ 2006 đến nay: Công tác tại Sở Giao thông vận tải Tp.HCM

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, nền kinh tế nước ta phát triển nhanh chóng Những đô thị mới, khu công nghiệp mọc lên khá nhiều dẫn đến nhu cầu phải xây dựng hệ thống đường giao thông, hạ tầng kỹ thuật đô thị để tạo nên những đầu mối giao thương kinh tế giữa những vùng đô thị với nhau, đặc biệt là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long và thành phố Hồ Chí Minh Một trong những khó khăn của việc xây dựng hệ thống giao thông tại vùng đồng bằng sông Cửu Long là khu vực này có địa chất khá yếu, lớp đất yếu lại có chiều dày khá lớn Để các công trình đường giao thông trên đất yếu được ổn định và sử dụng được lâu dài, việc áp dụng các biện pháp gia cố nền đất yếu bên dưới nền đường là điều bắt buộc

Trong số các giải pháp xử lý nền đất yếu đang được sử dụng phổ biến tại nước ta hiện nay, giải pháp dùng cọc đất trộn xi măng đã được sự hiệu quả Kỹ thuật đất gia cố xi măng - đất đã và đang được áp dụng và phát triển mạnh mẽ tại Thụy Điển, Nhật Bản… trong việc xây dựng các lớp móng đường, ổn định hố đào, nền đê đập, nền cho các móng bồn chứa, nền nhà có tầng cao trung bình, các công trình ven biển, trên biển Tại Việt Nam nói chung và khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói riêng đã có khá nhiều các công trình sử dụng cọc đất trộn xi măng như là một biện pháp gia cố nền đất yếu và đã đạt được những kết quả rất khả quan

Để đánh giá sự phân bố ứng suất - biến dạng của nền đường được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng, nhiều công thức lý thuyết, thực nghiệm và các phương pháp phân tích đã được nhiều tác giả thực hiện Các nghiên cứu về cọc đất trộn xi măng hiện nay không nhiều, chủ yếu tập trung vào hai mảng chính: phương pháp tính toán, thiết kế tối ưu cho các công trình sử dụng cọc đất trộn xi măng để gia cố nền và các đề tài thí nghiệm nhằm xác định hàm lượng trộn ximăng, phụ gia tối ưu trong điều kiện đất yếu ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long Tại Việt Nam, có các nghiên cứu lý thuyết về cọc đất trộn xi măng như thiết lập công thức tính toán sự phân bố ứng suất, biến dạng trong cọc đất trộn xi măng, ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên cọc đất trộn xi măng còn chưa được nghiên cứu nhiều … Giá trị các

thành phần ứng suất, biến dạng của cọc đất trộn xi măng trong quá trình chịu lực là rất quan trọng, cần thiết để phục vụ cho việc thiết kế, tính toán chính xác khả năng chịu lực, tính ổn định của 1 cọc đất trộn xi măng và đất nền xung quanh Vì thế, việc xác định chính xác sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng là hết sức cần thiết

Vì những nguyên nhân trên, đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng sử dụng để gia cố nền đường” là đề tài mang tính cấp thiết, góp phần đánh giá chính xác trạng thái ứng suất - biến dạng của cọc đất trộn xi

măng để gia cố nền đường cho khu vực đất yếu

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Trong các đề tài nghiên cứu cọc đất trộn xi măng, các tác giả trong và ngoài nước đã cố tìm ra nhiều công thức lý thuyết để xác định chính xác mối quan hệ giữa ứng suất - biến dạng dựa theo lý thuyết đàn hồi và đã đạt nhiều thành tựu

Hiệu ứng vòm là nguyên lý thích hợp nhất dùng để giải thích truyền lực từ nền đất đắp về hệ cọc đất trộn xi măng và đất yếu xung quanh Nhờ hiệu ứng vòm, phần ứng suất truyền lên đất yếu sẽ giảm và truyền lên cọc đất trộn xi măng sẽ tăng

Từ đó, làm công trình được an toàn hơn, giảm độ lún tổng thể của hệ Tuy thế, hiệu ứng vòm chỉ xảy ra khi chiều cao lớp đất đắp vượt qua một giá trị xác định nào đó Russell and Pierpoint (1997) dựa theo lý thuyết hiệu ứng vòm của Terzaghi

đã xây dựng các phương trình xác định mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng vòm lên

mô hình cọc 3D Dựa vào lý thuyết hiệu ứng vòm xác định trên một chỏm cầu giữa các cọc đất trộn xi măng ở trạng thái giới hạn, Hewlett và Randolph (1988); Low và các tác giả khác (1994) đã giới thiệu phương pháp xác định tỷ lệ mà một tải trọng

do công trình đường, đê, đập… truyền vào cọc đất trộn xi măng và vùng đất yếu xung quanh cọc, đó là hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng suất SRR

Vì thế, đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng

sử dụng để gia cố nền đường” được thực hiện nhằm giới thiệu tìm hiểu kỹ về điều

kiện xảy ra của hiệu ứng vòm dưới nền đường, trong điều kiện có và không có vải địa kỹ thuật với các cường độ chịu kéo khác nhau

Các công việc chủ yếu dự kiến sẽ được thực hiện trong luận văn:

§ Nghiên cứu tổng quan về cọc đất trộn xi măng và cơ chế phân bố ứng suất lên cọc đất trộn xi măng

§ Tính toán ứng suất, biến dạng trong cọc đất trộn xi măng dựa theo công thức lý thuyết vừa tổng hợp được bằng Excel

§ Mô phỏng lại công trình đường đắp cao bằng một chương trình phần tử hữu hạn phổ biến nhất hiện nay là PLAXIS So sánh kết quả thu được của hai chương trình tính để phân tích, rút ra kết luận, đánh giá sự chính xác cũng như những hạn chế của từng phương pháp

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng sử dụng để gia cố nền đường” sẽ cung cấp cho các kỹ sư thiết kế một công cụ hữu ích

để tính toán, thiết kế cọc đất trộn xi măng cho các công trình gia cố nền đường Các kỹ sư sẽ lựa chọn được khoảng cách giữa các cọc đất trộn xi măng nhanh chóng dựa vào chiều cao thiết kế lớp đất đắp và tiết diện cọc, trên nguyên tắc tận dụng sự xuất hiện của hiệu ứng vòm

Sự phân tích và kiến nghị về phương pháp tính toán đơn giản và chính xác nhất hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng suất SRR Khi biết được ứng suất tác dụng lên cọc và đất nền, việc thiết kế còn lại chỉ làm kiểm tra khả năng chịu tải của cọc và đất yếu

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong cọc đất trộn xi măng dùng để gia cố nền đất yếu cho các công trình đường như đường giao thông, đường vào cầu…

Một số quan điểm tính sẽ được tác giả sử dụng:

§ Tải trọng được xem như phân bố đều khắp, vì thế, ứng suất do tải trọng ngoài tác dụng lên cọc là không đổi

§ Quan hệ ứng suất – biến dạng trong cọc đất trộn xi măng và lớp đất yếu xung quanh cọc tuân theo lý thuyết đàn hồi

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG

1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG

1.1.1 Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng trên thế giới:

Phương pháp đất trộn xi măng ra đời từ những năm đầu thập niên 50 của thế

kỷ XX Từ năm 1960, Nhật Bản và Thụy Điển đã độc lập nghiên cứu và phát triển

kỹ thuật trộn đất dưới sâu sử dụng vôi hoạt tính dạng hạt Đến năm 1970, phương pháp trộn khô sử dụng vôi sống trộn với đất ở hiện trường để tạo thành các trụ vôi

đã được thực hiện ở Thụy Điển và Nhật Bản Xi măng khô được sớm thêm vào để tăng cường ổn định và tạo ra trụ có cường độ cao hơn Những trụ vôi/xi măng hoặc trụ xi măng sử dụng ngày nay đã thay thế hoàn toàn những trụ vôi Phương pháp mà bột vôi khô và xi măng được sử dụng để tăng cường ổn định được gọi là phương pháp trộn khô (Dry Method of Deep Mixing)

Giữa năm 1970, một nổ lực để tăng cường sự đồng nhất của đất đã được gia cường bằng phương pháp trộn sâu, người Nhật cũng bắt đầu đưa ra phương pháp tăng cường ổn định mà sử dụng vữa xi măng lỏng được gọi là phương pháp trộn ướt (Wet Method of Deep Mixing) Phương pháp trộn ướt ban đầu được giới thiệu ở Nhật để ổn định đất sét trên biển, nhưng sau này nó được sử dụng cả cho những công trình trên đất liền Ngày nay cả phương pháp ướt và khô vẫn đang được sử dụng ở Nhật Bản

Đến thập niên 80 của thế kỷ XX, phương pháp trộn sâu được áp dụng rộng rãi trong xây dựng Ở Mỹ vào năm 1980, phương pháp trộn sâu vẫn còn được xem như

là một kỹ thuật mới xuất hiện Tuy nhiên với sự gia tăng của thiết bị sẵn có và kinh nghiệm của nhà thầu xây dựng, phương pháp trộn đất đã trở thành một kỹ thuật xây dựng được chấp nhận

Sau chiến tranh thế giới lần thứ II, Mỹ là nước đầu tiên nghiên cứu về cọc đất – xi măng trộn tại chổ (MIP), đường kính cọc 0,3 – 0,4m, dài 10 đến 12m Năm

1977, Trung Quốc bắt đầu thí nghiệm trong phòng và nghiên cứu chế tạo máy hai trục đầu tiên để trộn dưới sâu

Năm 1990, Nhật Bản đưa ra loại công nghệ thi công trộn dưới sâu mới gọi là phương pháp RR, khi thi công đầu trộn lên xuống, lắc ngang và quay tròn trộn ngược lên làm thành cọc, một lần làm có thể trộn được thân cọc có đường kính tới 2m

Năm 1991, Viện hàn lâm khoa học Bungari báo cáo kết quả nghiên cứu về đất – xi măng tại địa phương

Năm 1992, hướng dẫn thiết kế mới được giới thiệu tại Phần Lan dựa trên những kinh nghiệm từ những thập niên 1980 và nghiên cứu của Kujuala & Lahtinen Vào tháng 5 năm 1996 Hội nghị Quốc tế về phương pháp trộn dưới sâu được tổ chức tại Nhật Bản và vào tháng 11 năm 1999 Hội nghị Quốc tế về phương pháp trộn phun khô được tổ chức tại Stockkholm, Thụy Điển

Tại Đông Nam Á, cọc đất - vôi/xi măng chưa được thông dụng chủ yếu là vì các máy móc thi công, chi phí khai thác vôi sống tinh khiết cao Nhưng ngược lại, cọc đất - xi măng áp dụng cho các loại đất sét ven biển cố kết thường, cố kết trước nhẹ và bùn hữu cơ, thường gặp tại một số thành phố lớn như Bangkok, Manila, Jakata, Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Cần Thơ sẽ là giải pháp gia cố hấp dẫn và kinh tế

1.1.2 Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng tại Việt Nam

Tại Việt Nam, từ năm 2002 đã có một số dự án bắt đầu ứng dụng cọc đất gia

cố xi măng vào xây dựng các công trình trên nền đất yếu ở Việt Nam Cụ thể như : Công trình đầu tiên ở phía Nam do công ty Hercules kết hợp với công ty phát triển kỹ thuật xây dựng thi công là công trình Tổng kho xăng dầu Hậu Giang tại khu công nghiệp Trà Nóc, TP Cần Thơ vào đầu năm 2001 với khối lượng khoảng 50.000 dài cọc

Dự án cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) đã sử dụng 4000m cọc đất gia cố xi măng

có đường kính 0,6m thi công bằng trộn khô; xử lý nền cho bồn chứa xăng dầu đường kính 21m, cao 9m ở Cần Thơ

Năm 2003, một Việt kiều ở Nhật Bản đã thành lập công ty xử lý nền móng tại

TP Hồ Chí Minh, ứng dụng thiết bị trộn khô để tạo cọc đất gia cố xi măng lồng ống thép Cọc đất gia cố xi măng lồng ống thép cho phép ứng dụng cho các nhà cao tầng (đến 15 tầng) thay thế cho cọc nhồi, rẻ và thi công nhanh hơn

Năm 2004 cọc xi măng đất được sử dụng để gia cố nền móng cho nhà máy nước huyện Vụ Bản (Hà Nam), xử lý móng cho bồn chứa xăng dầu ở Đình Vũ (Hải Phòng) Các dự án trên đều sử dụng công nghệ trộn khô, độ sâu xử lý trong khoảng 20m

Tháng 5 năm 2004, các nhà thầu Nhật Bản đã sử dụng Jet–grouting để sửa chữa khuyết tật cho các cọc khoan nhồi của cầu Thanh Trì (Hà Nội)

Năm 2005, một số dự án cũng đã áp dụng cọc đất gia cố xi măng như: dự án thoát nước khu đô thị Đồ Sơn – Hải Phòng, dự án sân bay Cần Thơ, dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh đi Trung Lương, dự án cảng Bạc Liêu…

Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản Đề tài đã ứng dụng công nghệ và thiết bị này trong nghiên cứu sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc, khả năng chịu lực ngang, ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến tính chất của cọc đất gia cố xi măng,… nhằm ứng dụng cọc đất gia cố xi măng vào xử lý đất yếu, chống thấm cho các công trình thủy lợi Nhóm đề tài cũng đã sữa chữa chống thấm cho Cống Trại (Nghệ An), cống D10 (Hà Nam), Cống Rạch C (Long An)…

Tại thành phố Đà Nẵng, cọc đất gia cố xi măng được ứng dụng ở Plazza Vĩnh Trung dưới 2 hình thức: Làm tường trong đất và làm cọc thay cọc nhồi

1.2 KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ TRỘN SÂU CHẾ TẠO CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG

1.2.1 Khái niệm về công nghệ trộn sâu

Công nghệ trộn sâu tạo cọc đất trộn xi măng (DSMC_ Deep Soil Mixing Column) là công nghệ trộn xi măng với đất tại chỗ – dưới sâu Cọc đất gia cố xi

măng được sử dụng khá rộng rãi trong xử lý nền móng các công trình xây dựng, là

một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi như: Làm tường hào chống thấm cho đê đập, gia cố nền móng cho các công trình xây dựng, sữa chữa thấm mang cống và đáy cống, ổn định tường chắn, chống trượt mái dốc, gia cố đất yếu xung quanh đường hầm, gia cố nền đường, mố cầu dẫn…

So với một số giải pháp xử lý nền hiện có, công nghệ cọc đất gia cố xi măng

có ưu điểm là khả năng xử lý sâu (đến 50m), thích hợp với các loại đất yếu (từ cát thô cho đến bùn yếu), thi công được cả trong điều kiện nền ngập sâu trong nước hoặc điều kiện hiện trường chật hẹp, trong nhiều trường hợp đã đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt so với các giải pháp xử lý khác

Mục đích của công nghệ là làm tăng cường độ, khống chế biến dạng, giảm tính thấm của đất yếu hoặc đất co ngót hoặc để vệ sinh các khu nhiễm độc Nói tóm lại

là làm thay đổi đất, nâng cao chất lượng của đất bằng cách cứng hóa tại chỗ

1.2.2 Công nghệ thi công

Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công cọc đất gia cố xi măng là: Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet-grouting)

_ Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ này sử dụng cần khoan có

gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với vữa xi măng bơm theo trục khoan Ưu điểm của công nghệ trộn khô: Thiết bị thi công đơn giản; Hàm lượng xi măng sử dụng ít hơn; Quy trình kiểm soát chất lượng đơn giản hơn công nghệ trộn ướt Nhược điểm của công nghệ trộn khô: Do cắt đất bằng các cánh cắt nên gặp hạn chế trong đất có lẫn rác, đất sét, cuội đá, hoặc khi cần xuyên qua các lớp đất cứng hoặc tấm bê tông; Không thi công được nếu phần xử lý ngập trong nước Chiều sâu

xử lý trong khoảng 15 ÷ 20m

_ Công nghệ trộn ướt (hay còn gọi là Jet–grouting): Phương pháp này dựa

vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực Khi thi công, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước+XM) với áp lực khoảng 20 Mpa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực… sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ

được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt Sau

khi vữa cứng lại sẽ thành cọc đất gia cố xi măng

Hiện nay trên thế giới đã phát triển ba công nghệ Jet-grouting: đầu tiên là công nghệ S, tiếp theo là công nghệ T, và gần đây là công nghệ D

+ Công nghệ đơn pha S: Công nghệ đơn pha tạo ra các cọc đất gia cố xi măng

có đường kính vừa và nhỏ 0,4 – 0,8 Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công nền đất đắp, cọc…

+ Công nghệ hai pha D: Công nghệ hai pha tạo ra các cọc đất gia cố xi măng

có đường kính từ 0,8 – 1,2m Công nghệ này chủ yếu dùng để thi công các tường chắn, cọc và hào chống thấm

+ Công nghệ ba pha T: Phụt ba pha là phương pháp thay thế đất mà không xáo

trộn đất Công nghệ T sử dụng để làm các cọc, các tường ngăn chống thấm, có thể tạo ra cột Soilcrete đường kính đến 3m

Bảng 1.1: Ưu và khuyết điểm giữa công nghệ trộn khô và trộn ướt

cắt thấp được bố trí theo sơ đồ hình

vuông hoặc tam giác

Chi phí rẻ hơn phương pháp trộn ướt

Cường độ đạt được của phương pháp khô thì thấp hơn so với phương pháp ướt ở tất cả các loại đất

Chiều sâu cọc đất trộn xi măng có thể thực hiện được ngắn hơn phương pháp trộn ướt

Phương pháp ướt đòi hỏi kinh nghiệm và tay nghề cao của nhà thầu xây dựng Giá thành cao nên phương pháp ướt không kinh tế cho những dự án nhỏ

Bảng 1.2: So sánh thi công DSMC giữa công nghệ trộn khô và trộn ướt

Vật liệu kết dính

Xi măng và nước Trong trường hợp tầng đất hữu cơ, một số phụ gia được thêm vào sử dụng

Chỉ có xi măng với khí nén

Điểm đặc trưng

Dễ dàng kiểm soát

Chất lượng cao và đồng nhất Hiệu quả cao

1.3 NGUYÊN LÝ HÌNH THÀNH CƯỜNG ĐỘ CỦA CỌC ĐẤT TRỘN

XI MĂNG [1]

Hạt ximăng là một hợp chất (heterrogeneous) bao gồm Tri Calcium Silicate

yếu Khi nước lỗ rỗng của đất gặp ximăng, thủy hóa ximăng xảy ra nhanh chóng và

Hai sản phẩm Hydrate liệt kê ở đầu tiên ở trên là hai sản phẩm kết dính ximăng được hình thành và thủy hóa vôi được sử dụng như những pha tinh thể rắn riêng biệt Những phần tử ximăng này kết hợp với các hạt ximăng nằm kế bên với nhau trong suốt quá trình hóa cứng để tạo thành hỗn hợp bộ khung được hóa cứng bao quanh các hạt đất nguyên vẹn Các pha Silicate và Alumino được kết hợp nội

cũng có thể kết hợp với các hydrate khác mà chỉ có một phần kết tinh Hơn nữa thủy hóa ximăng dẫn đến gia tăng độ pH của nước lỗ rỗng gây ra sự phân li của Vôi Hydrate

Các bazơ mạnh hòa tan Silicate và Aluminate từ cả khoáng vật sét và các chất vô cơ định hình khác trên những mặt của các hạt sét, theo cách tương tự như phản ứng giữa các axít yếu với bazơ mạnh Các Silica và Alumina ngậm nước sau

đó sẽ từ từ phản ứng với các ion Calcium tự do từ sự thủy phân ximăng để tạo thành hợp chất không hòa tan (đây là các sản phẩm ximăng thứ yếu), hóa cứng khi được

xử lí gia cố nền đất yếu Phản ứng thứ yếu này được gọi là phản ứng pozzolan Hợp chất của thủy hóa ximăng thì vẫn xác định rõ ràng bởi các công thức hóa học

- Khi trộn ximăng vào trong đất, độ rắn chắc cho đất gia cố nhờ vào các phản ứng thủy hóa ximăng như sau :

+ Khi ximăng tiếp xúc với nước ở giai đoạn đầu xảy ra quá trình tác dụng nhanh của alít với nước tạo ra hiđrosilicat canxi và hiđroxit canxi :

+ Khi được tiếp xúc với nước, trên bề mặt các hạt ximăng đã có lớp sản

- Khi phản ứng thuỷ hóa này diễn ra sẽ cần một lượng nước cho quá trình thuỷ hóa, vì vậy nước lỗ rỗng của đất yếu sẽ được lấy đi nên sẽ sẽ có hiệu quả làm giảm

độ ẩm của đất trong cọc và xung quanh cọc

Hình 1.1: Biểu đồ mô tả phản ứng của cọc đất trộn xi măng và mối quan hệ giữa

hàm lượng ximăng và cường độ của cọc

1.4 TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG

Qua thời gian nghiên cứu ứng dụng và phát triển của phương pháp trộn khô, các nhà khoa học đã đưa ra một số dữ liệu về cọc đất trộn xi măng như sau :

1500kPa

không được gia cố từ 0,1 – 0,3 Tại Nhật có thể lên đến 0,5

- Khoảng cách giữa các cọc đất - ximăng thường từ 0,8m đến1,8m Tùy theo điều kiện tác dụng của tải trọng mà các cọc trong khối gia cố được bố trí theo dạng riêng lẻ, dạng hàng, dạng lưới, dạng khối

Ø Dạng đơn: Cọc được bố trí theo lưới ô vuông hay lưới tam giác, thường dùng cho việc gia cố các khối đất đắp nền đường hoặc các công trình có tải trọng thẳng đứng lớn

Ø Dạng hàng: Thường được bố trí để gia cố các hố đào, các công trình mái dốc, các công trình có lực ngang tác dụng lớn

Ø Dạng lưới và dạng khối: Bố trí cho các công trình xây dựng dân dụng

công nghiệp, các cọc được bố trí bên dưới móng công trình

Hình 1.2: Mô hình 3D thể hiện kết cấu đường được gia cố bằng cọc đất trộn xi

măng, kết hợp sử dụng vải địa kỹ thuật

1.5 TRÌNH TỰ THI CÔNG, QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG

1.5.1 Trình tự thi công

Thi công cải tạo nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng theo các bước sau: 1) Định vị và đưa thiết bị thi công vào vị trí thiết kế

2) Khoan hạ đầu phun trộn xuống đáy khối đất cần gia cố

3) Bắt đầu quá trình khoan trộn và kéo dần đầu khoan lên đến miệng lỗ

4) Đóng tắt thiết bị thi công và chuyển sang vị trí mới

1.5.2 Quy trình kiểm soát chất lượng cho DSMC

Sơ đồ quy trình kiểm soát chất lượng DSMC

1.5.3 Công tác thí nghiệm

Để thiết kế cọc đất gia cố xi măng ngoài những thí nghiệm khoan khảo sát hiện trường nên có một số thí nghiệm kèm theo như sau: Thí nghiệm xuyên tĩnh có đo áp lực nước lỗ rỗng CPTU; Thí nghiệm nén cố kết; Thí nghiệm hỗn hợp xi măng đất (để xác định hàm lượng xi măng sử dụng cho gia cố); Thí nghiệm cắt cánh; Thí nghiệm trộn đất tại chỗ với xi măng theo tiêu chuẩn của Thụy Điển…

Sau khi thi công ngoài hiện trường cần có một số thí nghiệm hiện trường như sau: Thí nghiệm xuyên cắt tiêu chuẩn, kết quả thí nghiệm sức kháng cắt được so sánh với kết quả thí nghiệm trong phòng, giá trị hàm lượng xi măng được chấp

THIẾT KẾ: cường độ thiết kế

THI CÔNG

KẾT THÚC

Thử nghiệm trong phòng TN

Quản lý chất lượng trong Thi công

Sự kiểm nghiệm chất lượng

(1) Loại Xi măng (2) Hàm lượng xi măng (3) Tỷ lệ Nước / Ximăng

(1) Cách trộn (2) Kiểm tra hàm lượng Xi măng

(1) Kiểm tra lỗ khoan (2) Kiểm tra đầu cọc

thuận là giá trị sao cho cường độ kháng cắt của cọc tương đương với kết quả phòng thí nghiệm; Thí nghiệm nén ngang; Thí nghiệm nén tĩnh một cột; Thí nghiệm đào cột; Thí nghiệm chất tải trên một cột; Thí nghiệm chất tải toàn phần; Đo lún trên hiện trường; Đo áp lực nước trong khối gia cố; Đo độ lún theo độ sâu của tầng đất của khối gia cố…

1.6 MỘT VÀI SỐ LIỆU VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐUỜNG BẰNG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG.

Qua thời gian nghiên cứu ứng dụng và phát triển của phương pháp trộn khô, các nhà khoa học đã đưa ra một số dữ liệu về cọc đất trộn xi măng như sau :

1500kPa

không được gia cố từ 0,1 – 0,3 Tại Nhật có thể lên đến 0,5

Tùy theo điều kiện tác dụng của tải trọng mà các cọc trong khối gia cố được bố trí theo dạng riêng lẻ, dạng hàng, dạng lưới, dạng khối

Hình 1.3 : Sơ đồ bố trí cọc đất - ximăng trên mặt bằng

- Hình A, B: cọc đất - ximăng bố trí theo dạng đơn

- Hình C: cọc đất - ximăng bố trí theo dạng hàng

- Hình D: cọc đất - ximăng bố trí theo dạng khối

- Hình E: cọc đất - ximăng bố trí theo dạng lưới

Ø Dạng đơn: Cọc được bố trí theo lưới ô vuông hay lưới tam giác, thường dùng cho việc gia cố các khối đất đắp nền đường hoặc các công trình có tải trọng thẳng đứng lớn

Ø Dạng hàng: Thường được bố trí để gia cố các hố đào, các công trình mái dốc, các công trình có lực ngang tác dụng lớn

Ø Dạng lưới và dạng khối: Bố trí cho các công trình xây dựng dân dụng

công nghiệp, các cọc được bố trí bên dưới móng công trình

1.7 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ỨNG DỤNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG (DSMC)

1.7.1 Công trình: Dự án Đại lộ Đông Tây [2]

Dự án có chiều dài toàn tuyến 21,89 km, đi qua địa bàn các quận 1, 2, 4, 5, 6,

8, Bình Tân và huyện Bình Chánh, nhằm cải thiện hệ thống giao thông đô thị hiện đang quá tải và sẽ là con đường huyết mạch nối với các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long, tạo thành mối liên kết chặt chẽ các địa phương trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Dự án bao gồm các đoạn:

1) Đoạn đường từ quốc lộ 1A vượt Hương lộ 5, đường An Dương Vương, qua kênh Lò Gốm nối vào đường Trần Văn Kiểu, dài 4.550 km

2) Đoạn đường từ đầu đường Trần Văn Kiểu (ven kênh Tàu Hũ) đến đường Hàm Tử, nối với đường Bến Chương Dương (ven kênh Bến Nghé) đi tới cửa hầm Thủ Thiêm phía bờ quận 1, dài 8.825 km

3) Hầm Thủ Thiêm bắt đầu từ dưới cầu Calmette, vượt sông Sài Gòn sang Thủ Thiêm Hầm dài 1.490 m, bao gồm hầm dìm 370 m, hầm đào lấp 720m, đường dẫn hai đầu hầm 400 m;

4) Đoạn đường từ cửa hầm bên Thủ Thiêm theo tuyến T13 trong quy hoạch đến liên tỉnh lộ 25 tại Giồng Ông Tố, đi theo hướng liên tỉnh lộ 25 về ngã

ba Cát Lái tại xa lộ Hà Nội (quận 2), dài 7.025 km

Tiêu chuẩn thiết kế đường: cấp 1; vận tốc thiết kế 80km/h; Dự án có tổng mức đầu tư 660.660 nghìn USD tương đương 9.863 tỷ VND; Liên danh Obayashi Corporation - PS Mitsubishi trúng thầu thi công

Hình 1.4 Bản đồ tuyến Đại lộ Đông Tây

Vĩ thép ĐKT ĐƯỢC ĐẦM NÉN TỐT

Hình 1.5 Mặt cắt điển hình của hạng mục đường tại khu vực cầu Nước Lên, Cầu Kênh 1, Cầu Kênh 2, Cầu Cá Trê Nhỏ

được gia cố bằng bằng cọc đất trộn xi măng

Cọc đất XMD=600; S=1mBấc thấm D=400, L=20m, S= 1.8m

Đá cấp phối tốt Vải ĐKT

Thi công Cọc đất XM; đặt Vải ĐKT;

Trải lớp đá cấp phối tốt

Thi công lớp đất đắp và lớp gia tải

Vải ĐKT Các túi cát

L (thay đổi)

L (thay đổi)

Dỡ lớp đất gia tải, xây tường chắn và đầm chặt nền đường

Đầm lăn

Hoàn thiện nền đường

Cào bỏ lớp mặt đường cũ

Hình 1.7 Qui trình thi cơng điển hình của cơng trình đường gia cố bằng

cọc đất trộn xi măng

Hình 1.8 Máy thi cọc đất trộn xi măng tại khu vực Kênh 1 và Kênh 2

Hình 1.9 Khoan lõi thí nghiệm cho cọc đất XM thử tại khu vực Cầu Rạch Cây

1.7.2 Công trình: Hầm Thủ Thiêm – Dự án đường chui trên đường Nguyễn Hữu Cảnh, thuộc dự án Đại lộ Đông Tây [2]

A./ Tổng quan về công trình

Vị trí công trình: từ KM+171.93 đến KM+631.93, với tổng chiều dài ước tính

là 460m.Tổng kinh phí dự toán: 49.7 tỷ đồng

Cọc đất trộn xi măng được sử dụng để gia cố nền đất yếu bên dưới đáy hố

được kết hợp vời cọc khoan nhồi Chiều rộng toàn bộ là 19m

theo mẫu hình trụ d=5cm, h=10cm

B./ Nội dung phương án thi công

thiết kế khác nhau phụ thuộc vào cao độ bệ móng từng khối hầm dẫn

đảm bảo các cọc đất trộn xi măng được dùng để gia cố đoạn hầm đó phải

hầm chính à hoàn thiện hầm

Hình 1.10 Thi công đào đất tại đốt hầm H1 ¸ H3, sau khi cọc đất trộn xi

măng đã đạt cường độ cho phép

1.7.3 Công trình: Đường vào cầu Khánh Hội – Dự án trọng điểm của Thành phố Hồ Chí Minh

Hình 1.11 Toàn cảnh khu vực gia cố cọc đất trộn xi măng – phần đường

vào cầu Khánh Hội – Phía Quận 1

Hình 1.12 Kiểm tra kích thước và khoảng cách của cọc đất XM

Vải ĐKT

VÙNG GIỮAVÙNG

CHỊU CẮT

VÙNG CHỊU CẮT

8000 Tường chắn BTCT

Đá cấp phối tốt,dày 500mm

Hình 1.13 Mặt cắt điển hình của hạng mục đường khu khu vực Cầu Khánh Hội

1.8 TRÌNH TỰ TRỘN CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG (DSMC) ĐỂ GIA

CỐ NỀN ĐẤT YẾU TẠI DỰ ÁN ĐẠI LỘ ĐƠNG TÂY [3]

Bước 1: Cấp xi măng và nước vào theo tỷ lệ (ở cơng trình này tỷ lệ 1kg ximăng/

0,5 lít nước, dự kiến khoảng 65kg XM cho 1 mét dài cọc D600) à Trộn đều

Bước 2: Hỗn hợp XM và Nước được chuyển qua máy bơm có hệ thống điều khiển

và đồng hồ đo thể tích Điều kiển van để khống chế hỗn hợp chạy qua

Ống đưa hỗn hợp

vào

Van điện tử đo thể tích hỗn hợp chạy qua

Ống đưa hỗn hợp

ra

Đồng hồ điện tử kết nối với van để kiểm soát thể tích hỗn hợp trên từng mét dài

Bước 3: Hỗn hợp theo đường ống ra cần khoan

nhờ máy bơm xilanh

Chương 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG

2.1 TÍNH TOÁN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG [1]

Phương pháp truyền thống xem mô hình cọc đất trộn xi măng và đất nền xung

quanh như là một thể thống nhất Giả thiết quan trọng nhất của mô hình này là

khi chịu tải, chuyển vị thẳng đứng của cọc đất trộn xi măng và đất nền xung quanh là bằng nhau Vì thế, khi độ cứng của cọc đất trộn xi măng lớn hơn rất

nhiều so với độ cứng của đất nền xung quanh, nên sẽ xuất hiện sự tập trung ứng suất khá lớn ở đầu cọc và sự giảm ứng suất ở khu vực đất nền xung quanh Từ đó, xuất hiện hệ số cơ bản nhất của mô hình: hệ số tập trung ứng suất

col soil

s

Với: n: hệ số tập trung ứng suất

Giá trị của hệ số tập trung ứng suất phụ thuộc vào mối tương quan về độ cứng giữa cọc đất trộn xi măng và đất yếu xung quanh, thường có giá trị từ 2 ¸ 9

Khi xét đến các kích thước thiết kế của cọc đất trộn xi măng, các tác giả thường sử dụng đại lượng tỷ diện tích thay thế, được định nghĩa là tỷ số giữa diện tích mặt cắt ngang của cọc và diện tích mặt cắt ngang của cả đơn nguyên