NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG XĂNG/ETHANOL - BUTANOL LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng ngẫu nhiên của các tính chất cơ lý của đất và thông số của cọc XMĐ đến độ tin cậy trong đánh giá ổn định nền đường đắp trên nền đất yếu gia cố bằng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN LÊ HOÀNG PHƯƠNG

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH XÁC SUẤT PHÂN TÍCH

ĐỘ TIN CẬY TRONG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU XỬ LÝ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG THUỘC DỰ ÁN CẦU PHONG CHÂU,

KHU PHÍA TÂY TP NHA TRANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: 8580202

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN TRUNG VIỆT

Đà Nẵng, Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận văn

TRẦN LÊ HOÀNG PHƯƠNG

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết lựa chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng nghiên cứu 3

4 Phạm vi nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐẤT XI MĂNG VÀ QUÁ TRÌNH

NGẪU NHIÊN 5

1.1 Mở đầu 5

1.2 Khái niệm và phân loại đất yếu 5

1.2.1 Khái niệm đất yếu 5

1.2.2 Một số đặc điểm của đất yếu 6

1.2.3 Địa chất phổ biến tại khu vực phía Tây Nha Trang 6

1.3 Tổng quan về CĐXM 7

1.3.1 Khái niệm và phân loại 7

1.3.2 Các ứng dụng cọc đất ximăng 8

1.3.2.1 Xây dựng các tường chống thấm 8

1.3.2.2 Ổn định và chống đỡ thành hố móng 8

1.3.2.3 Gia cố nền đất yếu 9

1.3.2.4 Giảm nhẹ và ngăn chặn sự hóa lỏng (cát chảy) 9

1.3.2.5 Làm các tường trọng lực, gia cố cọc 9

1.3.3 Công nghệ thi công cọc ximăng 9

1.3.3.1 Đặc điểm công nghệ 9

1.3.3.2 Phương pháp trộn khô 10

1.3.3.3 Phương pháp trộn ướt 10

1.3.3.4 Bố trí CĐXM 11

1.3.3.5 Những tồn tại trong quá trình tính toán thiết kế CĐXM và kiến nghị hướng giải quyết 12

1.3.4 Kết luận 12

1.4 Phương pháp tính toán hệ CĐXM gia cố nền đất yếu 13

1.4.1 Phương pháp tính toán theo các tiêu chuẩn 13

1.4.1.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm CĐXM làm việc như cọc cứng 13

1.4.1.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm làm việc như nền tương đương 14

1.4.1.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm của Viện công nghệ Châu Á(AIT): 15

1.4.1.4 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu 18

1.4.1.5 Phương pháp tính toán trong các hồ sơ thiết kế ở Việt Nam 19

1.4.2 Nhóm các phương pháp tính theo phương pháp phần tử hữu hạn 21

1.4.3 Kết luận 22

1.5 Nguồn ngẫu nhiên và mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên 23

1.5.1 Nguồn ngẫu nhiên 23

1.5.1.1 Vật liệu không đồng nhất 24

1.5.1.2 Do đo đạc, thí nghiệm 24

1.5.1.3 Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên 25

1.5.1.4 Do mô hình tính 25

1.5.2 Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên 25

1.5.2.1 Mô phỏng xác suất 26

1.5.2.2 Một số phân bố xác suất thông dụng 26

1.5.3 Sự thay đổi ngẫu nhiên các tính chất cơ lý của đất 28

1.5.3.1 Đặc trưng dung trọng và độ ẩm 29

1.5.3.2 Các đặc trưng về tính dẻo 29

1.5.3.3 Các đặc trưng về cường độ 31

1.5.3.4 Các đặc trưng về cố kết và thấm 32

1.5.3.5 Nhận xét 32

1.5.4 Kết luận 33

1.6 Lý thuyết độ tin cậy 33

1.6.1 Xác suất phá hoại (pf) 33

1.6.2 Chỉ số độ tin cậy (β) 34

1.6.3 Nhận xét: 36

1.7 Ảnh hưởng của yếu tố ngẫu nhiên đến sự ổn định công trình địa kỹ thuật 36

1.8 Kết luận 38

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU XỬ LÝ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 40

2.1 Mở đầu 40

2.2 Xây dựng mô hình tính toán nền đường đắp trên nền đất yếu gia cố CĐXM với phần mềm PlaxisV8.2 41

2.3.1 Lựa chọn các thông số đầu vào của phần mềm PlaxisV8.2 sử dụng cho đề tài 41 2.3.3 Phân tích ổn định nền đường đắp trên nền đất yếu gia cố CĐXM 47

2.3.4 Nhận xét: 48

2.4 Tính toán ổn định nền đường đắp trên nền đất yếu gia cố CĐXM theo lý thuyết độ tin cậy 48

2.4.1 Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên tính chất cơ lý của đất 48

2.4.2 Mô phỏng Monte –Carlo 49

2.4.3 Xác suất phá hoại và độ tin cậy 50

2.4.3.1 Xác suất phá hoại pf 50

2.4.3.2 Chỉ số độ tin cậy ( ) 51

2.4.3.3 Nhận xét 52

2.5 Phân tích độ tin cậy trong đánh giá ổn định nền đường 52

2.5.1 Sơ đồ và thông số tính toán 52

2.5.2 Mô hình hóa tính chất cơ lý của đất bằng mô phỏng Monte-Carlo 53

2.5.3 Phân tích độ tin cậy 54

2.5.4 Kết quả mô phỏng số 55

2.5.5 Nhận xét 57

2.6 Phân tích ảnh hưởng của tỷ số COV 57

2.6.1 Ảnh hưởng của COV đến độ lún SC 57

2.6.2 Kết luận 58

2.7 Kết luận 59

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG PHÂN TÍCH ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT XI MĂNG TRONG XỬ LÝ LÚN CHO NỀN ĐƯỜNG ĐẮP ĐẦU CẦU THUỘC DỰ ÁN CẦU PHONG CHÂU, KHU PHÍA TÂY TP NHA TRANG 60

3.1 Mở đầu 60

3.2 Sơ lược vị trí công trình; địa chất tại khu vực áp dụng; mặt cắt tính toán: 60

3.2.1 Sơ lược vị trí công trình: 60

3.2.2 Địa chất tại khu vực thực hiện: 60

3.2.3 Mặt cắt ngang đại diện tính toán: 61

3.3 Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên 62

3.4 Áp dụng mô hình ứng xử « Response Surface » xây dựng mô hình phân tích độ tin cậy khi xét đến ảnh hưởng tổng hợp của nhiều yếu tố ngẫu nhiên 64

3.4.1 Mô hình ứng xử «ResponseSurface» 64

3.4.2 Xây dựng mô hình đánh giá ổn định nền đường khi xét đến ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên 65

3.4.3 Đánh giá mô hình 68

3.4.4 Phân tích tổng hợp các yếu tố ngẫu nhiên của đất đối với độ lún SC 68

3.4.4.1 Phân tích ổn định cho nền đường đối với bài toán tĩnh 69

3.4.4.2 Phân tích tổng hợp các yếu tố ngẫu nhiên của đất đối với độ lún SC 70

3.4.5 Kết luận 71

3.5 Phân tích ảnh hưởng các thông số hình học của CĐXM 71

3.5.1 Ảnh hưởng của chiều dài cọc và khoảng cách cọc đến độ tin cậy trong phân tích lún nền đường đắp 72

3.5.2 Ảnh hưởng của đường kính cọc và khoảng cách cọc đến độ tin cậy phân tích lún nền đường đắp 74

3.5.3 Ảnh hưởng của chiều dài cọc và đường kính cọc đến độ tin cậy phân tích lún nền đường đắp 75

3.5.4 Kết luận 76

3.6 Kết luận 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XET CỦA CÁC PHẢN BIỆN

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH XÁC SUẤT PHÂN TÍCH ĐỘ TIN CẬY TRONG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU XỬ LÝ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG THUỘC DỰ ÁN CẦU PHONG

CHÂU, KHU PHÍA TÂY TP NHA TRANG

Học viên: Trần Lê Hoàng Phương Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình

giao thông

Mã số: 85.80.20.5 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Tóm tắt:Việc xử lý nền đất yếu hiện đang được quan tâm khắp nơi trên thế

giới, đã có nhiều biện pháp để xử lý, trong đó biện pháp cọc đất xi măng đã được sử dung phổ biến Tuy nhiên, việc tính toán hiện nay vẫn chỉ là sử dụng giá trị tĩnh để phân tích, điều này chưa phản ảnh hết khả năng làm việc của công trình thực tế Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng ngẫu nhiên của các tính chất cơ lý của đất và thông

số của cọc XMĐ đến độ tin cậy trong đánh giá ổn định nền đường đắp trên nền đất yếu gia cố bằng CĐXM là rất quan trọng Từ đó chỉ ra, việc chỉ sử dụng giá trị tĩnh (cố định) để tính toán hiện nay chưa mô tả hết trạng thái làm việc thực tế của công trình, tăng tỷ lệ rủi ro khi đưa công trình vào khai thác hoặc là sẽ làm giá thành quá cao Kết quả phân tích bằng mô hình độ tin cậy cho phép nhà thiết kế nhận biết được yếu tố nào ảnh hưởng nhiều hay ít đến mức độ an toàn của công trình, từ đó có thể lựa chọn giải pháp hợp lý Dựa trên lý thuyết độ tin cậy, mô hình ứng xử « Response Surface » được

sử dụng để xây dựng mô hình đánh giá độ ổn định Kết quả phân tích được tự động hóa tính toán, từ đó giúp các nhà thiết kế nhanh chóng có độc kết quả Và bài toán cũng chỉ ra được rằng ngưỡng thay đổi cho phép của COV là 10% thì kết quả đánh giá

độ tin cậy không thay đổi nhiều Đề tài đã phân tích được các tương quan giữa các đại lượng kích thước CĐXM{L, D, S} với độ lún SC để giúp các nhà thiết kế, thi công có thể nhanh chóng xác định kích thước CĐXM phù hợp

Từ khóa: Cọc đất xi măng, độ lún, độ ổn định; phân tích độ tin cậy; mô hình

Response Surface; Mô hình xác suất phân tích độ tin cậy

APPLICATION OF DETERMINATION MODEL OF RELIABILITY ANALYSIS IN STABILITY STABILIZATION OF DAMAGED

LANDSCAPE ON LAND OF WASTEWATER BY LAND OF PHU CHAU

DRAINAGE PROJECT, NHA TRANG

Abstract:Soil remediation is currently being practiced all over the world There

are many measures to be taken, including the use of cement soils However, the

current calculation is still using static values for analysis, which has not yet fully reflected the workability of the actual works The thesis focused on the random effects

of soil mechanical properties and parameters of XEM piles on the reliability of assessment of road embankment stabilization on the ground reinforced by the New Developments Center is very important From that point, the use of static (fixed) value for the current calculation does not describe the actual working status of the work, increase the risk of putting the project into operation or will Cost too high The results

of the analysis by the reliability model allow the designer to identify which factors affect the safety of the work, so that a reasonable solution can be selected Based on reliability theory, the "Response Surface" response model is used to build a stability model The results of the analysis are automated calculations, thereby helping designers quickly poison the results And the problem also shows that the permissible change in COV is 10%, the reliability score does not change much The research has analyzed the correlations between the size of the construction of the building {L, D, S} with SC settlement to help designers, construction can quickly determine the size of the building

Keywords: Cement soil, settlement, stability; reliability analysis; Surface

Response model; Probability model for reliability analysis

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 COV của độ ẩm, dung trọng riêng của đất [1] 29

Bảng 1.2 COV cho tính dẻo của đất 30

Bảng 1.3 COV cho các tính chất cơ lý của đất 30

Bảng 1.4 COV cho các đại lượng về cường độ của đất 31

Bảng 1.5 COV cho quá trình cố kết và thấm của đất 32

Bảng 1.6 Các thông số đặc trưng của R và Q 34

Bảng 1.7 Các giá trị cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam & Eurocode 37

Bảng 1.8 Kết quả tính toán ổn định cống theo 3 phương pháp 37

Bảng 2.1 Số liệu địa chất được lấy từ đường số 4 thuộc đường đầu cầu Phong Châu khu phía tây Nha Trang 46

Bảng 2.2 Số liệu phân tích độ tin cậy 52

Bảng 3.1 Luật phân bố và các thông số đặc trưng của đại lượng ngẫu nhiên 62

Bảng 3.2 Bảng giá trị β trong pt 3.9 đối với độ lún SC 67

Bảng 3.3 Thông số phân tích ảnh hưởng của tổng hợp các yếu tố ngẫu nhiên 69

Bảng 3.4 Số liệu đầu vào cho bài toán tĩnh của dự án 69

Bảng 3.5 Thông số tính toán ảnh hưởng hình học của CĐXM đến độ tin cậy 71

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 - Sơ đồ bố trí CĐXM : Tam giác (a), Dăy (b), Ô vuông (c) 8

Hình 1.2 Mô tả phương pháp thi công CĐXM 10

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc cánh trộn phương pháp DJM theo công nghệ Nhật Bản 10

Hình 1.4 Mô tả phương pháp trộn ướt (WJM) 11

Hình 1.5 Giải pháp cọc chống hoặc cọc treo 11

Hình 1.6 Sơ đồ quy đổi nền tương đương 14

Hình 1.7 Mô hình biến dạng phẳng theo mô hình nền tương đương 15

Hình 1.8 Phân tích lún khi gia cố bằng CĐXM 16

Hình 1.9 Sơ đồ bố trí cọc CĐXM 17

Hình 1.10 Nguồn ngẫu nhiên của tính chất cơ lý đất nền 23

Hình 1.11 Nguồn ngẫu nhiên của tính chất cơ lý đất nền trong tính toán phân tích độ tin cậy công trình địa kỹ thuật 24

Hình 1.12 Hàm phân phối tích lũy và hàm mật độ xác suất của phân phối Normal 27

Hình 1.13 Hàm phân phối tích lũy và hàm mật độ xác suất của phân phối Log-Normal 28

Hình 1.14 Sự thay đổi ngẫu nhiên tính chất cơ lý của đất do đất không đồng nhất 28

Hình 1.15 Sơ đồ xác định xác suất phá hoại pf 34

Hình 1.16 Tương quan giữa β và pf 35

Hình 1.17 Biểu đồ tương quan giữa β và pf 35

Hình 1.18 Ảnh hưởng của COV đến hệ số an toàn của taluy đắp 36

Hình 1.19 Effet de la variabilité spatiale sur l’indice de fiabilité d’un tuyau enterré 37

Hình 2.1 Bảng tham số cho mô hình tuyến tính đàn hồi 43

Hình 2.2 Các mặt chảy Mohr-coulomb trong không gian ứng suất chính (c=0) 44

Hình 2.3 Mô hình lưới FEM và nút biên cho bài toán phân tích ổn định 45

Hình 2.4 Mặt cắt địa chất 46

Hình 2.5 Mô hình cắm cọc khi được gia cố 47

Hình 2.6 Xác định độ lún của nền đường khi có gia cố CĐXM (SC=3,72cm) 47

Hình 2.7 Xác định hệ số ổn định của nền đường khi có gia cố CĐXM (MFS=63.4)

48

Hình 2.8 Mô phỏng Monte-Carlo đại lượng ngẫu nhiên từ 20 mẫu đo 50

Hình 2.9 Nguyên tắc hoạt động của lý thuyết Monte Carlo 50

Hình 2.10 Xác định pfcho độ lún SC và hệ số an toàn FS 51

Hình 2.11a Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên đất đắp {γđ, cđ, φđ} bởi MCM 53

Hình 2.11b Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên đất yếu {γy, cy, φy, Hy } bởi MCM 54

Hình 2.11c Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên CĐXM {Ec} bởi MCM 54

Hình 2.12 Sơ đồ phân tích độ tin cậy trong tính toán ổn định nền đường 55

Hình 2.13 Độ tin cậy trong tính toán hệ số ổn định MFS 55

Hình 2.14 Độ tin cậy trong tính toán độ lún SC 56

Hình 2.15 Vùng lún tính toán theo bài toán tĩnh 57

Hình 2.16 Ảnh hưởng của COV đến độ lún SC 58

Hình 3.1 Mô phỏng các đại lượng ngẫu nhiên bởi MCM {γđ,γy,Cđ,Cy, φđ,φy, Hy, Ec} 64

Hình 3.2 Mô hình phân tích, dự báo độ tin cậy bằng mô hình RS 66

Hình 3.3 Mô hình RS tương quan giữa SC và {L, D, S, γđ, γy, cđ, cy, φđ, φy, Hy, Ec} 67

Hình 3.4 So sánh kết quả giữa mô hình đề xuất và mô hình số(PP PTHH) của độ lún SC 68

Hình 3.5 Mô hình tính phân tích tổng hợp các yếu tố ngẫu nhiên của đất 68

Hình 3.6 Độ lún nền đường khi gia cố CĐMX (SC=0.011m) 70

Hình 3.7 Phân tích độ tin cậy trongđánh giá độ lún SC cho dự án đường Phong Châu 71

Hình 3.8 Mô hình tính phân tích ảnh hưởng của thông số hình học CĐXM đến độ tin cậy 72

Hình 3.9 Phân tích ảnh hưởng chiều dài cọc L và khoảng cách cọc S đến Pf[SC>25cm] (L=7m, S=2m, D=0.6-1m) 73

Hình 3.10 Phân tích ảnh hưởng chiều dài cọc L và khoảng cách cọc S đến Pf[SC>25cm] 73

Hình 3.11 Phân tích ảnh hưởng đường kính cọc D và khoảng cách cọc S đến

Pf[SC>25cm] (L=7-9m, S=2m, D=0.6m) 74Hình 3.12 Phân tích ảnh hưởng đường kính cọc D và khoảng cách cọc S đến

Pf[SC>25cm] 75Hình 3.13 Phân tích ảnh hưởng đường kính cọc Dvà chiều dài cọc Lđến

Pf[SC>25cm] (L=7m, S=1.6-2m, D=0.6m) 76Hình 3.14 Phân tích ảnh hưởng đường kính cọc Dvà chiều dài cọc L đến

Pf[SC>25cm] 76

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết lựa chọn đề tài

Cùng với nhu cầu phát triển đến năm 2020, Việt Nam trở thành nước công nghiệp, cơ sở hạ tầng đặc biệt là hạ tầng giao thông đang được đầu tư xây dựng với quy mô lớn Khi mà nhu cầu xây dựng tăng nhanh thì nhiều công trình sẽ đặt trên các điều kiện địa chất không phù hợp ngày càng nhiều, đặc biệt là trên khu vực nền đất yếu (vd: khu vực đồng bằng Sông Cửu Long)

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ các khu đô thị mới tại thành phố Nha Trang, đa số các khu đô thị mới phát triển về phía Tây thành phố như các khu đô thị:

Lê Hồng Phong I, II; Khu đô thị VCN Phước Hải; Khu đô thị Mỹ Gia; Khu đô thị VCN Phước Long; Khu đô thị Hòn Một đa số các khu đô thị trên nằm tại các vị trí có tầng địa chất rất yếu (qua khảo sát đại chất nơi này có lớp bùn chảy với chiều dày từ 4,6 đến 20m) Việc kết nối các khu đô thị trên bằng các tuyến đường và cầu như: Đường số 4; Đường, Cầu Cao Bá Quát-Cầu Lùng; Cầu Phong Châu (thuộc đường số 4) các công trình trên đều chạy qua lớp địa chất yếu trên

Để đảm bảo nền được ổn định, đã có nhiều biện pháp cải tạo và gia cố nền đất yếu được áp dụng rộng rãi khắp nơi trên thế giới gồm: bấc thấm với bơm hút chân không (VCM) và gia tải trước, bấc thấm (PVD) với gia tải trước, cọc cát (SD) với gia tải trước, cọc xi măng-đất (CDM) được sử dụng khá phổ biến trong nhiều năm qua và trở nên thực tiễn trong việc lựa chọn phương pháp thiết kế trong cải tạo nền

Cọc đất xi măng là một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu với khả năng ứng dụng tương đối rộng rãi, đặc biệt là trong điều kiện đất yếu quá dày, mực nước ngầm cao hoặc nền ngập nước và hiện trường thi công chật hẹp 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, ổn định tường chắn, chống trượt đất cho mái dốc, gia cố nền đường, mố cầu dẫn , cũng như ngăn ngừa hiện tượng hóa lỏng của đất và cải tạo các vùng đất nhiễm độc với ưu điểm thi công nhanh, kỹ thuật thi công không phức tạp, độ tin cậy cao Tiết kiệm thời gian thi công đến hơn 50% do không phải chờ đúc cọc và đạt đủ cường độ Tốc độ thi công cọc rất nhanh Hiệu quả kinh tế cao Giá thành hạ hơn nhiều so với phương án cọc đóng, đặc biệt trong tình hình giá vật liệu leo thang như hiện nay

Theo thực tế hiện nay, thành phố Nha Trang cũng đã thực hiện xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng trên tuyến đường số 4 từ cọc QT8 đến cọc QT58 với chiều dài tuyến khoảng 3500m với đường kính cọc D800mm và chiều dài cọc đất 4m, xếp theo hình hoa mai khoảng cách cọc 2m

Việc đánh giá và xử lý gia cố nền đất yếu của nền đất cũng như công trình xây dựng có vai trò đặc biệt quan trọng Trong đó bài toán đánh giá ổn định của nền đắp được quan tâm rất nhiều, nó ảnh thưởng trực tiếp đến tính an toàn và khả năng sử dụng, khai thác của các công trình xây dựng Tuy nhiên, việc đánh giá ổn định nền đắp bằng biện pháp gia cố là bài toán khá phức tạp đối với các nhà thiết kế, thi công hiện nay

Và để tính toán, hiện nay có nhiều quan niệm khác nhau: xem khối đất-cọc làm việc cùng nhau như một khối thống nhất (TCVN 9403-2012; BS 8006,2016), hay quan niệm cọc làm việc đơn lẽ, hoặc nhóm cọc (CDIT-2002, Japan; CT97-0351-EU-97, Euros; AIT; ) hay phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng rất nhiều trong tính toán (Amit and Deb, 2014; Elshazly et al., 2008; Deb, 2008) Trong các lý thuyết tính toán này, việc xác định chính xác nhất các tính chất cơ lý của nền đất có ý nghĩa rất lớn trong việc đánh giá độ ổn định của công trình Các giá trị này được xác định thông qua việc thí nghiệm tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm và xem đó

là giá trị dặc trưng cho đất nền Trong các lý thuyết tính toán sử dụng trong các quy trình, tiêu chuẩn trên đều dựa trên quan niệm đất nền là đồng nhất: các tính chất cơ lý

là không đổi theo không gian và thời gian, các tính chất cơ lý của cọc đất xi măng là không đổi

Trong thực tế khai thác, các tính chất cơ lý của đất, vật liệu, thay đổi rất nhiều so với giái trị thiết kế ban đầu và đã được chỉ ra trong các thí nghiệm với các loại đất khác nhau [5;6] Kết quả thí nghiệm đã chỉ ra sự thay đổi này có thể từ 10-50% [2] Và như vậy, các bài toán thông thường sử dụng để tính toán ổn định hiện nay không cho ra kết quả chính xác trong trường hợp này: đây là một trong những nguyên nhân dẫn đến các công trình vẫn mất ổn định khi đưa vào sử dụng

Để giải quyết vấn đề này, khái niệm độ tin cậy trong công trình địa kỹ thuật được Vanmarck (1977) đề xuất sử dụng Lúc này mức độ an toàn của công trình được đánh giá thông qua chỉ số độ tin cậy dưới ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên Việc vận dụng lý thuyết độ tin cậy trong các công trình địa kỹ thuật được nghiên cứu rất nhiều [7;8;9;10; ] và đã chỉ ra sự ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố ngẫu nhiên đến mức độ an toàn của công trình Hay khi xét đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố tổng hợp thì mô hình « Response Surface » được sử dụng khá phổ biến Tuy nhiên, việc phân tích độ tin cậy với bài toán xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng đặc biệt xét đến sự thay đổi cường độ bản thân của cọc đất xi măng (C, φ, qu, Eđh) vẫn chưa được xem xét cụ thể

Từ những phân tích trên, việc tập trung nghiên cứu ứng dụng mô hình xác suất phân tích độ tin cậy trong tính toán ổn định nền đường đắp trên nền đất yếu xử lý bằng cọc đất xi măng là hết sức cần thiết, đặc biệt xét đến sự thay đổi các tính chất cơ lý của

bản thân hệ cọc đất xi măng Nghiên cứu này đồng thời tạo tiền đề cơ sở để xử lý nền đất yếu khu phía Tây thành phố Nha Trang

2 Mục tiêu nghiên cứu

a Mục tiêu tổng quát: Phân tích ảnh hưởng các tính chất cơ lý của đất nền và chỉ tiêu cơ học của cọc đất xi măng đến độ tin cậy trong tính toán ổn định nền đường đắp trên nền đất yếu gia cố cọc đất xi măng

- Xây dựng mối tương quan giữa các yếu tố ngẫu nhiên đến độ tin cậy trong

phân tích ổn định nền đường đắp: tính chất cơ lý của đất nền và đất đắp (dung trọng,

lực dính, góc ma sát), chiều dày lớp đất yếu và cọc đất xi măng (C, φ, qu, Eđh) cùng với kích thước cọc, chiều dài cọc và khoảng cách bố trí cọc

- Áp dụng phân tích và đề xuất kích thước cọc, chiều dài cọc và khoảng cách cọc hợp lý đảm bảo độ tin cậy trong phân tích ổn định và lún của nền đất cho khu vực phía tây TP Nha Trang

3 Đối tượng nghiên cứu

Phân tích ảnh hưởng của các tính chất cơ lý của đất nền, đất đắp và cọc đất xi măng đến ổn định của nền đường đắp có xét đến ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên theo mô hình xác suất phân tích độ tin cậy

4 Phạm vi nghiên cứu

- Phân tích ảnh hưởng của các tính chất cơ lý của đất nền và đất đắp (dung

trọng, lực dính, góc ma sát) và cọc đất xi măng (C, φ, qu, Eđh) cùng với kích thước cọc, khoảng cách bố trí cọc đến ổn định của nền đường đắp

- Chiều sâu nền đất yếu từ 7- 9m

- Phân tích bài toán ổn định nền đắp và độ lún của nền đường

5 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thiện đề tài, chúng tôi kết hợp việc phân tích lý thuyết với các mô hình tính toán để xây dựng lên các mối tương quan Đồng thời kết hợp với kết quả quan trắc hiện trường đề đánh giá và đề xuất giải pháp cho khu vực phía Tây TP Nha Trang

6 Bố cục đề tài

Luận văn được thực hiện trong 84 trang A4, gồm Phần mở đầu, phần Kết luận

và Kiến nghị cùng 3 chương:

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐẤT XI MĂNG VÀ QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN

Chương 2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU XỬ LÝ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY

Chương 3 ÁP DỤNG PHÂN TÍCH ĐÊ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT XI MĂNG TRONG XỬ LÝ LÚN CHO NỀN ĐƯỜNG ĐẮP ĐẦU CẦU THUỘC DỰ ÁN CẦU PHONG CHÂU, KHU PHÍA TÂY THÀNH PHỐ NHA TRANG

Kết luận và kiến nghị

1 Những kết quả đạt được của luận văn

2 Những đóng góp mới của luận văn:

3 Kiến nghị:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐẤT XI MĂNG VÀ QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN

1.1 Mở đầu

Xác định sức chịu tải cũng như hệ số an toàn của công trình xây dựng là bài toán cơ bản và cũng là quan trọng nhất trong ngành xây dựng Các lý thuyết tính toán,

mô hình hóa sự làm việc giữa công trình và đất nền đã được phát triển từ những năm

20 của thế kỷ XX Trong số đó, bài toán gia cố nền đất yếu đã được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu.Các nghiên cứu đã chỉ ra vai trò, cũng như ảnh hưởng rất lớn của các tính chất cơ lý của đất nền đến sức chịu tải của nền đất yếu cũng như độ ổn định của công trình trên nó

Trong các nghiên cứu thực nghiệm sau này đã phát hiện ra một vấn đề mới, đó là: các tính chất cơ lý của đất nền thay đổi rất ngẫu nhiên theo không gian và thời gian Việc này dẫn đến, các lý thuyết tính toán cơ học cổ điển không còn chính xác Từ đó

lý thuyết độ tin cậy ra đời và được sử dụng để đánh giá tình trạng của công trình dưới ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên này

Trong chương này, chúng tôi tập trung tổng hợp, giới thiệu nguyên lý chung cũng như một số giải pháp gia cố nền đất yếu cũng như các quá trình ngẫu nhiên trong công trình địa kỹ thuật Ở phần đầu, các giải pháp gia cố đất yếu được giới thiệu, tiếp

đó sẽ tập trung giới thiệu về giải pháp cọc Cát-Xi măng Phần thứ 2, chúng tôi giới thiệu các nguồn ngẫu nhiên trong công trình địa kỹ thuật, và lý thuyết xác suất được trình bày để mô phỏng quá trình ngẫu nhiên trên Phần cuối cùng, chúng tôi giới thiệu những ưu điểm khi xét đến quá trình ngẫu nhiên trong tính toán công trình địa kỹ thuật

1.2 Khái niệm và phân loại đất yếu

Trong công tác xây dựng nói chung và xây dựng công trình giao thông nói riêng, việc xác định rõ loại đất yếu có vai trò cực kỳ quan trọng: nó quyết định đến tuổi thọ cũng như mức độ an toàn của công trình Ngoài ra việc xác định không đúng loại đất yếu sẽ dẫn đến chi phí xây dựng tăng vọt trong quá trình thi công do phải tốn chi phí xử lý nền khi công trình đã thi công giang dỡ Hiện nay trên thế giới, có nhiều khung phân loại khác nhau cũng như các chỉ tiêu đánh giá không thống nhất Ở đây, đề tài chỉ tập trung giới thiệu khái niệm và phân loại theo các văn bảng pháp lý hiện hành

ở Việt Nam và có tham chiếu một số kết quả ở Châu Âu và Mỹ

1.2.1 Khái niệm đất yếu

Đất yếu là loại đất có sức chịu tải rất nhỏ, không đủ độ bền và biến dạng rất

lớn và loại đất này không được sử dụng trong các công trình xây dựng

Theo tiêu chuẩn ngành giao thông vận tải 22TCN 262-2000 và tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXD 245:2000, thì đất yếu được định nghĩa dựa trên các chỉ tiêu cơ lý- đất yếu là loại đất nếu ở trạng thái tự nhiên có các tính chất như sau:

Độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy (W ≥Wd)

Theo các nước trên thế giới (Âu và Mỹ), nền đất yếu được định nghĩa theo sức

kháng cắt không thoát nước Su, và trị số xuyên tiêu chuẩn N, như sau:

Đất rất yếu: Su ≤ 12.5 (KPa) và N ≤ 2

Đất yếu: 12.5 < Su ≤ 25 (KPa) và 2 < N ≤ 4

1.2.2 Một số đặc điểm của đất yếu

Trong xây công trình giao thông, đất yếu thường lẫn nhiều chất hữu cơ và có các đặc điểm như sau:

Sức chịu tải bé khoảng (0.5-1.0kg/cm2),

1.2.3 Địa chất phổ biến tại khu vực phía Tây Nha Trang

Theo tham khảo tài liệu khảo sát địa chất trong khu vực phía tây Nha Trang để phục vụ thiết kế, thi công các công trình tại các khu vực trên: dự án Khu dân cư Phước Long; Hà Quang; VCN; Cầu Phong Châu; Tuyến cống đường số 4 một số loại đất yếu thường gặp sau trong khu vực như sau:

Đất yếu: bao gồm các lớp sét pha trạng thái dẻo mềm-chảy; cát pha màu xám đen, trạng thái chảy; bùn sét, bùn sét pha màu xám đen; bùn cát pha màu xám tro, cát hạt thô màu xám đen, xốp; Cát pha màu xám trắng, chảy-dẻo chảy

+ Chiều dày lớp đất yếu: 7-9m;

1,2-Cát hạt thô màu nâu vàng, rất chặt Chiều dày lớn 7m

Đá Riolit màu xám xanh

Nước dưới đất: Mực nước ngầm ổn định có độ sâu từ 0,4-1,5m

1.3 Tổng quan về CĐXM

1.3.1 Khái niệm và phân loại

CĐXM (Deep Mixing Method: DMM ) là hỗn hợp giữa đất nguyên dạng nơi

cần gia cố và xi măng được phun xuống nền đất bởi thiết bị khoan phun Mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt đến độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược và dịch chuyển lên Trong quá trình dịch chuyển lên, xi măng được phun xuống nền đất bằng áp lực khí nén đối với hỗn hợp khô (dry mixing) hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt (wet mixing) Thực chất của phương pháp này là quá trình gia cố sâu nhằm cải thiện các đặc trưng cơ học của đất (tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún ) bằng cách trộn đất nền với xi măng để chúng tương tác với nhau, tạo ra sự trao đổi ion tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các hạt đất và lấp đầy các lỗ rỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học đất-xi măng

Có rất nhiều cách phân loại CĐXM như:

 Theo chủng loại chất gia cố, cách thức trộn: Phương pháp trộn khô, trộn ướt; phương pháp xoay phun và khoan xoay

 Theo bố trí mặt bằng cọc: Dạng cọc đơn, dạng hàng cọc liên tục gối chồng lên nhau, dạng khung, dạng khối các cọc

 Theo phạm vi ứng dụng trong thực tế: xây dựng các tường chống thấm, ổn định

và chống đỡ thành hố móng, gia cố nền đất yếu, giảm nhẹ và ngăn cản sự hóa lỏng (cát chảy), làm tường chắn, cô lập và ngăn chặn vùng bị ô nhiễm

 Theo công nghệ thi công: Chia thành khoan phụt truyền thống, khoan phụt kiểu

ép, khoan phụt thẩm thấu, khoan phụt cao áp Trong đó khoan phụt truyền thống là

sử dụng áp lực phụt để ép vữa xi măng lấp đầy các lỗ rỗng khe nứt, thường áp dụng trong khoan phụt đá, đất nứt nẻ thân đê, đập Khoan phụt kiểu ép là sử dụng vữa phụt

có áp lực để ép và chiếm chỗ đất Khoan phụt thẩm thấu là biện pháp ép vữa với áp lực nhỏ để vữa tự đi vào các lỗ rỗng Khoan phụt cao áp là sử dụng áp lực cao để ép vữa chiếm chỗ đất

 Theo phương pháp trộn: Chia thành công nghệ trộn khô (dry mixing) và công nghệ trộn ướt (etgrouting hay wetmixing)

Hình 1.1 - Sơ đồ bố trí CĐXM : Tam giác (a), Dăy (b), Ô vuông (c)

1.3.2 Các ứng dụng cọc đất ximăng

1.3.2.1 Xây dựng các tường chống thấm

Do tính thấm của CĐXM rất nhỏ (10-8-10-9m/s) tương ứng với cấp áp lực

100-2000 kPa ) nên để ngăn cản sự rò rỉ của nýớc ra bề mặt bên ngoài các công trình

nhý hồ thủy lợi, đập chắn nước người ta xây dựng tường chống thấm bằng các hàng

cọc hay panen gối chồng lên nhau qua các lớp ðất có tính thấm lớn (xuyên qua lõi

móng đập), ngăn cản nước thấm qua Giải pháp này được áp dụng cho các lớp đất rời

như cát, sỏi sạn có hệ số thấm lớn và cọc thường được đặt tựa trên tầng đá gốc Một

số công trình ứng dụng giải pháp này như đập tràn Cushuman Dam gần Hoodsport

(Mỹ), tường chống thấm được xây dựng bằng hệ CĐXM có chiềun dài 51-61m; tại đập Lockington (Mỹ) hơn 6200m cọc dài 6,5m cũng được xây dựng xuyên qua lớp đất

có tính thấm lớn; tại hồ Nagata đã xây dựng tường chống thấm bằng hệ CĐXM dài 10-65m dưới đáy thân đập để ngăn chặn nước biển xâm nhập vào hồ

1.3.2.2 Ổn định và chống đỡ thành hố móng

Phương pháp này tạo thành dạng tường chắn giữ ổn định thành vách và kiểm soát mực nước ngầm hố đào Nó có cấu tạo tương tự như tường chống thấm, ngoại trừ việc gia tăng độ bền, cường độ của đất sau gia cố

Giải pháp này được áp dụng trong việc chống đỡ thành hố móng tại các dự án

ở Mỹ như tòa nhà Marine Tower, đường cao tốc Cypress, dự án Islais Creek Sewerage, Lake Parkway-Milwaukee Riêng năm 1998 đã có hơn 20 dự án tại Mỹ có

sử dụng CĐXM dưới nhiều hình thức khác nhau để tăng cường ổn định thành hố

móng Tại Singapo, với dự án đường sắt Bugis người ta đã sử dụng CĐXM đường kính 1,0-1,2m dài 23m thi công xung quanh hố đào 22x23m sâu 18m tạo thành hệ thống tường chắn giữ ổn định hố móng và các công trình xây dựng xung quanh

1.3.2.3 Gia cố nền đất yếu

Sử dụng CĐXM làm tăng cường độ, giảm tính nén lún do đó làm tăng cường

độ ổn định của nền đất yếu, kiểm soát sự biến dạng của nền đất yếu và các công trình xây dựng Trên thế giới và Việt Nam đã có nhiều công trình xây dựng có sử dụng

CĐXM để xử lý nền móng Dự án đường cao tốc Tomei nối Tokyo và Nagoya ( Nhật

Bản) hơn 50.000m3 đất sét hữu cơ và than bùn được xử lý bằng CĐXM để xây dựng

nền đường đắp, móng cống, tường chắn

1.3.2.4 Giảm nhẹ và ngăn chặn sự hóa lỏng (cát chảy)

CĐXM được áp dụng để ngăn cản sự hóa lỏng, gia cường nền đất và làm giảm

áp lực nước lỗ rỗng Cọc được xây dựng theo dạng tường, khối, lưới để cô lập lớp đất yếu dưới móng công trình, hạ thấp mực nước ngầm, làm đất khô, ngăn cản sự hóa lỏng Dạng ô lưới được coi là có hiệu quả cao do có sự phân phối ứng suất trên cọc tốt hơn so với cọc đơn hay nhóm cọc có thể gây tập trung ứng suất làm phát sinh các mô men uốn gây phá hoại cọc

1.3.2.5 Làm các tường trọng lực, gia cố cọc

Ở nhiều nước trên thế giới CĐXM được ứng dụng rộng rãi như một hình thức gia cố nền móng với mục đích giảm độ lún nền đắp, tăng cường độ ổn định nền đắp, làm móng nhà, cầu đường

Ở Việt Nam CĐXM được sử dụng để cải tạo nền móng bồn chứa dầu Tổng kho xăng dầu Nhà Bè, kho xăng dầu Cần Thơ

1.3.3 Công nghệ thi công cọc ximăng

1.3.3.1 Đặc điểm công nghệ

CĐXM được tạo thành bằng phương pháp khoan trộn sâu DMM Dùng máy khoan và các dụng cụ chuyên dùng (cần khoan, mũi khoan ) khoan vào đất với đường kính và chiều sâu lỗ khoan theo thiết kế Đất trong quá trình khoan không được lấy lên khỏi lỗ khoan mà bị làm tơi xốp để trộn với chất gia cố là xi măng Thiết bị thi công CĐXM khá đơn giản: bao gồm một máy khoan với hệ thống lưỡi có đường kính thay đổi tuỳ thuộc theo đường kính cọc được thiết kế và các xi lô chứa xi măng có gắn máy bơm nén với áp lực lên tới 120 KPa Các máy khoan của một số nước như Thụy Điển và Trung Quốc có khả năng khoan sâu đạt đến 35m và tự động điều chỉnh định vị cần khoan luôn thẳng đứng Trong quá trình khoan lưỡi được thiết kế để trộn đất và xi măng, xi măng khô được phun định lượng liên tục và trộn đều tạo thành

những CĐXM đường kính theo thiết kế

Hình 1.2.Mô tả phương pháp thi công CĐXM

1.3.3.2 Phương pháp trộn khô

Phương pháp trộ khô DJM (Dry Jet Mixing) là quá trình phun trộn xi măng khô với đất có hoặc không có chất phụ gia Phương pháp này đã được áp dụng từ những thập niên 70 của thế kỷ XX ở các nước Bắc Âu và Nhật Bản Ngày nay đã được

áp dụng rộng rãi khắp trên thế giới

Ưu điểm của công nghệ trộn khô là các thiết bị thi công đơn giản, không gây ô nhiểm môi trường, hàm lượng xi măng sử dụng ít, quá trình kiểm soát chất lượng đơn giản Nhược điểm là không phù hợp với đất có lẫn tạp chất, cuội sỏi, không thi công được trong môi trường ngập nước và chiều sâu xử lý chỉ nằm trong phạm vi 20m trở lại

Hình 1.3.Sơ đồ cấu trúc cánh trộn phương pháp DJM theo công nghệ Nhật Bản

1.3.3.3 Phương pháp trộn ướt

Là quá trình bơm vữa xi măng trộn với đất có sử dụng hoặc không các chất phụ gia Đây có thể gọi là quá trình bê tông hóa đất, nhờ có các tia nước và vữa phun

ra với áp suất lớn mà các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xới tơi và trộn đều với đất tự nhiên tạo thành hỗn hợp đồng nhất xi măng-đất Công nghệ này bắt đầu được ứng dụng đầu tiên ở Nhật Bản, sau đó là ở các nước Đức, Mỹ, Úc và ngày nay cũng

đã phổ biến rộng khắp trên thế giới

Hình 1.4.Mô tả phương pháp trộn ướt (WJM)

 Ưu điểm của phương pháp trộn ướt thể hiện ở các điểm sau: thích hợp với mọi loại đất, có thể xử lý lớp đất yếu 1 cách cục bộ; chất lượng hỗn hợp xi măng-đất tốt hơn so với trường hợp trộn khô

 Nhược điểm là có yếu tố nước và vữa xi măng nên có thể gây ô nhiễm môi trường; ngoài ra do phải sử dụng tia nước, vữa có áp lực cao nên có thể phá hoại các cấu trúc của đất lân cận hoặc móng công trình đã xây dựng

1.3.3.4 Bố trí CĐXM

Tùy theo mục đích sử dụng có thể bố trí cọc theo các sơ đồ khác nhau Để giảm độ lún bố trí đều theo lưới tam giác hoặc lưới ô vuông; để làm tường chắn thường tổ chức thành dãy Trong đó sơ đồ lưới ô vuông được dùng nhiều nhất được dùng hầu hết cho các dự án xử lý đất yếu

Hình 1.5.Giải pháp cọc chống hoặc cọc treo

1.3.3.5 Những tồn tại trong quá trình tính toán thiết kế CĐXM và kiến nghị hướng giải quyết

Trên cơ sở phân tích về phương pháp tính toán thiết kế và xem xét hồ sơ thiết

kế của các công trình sử dụng hệ CĐXM để gia cố nền đất yếu đã thi công ở Việt Nam,ta thấy một số vấn đề như sau:

 Hiện nay ở nước ta đối với các dự án đã sử dụng hệ CĐXM chưa có một quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu CĐXM hoàn chỉnh Chưa có mô hình thống nhất

và hợp lý để tính toán thiết kế hệ CĐXM đặc biệt là giải quyết bài toán lún của hệ CĐXM sau gia cố cũng như chưa đề cập đến đặc điểm ứng xử cục bộ, trạng thái ứng suất, biến dạng của nền đất sau gia cố Bài toán lún theo thời gian chưa được xem xét, hoặc còn sơ sài, thiếu độ tin cậy

 Đa số các dự án lớn sử dụng hệ CĐXM đều sử dụng tỷ lệ khoảng cách xấp xỉ bằng 2-2,5 lần đường kính cọc Tuy nhiên lại chưa có một tính toán cụ thể nào để giải thích tại sao lại sử dụng số liệu này Và bên cạnh đó việc lựa chọn chiều dài CĐXM còn chưa hợp lý, ở một số dự án lựa chọn chiều dài CĐXM vượt qua chiều dày lớp đất yếu rất lớn gây lãng phí

 Hệ CĐXM có thể được bố trí theo sơ đồ cọc treo (cọc không xuyên suốt chiều dày lớp đất yếu) hoặc cọc chống (cọc xuyên suốt chiều dày lớp đất yếu) tùy theo đặc điểm địa chất của các lớp đất tốt phía dưới tầng đất yếu

1.3.4 Kết luận

Trên cơ sở phân tích về phương pháp tính toán thiết kế và xem xét một số hồ

sơ thiết kế của các công trình sử dụng hệ CĐXM để gia cố nền đất yếu đã thi công ở Việt Nam, đề tài đi đến một số nhận xét sau:

Hiện nay ở nước ta đối với các dự án đã sử dụng hệ CĐXM chưa có một quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu CĐXM hoàn chỉnh Chưa có mô hình thống nhất

và hợp lý để tính toán thiết kế hệ CĐXM đặc biệt là giải quyết bài toán lún của hệ CĐXM sau gia cố cũng như chưa đề cập đến đặc điểm ứng xử cục bộ, trạng thái ứng suất, biến dạng của nền đất sau gia cố Bài toán lún theo thời gian chưa được xem xét, hoặc còn sơ sài, thiếu độ tin cậy

Đa số các dự án lớn sử dụng hệ CĐXM đều sử dụng tỷ lệ khoảng cách xấp xỉ bằng 2-2,5 lần đường kính cọc Tuy nhiên lại chưa có một tính toán cụ thể nào để giải thích tại sao lại sử dụng số liệu này

Phương pháp nền tương đương là phương pháp áp dụng chủ yếu khi tính toán

hệ CĐXM Điều này có thể chấp nhận được trong các tính toán ổn định tổng thể của nền đất sau gia cố về lún và trượt Tuy nhiên khi cần phân tích trạng thái ứng suất-biến

dạng, các ứng xử phá hoại cục bộ của các vùng đất khác nhau của nền đất sau gia cố thì hầu như chưa có nội dung tính toán nào được đưa vào các hồ sơ tính toán, Điều này cần thiết phải lựa chọn một mô hình tính toán hợp lý để có thể xét đến được các yếu tố cục bộ, ứng suất biến dạng bên cạnh các tính toán ổn định tổng thể

Chưa xét đến ảnh hưởng của các tính chất cơ lý của đất nền đến sự làm việc của hệ cọc, cũng như độ ổn định của nền đường Và các nghiên cứu hiện nay chỉ tập

trung vào giá trị « tĩnh », trong khi đó tính chất của đất nền, nhất là đất yếu rất nhạy

cảm với các điều kiện khác nhau

Việc phân tích độ ổn định của nền đường đắp trên nền đất yếu gia cố bằng cọc đất xi măng khi xét đến sự thay đổi ngẫu nhiên của các tính chất cơ lý của đất nền

là cần thiết

1.4 Phương pháp tính toán hệ CĐXM gia cố nền đất yếu

Hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta, có một số tiêu chuẩn được xem như

là cơ sở để tính toán CĐXM gia cố nền đất yếu Trong phạm vi nghiên cứu, đề tài chỉ giới thiệu một số quan điểm tính toán tương ứng với các tiêu chuẩn của Nhật (CDIT-2002), của châu Âu (CT97-0351-EU-97) của viện công nghệ châu Á AIT và phương pháp phân tích dựa trên lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM) Chi tiết của các mô hình này được giới thiệu cụ thể trong CDIT-2002, CT97- 0351-EU-97

1.4.1 Phương pháp tính toán theo các tiêu chuẩn

1.4.1.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm CĐXM làm việc như cọc cứng

Theo quan điểm trên, thì cọc (CĐXM) được tính toán, kiểm tra theo trạng thái giới hạn 1 (đánh giá hệ số an toàn) và trạng thái giới hạn 2 (đánh giá ổn định lún) Chi tiết hơn về quan điểm này được thể hiện trong tiêu chuẩn CDIT-2002 của Nhật hoặc trong Chỉ dẫn DSMM của Viện giao thông Hoa Kỳ

 Đánh giá ổn định cọc theo trạng thái giới hạn 1

Để móng cọc ổn định đảm bảo an toàn cần thỏa mãn các điều kiện sau:

Nội lực lớn nhất của cọc: Nmax < [Nvật liệu]/k (2.1)

Mô men lớn nhất trong cọc: Mmax < [Mvật liệu] /k (2.2)

Chuyển vị của khối móng: y <[ y] (2.3)

Trong đó:

[Nvật liệu] - Tải trọng giới hạn của CĐXM (kN)

[Mvật liệu]- Mô men giới hạn của CĐXM (kN.m)

k - là hệ số an toàn

[ y] - là chuyển vị cho phép (m)

 Đánh giá ổn định theo trạng thái giới hạn 2

Tổng độ lún của móng phải đảm bảo: ΣSi<[S] (2.4)

Trong đó:

[S] - Độ lún giới hạn cho phép (m)

Σsi- Độ lún tổng cộng của móng(m)

Nhận xét: Nhược điểm phương pháp theo quan điểm này còn có nhiều hạn chế,

đòi hỏi cọc phải có độ cứng tương đối lớn để lực truyền vào móng sẽ chủ yếu đi vào các cọc (bỏ qua sự làm việc của đất nền dưới đáy móng) Vì vậy phương pháp này ít dùng để tính toán

1.4.1.2 Phương pháp tính toán theo quan điểm làm việc như nền tương đương

Nền đất sau gia cố được xem là một hệ (đất-CĐXM-đất) Khi tính ta quy đổi hệ

này thành một nền tương đương có các đặc trưng cơ lý phụ thuộc vào đặc trưng cơ lý của đất-CĐXM và dạng bố trí CĐXM

Các tham số của nền tương đương bao gồm: mô đun đàn hồi tương đương Etđ,

hệ số lực dính đơn vị tương đương Ctđ, góc nội ma sát tương đương φtđ, khối lượng

thể tích tương đương tđ được tính đổi theo công thức sau:

φtđ= t.φc + (1- t).φp ctđ= t.cc + (1- t).cp Etđ = t.Ec + (1- t).Ep

Ap - Diện tích đất nền được gia cố

Hình 1.6.Sơ đồ quy đổi nền tương đương

Nền đất tương đương với các đặc trưng cơ lý như trên sẽ được tính như là một nền đất đồng nhất Nếu tầng đất yếu có nhiều lớp khác nhau thì các đặc trưng tương

đương sẽ được quy đổi cho mỗi lớp đất riêng biệt

Sau khi đã quy về nền tương đương, ta hoàn toàn có thể dùng bài toán biến dạng phẳng để mô phỏng tính toán Khi đó nền đất đắp và nền đất yếu được xem xét trên mặt

phẳng cắt ngang và vuông góc với tim đường Trên Hình 1.7 là mô tả lưới phần tử hữu

hạn mô phỏng tính toán 1/2 nền đường trên nền đất yếu được gia cố Bài toán ổn định tổng thể và lún của nền đất yếu sau gia cố có thể được tính toán dễ dàng với giả thiết quy đổi như trên Tuy nhiên, cần có các tính toán bổ sung để xét đến sự làm việc của CĐXM khi tương tác với nền đất yếu và phần đất đắp nền đường phía trên

Hình 1.7 Mô hình biến dạng phẳng theo mô hình nền tương đương

ma sát thành bên của nền tương đương là chưa thực sự hợp lý, thiên về an toàn trong tính toán

Do vậy, phương pháp phù hợp với công trình tải trọng nhỏ, yêu cầu kỹ thuật và mức độ tin cậy không cao hay các bước thiết kế cơ sở định hướng ban đầu

Đối với điều kiện địa chất phức tạp, có chiều dày lớp đất yếu lớn hoặc nhiều lớp đất yếu mỏng có tính chất cơ lý khác nhau, hay xen kẹp thấu kính, khi đó trong một vùng xử lý sẽ xuất hiện rất nhiều nền tương đương khiến công tác mô hình tính toán không còn phù hợp

1.4.1.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm của Viện công nghệ Châu Á(AIT):

Theo quan điểm của viện AIT, có thể tính toán cho hai trường hợp: (i) xem cọc làm việc như là cọc đơn, và (ii) xem các cọc làm việc theo nhóm cọc

 Khả năng chịu tải của cọc đơn

Khả năng chịu tải giới hạn tức thời của cọc đơn trong đất yếu được quyết định bởi sức kháng cắt của đất yếu bao quanh (khi đất bị phá hoại) hay sức kháng cắt của vật liệu cọc (khi cọc bị phá hoại)

Khả năng chịu tải giới hạn tức thời của cọc đơn trong đất yếu khi đất phá hoại được tính theo công thức sau:

Qgh, đất = (πDL+2,25πD2)*cuu (2.7) Trong đó:

D - Đường kính của cọc( m)

L - Chiều dài cọc (m)

cuu- Sức kháng cắt không thoát nước trung bình đất yếu bao quanh

 Khả năng chịu tải giới hạn của nhóm cọc

Khả năng chịu tải của nhóm cọc được tính theo công thức:

Q gh,đất= 2cu.H.(B1+B2)+k.cu.B1.B2 (2.8) Trong đó:

B1, B2, H- Chiều dài, chiều rộng, chiều cao của nhóm cọc (m) k - Hệ số an toàn

cuu- Sức kháng cắt không thoát nước trung bình của đất yếu bao quanh, được thí nghiệm tại hiện trường qua thí nghiệm cắt cánh hiện trường hoặc xuyên côn (kPa)

Hình 1.8 Phân tích lún khi gia cố bằng CĐXM

Độ lún tổng cộng của một công trình đặt trên CĐXM được tính như miêu tả

trong (Hình 1.8) độ lún tổng cộng lớn nhất lấy bằng tổng độ lún cục bộ của khối gia

cố S1 và độ lún cục bộ của đất không ổn định nằm ở dưới khối gia cố S2 Có 2 trường hợp được nghiên cứu khi tính độ lún tổng cộng Trường hợp thứ nhất, tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị rão Trong trường hợp thứ 2, tải trọng tác dụng tương đối cao và tải trọng dọc trục của cọc tương ứng với tải trọng rão

Trường hợp 1: Tải trọng tác dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị rão: Trong trường hợp

này, độ cứng tương đối của cọc có tính tới tác dụng của đất không ổn định, sẽ quyết định

sự phân bố tải trọng giữa cọc và phần đất không ổn định nằm kề

Độ lún tổng cộng S1 được tính toán theo biểu thức sau:

( ) ( ) Trong đó:

q1 - Áp lực tính lún truyền cho cọc (kPa) Ec - Mô đun đàn hồi của cọc (kPa)

Ep - Mô đun đàn hồi của đất xung quanh cọc (kPa) L - Chiều dài cọc gia cố (m)

Trường hợp 2: Tải trọng tác dụng lớn, ứng với giới hạn rão Trong trường hợp này, tải

trọng tác dụng quá lớn nên tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn rão của cọc Tải trọng tác dụng được chia ra: phần q1 truyền cho cọc và phần q2 truyền cho đất xung quanh như trường hợp thứ nhất Phần tải trọng q1 được quyết định bởi tải trọng rão của cọc và tính theo biểu thức:

=

( ) Trong đó:

n - Số cọc

B1, B2 – Chiều dài, chiều rộng vùng đất gia cố (m)

Q creep - Tải trọng rão của cọc (kN)

Độ lún tổng cộng S1 được tính toán theo biểu thức sau:

= ( ) Trong đó:

L - Chiều dài cọc gia cố (m)

Ec - Mô đun đàn hồi của cọc (kPa)

Độ lún tổng cộng S2 được tính toán theo cách thông thường như với nền đất yếu chưa gia cố Tải trọng q1 truyền toàn bộ xuống dưới đáy khối gia cố, tải trọng q2 tác dụng từ trên mặt đất

Nhận xét: Phương pháp đề xuất bởi viện AIT áp dụng đồng thời mô hình cọc

và mô hình nền trong tính toán nên ứng xử của CĐXM và đất nền được xem xét khá chi tiết và phù hợp hơn với điều kiện thực tế Với mô hình tính toán này, phương pháp AIT có thể phù hợp với nhiều điều kiện địa chất khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp Tuy nhiên, tính toán theo phương pháp này là hệ số tập trung ứng suất chưa được lý luận chặt chẽ và đánh giá sức kháng của cọc đơn khá cao

1.4.1.4 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu

 Kiểm tra điều kiện về cường độ

Cường độ chịu tải của vật liệu cọc được xác đinh theo công thức:

Trong đó:

cuc- Sức kháng cắt không thoát nước của CĐXM, phụ thuộc vào hàm lượng xi măng sử dụng (kPa)

σh- Giá trị ứng suất ngang tác dụng lên thành cọc (áp lực bị động) (kPa)

Tải trọng tác dụng vào cọc là tích số giữa giá trị tải trọng phân bổ trên 1m2 với giá trị “diện tích tương đương của 1 cọc” Với giả thiết ứng suất tác dụng không giảm theo chiều sâu, chỉ số ứng suất tác dụng lên cọc được tính bằng tải trọng tác dụng vào cọc chia cho diện tích của một cọc Chỉ số “diện tích tương đương của 1 cọc” được xác định bằng diện tích khu vực gia cố chia cho tổng số cọc

Cường độ chịu tải của vật liệu cọc Rc với giá trị của cường độ của đất gia cố khoảng 50kg xi măng/m dài cọc Hệ số an toàn là tỷ số của cường độ cọc và ứng suất tác dụng lên cọc, thường>1,2

 Tính toán độ lún

Độ lún được xác định bằng tổng độ lún của cọc và độ lún phần đất ở bên dưới khu vực được gia cố

a - Tỷ số quy đổi diện tích, a = A/d2

A - Diện tích tiết diện ngang của cọc (m2)

d - Khoảng cách giữa tim các cọc (m)

Ec và Ep - Mô đun đàn hồi của cọc và của nền đất thiên nhiên chưa gia cố

 Độ lún của phần đất dưới khu vực được gia cố:

Độ lún xảy ra trong vùng ảnh hưởng đến độ sâu khi thỏa mãn điều kiện sau:

Trong đó:

H - Chiều sâu vùng ảnh hưởng lún (m)

γ - Trọng lượng thể tích của đất (kN/m3)

1.4.1.5 Phương pháp tính toán trong các hồ sơ thiết kế ở Việt Nam

Các yêu cầu tính toán thiết kế về ổn định lún, ổn định trượt và ổn định của bản thân CĐXM được xác định trên cơ sở xem xét đầy đủ các yếu tố về quy mô, mức độ công trình, tải trọng công trình, điều kiện thi công, điều kiện địa chất công trình, mức

độ tác động đến kinh tế xã hội trong trường hợp công trình mất ổn định

Các yêu cầu thiết kế tối thiểu đối với CĐXM

+ Trị số lún dư cho phép của nền đất sau khi xử lý không vượt quá quy định trong 22TCN262-2000

+ Hệ số an toàn về ứng suất trong thân cọc (sức chịu tải của cọc) không nhỏ hơn 1,2

+ Hệ số an toàn trượt sâu tính bằng phương pháp Bishop không nhỏ hơn 1,4 + Hệ số an toàn về trượt phẳng không nhỏ hơn 1,2

Sức kháng cắt của nền gia cố: Phân tích ổn định dựa theo các phương pháp nền

tương đương Nền đất tương đương có cường độ kháng cắt được xác định:

ctđ=cuu(1-a)+a.cuc (2.15) Trong đó:

cuc- Sức kháng cắt không thoát nước của CĐXM (kPa)

cuu- Sức khắng cắt của đất nền giữa các cọc(kPa)

a - Tỷ số quy đổi diện tích: a = n.Ac / B1B2

n - Số cọc trong 1m chiều dài khối đất

B1B2 -Kích thước khối gia cố (m2)

Ac -Diện tích cọc (m2)

Độ lún toàn phần: Để giảm độ lún của cọc thường được bố trí dạng lưới tam

giác hay ô vuông Phân tích lún dựa trên quan điểm đồng biến dạng Nói cách khác, cho rằng hiệu ứng vòm phân bố lại tải trọng, sao cho biến dạng thẳng đứng tại độ sâu nhất định bằng nhau trong cọc và đất xung quanh cọc Đối với nhóm cọc, độ lún trung bình sẽ được giảm bởi ứng suất cắt của đất, huy động tại bề mặt tiếp xúc theo chu vi khối đất xung quanh chỉ chuyển dịch khá nhỏ (vài mm) đủ để huy động sức kháng cắt của đất Ứng suất cắt gây độ lún lệch giữa các cọc trong nhóm Độ lún lệch này sẽ giảm dần theo mức độ cố kết của đất, cho nên sẽ không kể đến trong tính tổng độ lún

Tính độ lún tổng cộng của đất nền như sau:

Trong đó

S1 là độ lún của khối được gia cố (m)

S2 là độ lún của phần đất không được gia cố, nằm dưới mũi cọc (m)

Độ lún của khối gia cố S1 được tính như sau:

= ( ) Trong đó:

q - Áp lực công trình tác dụng lên khối (kPa) h - Chiều dày lớp đất yếu được gia cố (m)

a - Tỷ số quy đổi diện tích Ep - Mô đun đàn hồi của đất (kPa)

Ec - Mô đun đàn hồi của cọc (kPa)

q’ - Áp lực tác dụng lên lớp đất yếu không được gia cố dưới mũi cọc (đối với cọc treo)

h’ - Chiều dày lớp đất yếu không được gia cố dưới mũi cọc (kiểu cọc treo) (m) cun- Chỉ số nén của lớp đất yếu dưới mũi cọc (kiểu cọc treo)

e0 - Hệ số rỗng tự nhiên của lớp đất yếu dưới mũi cọc (kiểu cọc treo)

σ’0- Áp lực địa tầng (hữu hiệu) (kPa)

Các yêu cầu tính toán thiết kế về ổn định lún, ổn định trượt và ổn định của bản thân CĐXM được xác định trên cơ sở xem xét đầy đủ các yếu tố về quy mô, mức độ công trình, tải trọng công trình, điều kiện thi công, điều kiện địa chất công trình, mức

độ tác động đến kinh tế xã hội trong trường hợp mất ổn định

Độ lún của khối gia cố S2 được tính như sau:

Độ lún S2 được tính theo nguyên lý cộng từng lớp Phạm vi vùng ảnh hưởng lún đến chiều sâu mà tại đó áp lực gây lún không vượt quá 10% áp lực đất tự nhiên Theo tiêu chuẩn 22 TCN 262-2000, S2 được tính như sau:

= ∑ ∑

[ ( ) ( ) ]( ) Trong đó

hi: Bề dày lớp đất tính lún thứ i dưới mũi cọc (m)

ei0 : Hệ số rỗng của lớp đất thứ i ở trạng thái tự nhiên ban đầu

: Chỉ số nén lún của lớp đất thứ i trong phạm vi >

: Chỉ số nén lún của lớp đất thứ i trong phạm vi <

, , : Áp lực do trọng lượng bản thân của các lớp đất tự nhiên nằm trên lớp i, áp lực tiền cố kết lớp i và áp lực do tải trọng đắp gây ra ở lớp đất thứ i (kPa)

1.4.2 Nhóm các phương pháp tính theo phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn đã được sử dụng để xây dựng rất nhiều chương trình tính toán kỹ thuật liên quan đến lĩnh xây dựng công trình nói chung và các công trình giao thông nói riêng Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử Phương pháp PTHH đã được sử dụng khá phổ biến trong địa kỹ thuật nói riêng và cơ học nói chung

để xác định trường ứng suất và biến dạng của kết cấu Hiện nay, các phần mềm thương mại sử dụng cơ sở lý thuyết phương pháp PTHH để giải bài toán Địa kỹ thuật đã có bước phát triển vượt bậc, được sử dụng hiệu quả và rộng rãi trên khắp thế giới như: PLAXIS, GEOSLOP, LAGAPROGS, Để tìm hiểu rõ hơn về bài toán này, Hùng

(2014) đã tổng hợp khá chi tiết các cơ sở của FEM trong tính toán cọc CĐXM gia cố nền đất yếu

Nhận xét: Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tiếp cận hiện đại

trong ngành địa kỹ thuật, cho phép mô hình phù hợp nhất với điều kiện làm việc thực

tế của công trình Phương pháp phần tử hữu hạn có độ tin cậy rất cao nên phù hợp với các công trình quy mô lớn, quan trọng, yêu cầu tính kinh tế - kỹ thuật và mức độ tin cậy cao Tuy nhiên, số lượng thông số đầu vào lớn và phức tạp là vấn đề khó khăn khi tiếp cận phương pháp này nên cần có kiến thức sâu về địa kỹ thuật cũng như kinh nghiệm đối với từng loại đất để lựa chọn mô hình và thông số hợp lý

1.4.3 Kết luận

Dựa vào phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp tính toán CĐXM ở trên

ta có tổng kết như sau: Các phương pháp tính theo tiêu chuẩn chưa xét đúng bản chất

mô hình ứng xử của nền đất cụ thể chưa xét đến ảnh hưởng của dòng thấm, ảnh hưởng của hiện tượng cố kết, sự phân giới của các lớp đất Các công thức tính của các phương pháp tiêu chuẩn chủ yếu là các công thức thực nghiệm nên sử dụng nhiều giả thiết gần đúng dẫn đến kết quả có độ tin cậy không cao Nếu sử dụng cách tính như các phương pháp theo tiêu chuẩn thì không xem xét được các ứng xử cục bộ, trường ứng suất và biến dạng của đất nền Các phương pháp này chủ yếu dùng cho các bài toán với điều kiện địa chất không phức tạp

Phương pháp phần tử hữu hạn mà điển hình là hai chương trình tính LagaProgs V5 và Plaxis V8.2 đều đã tích hợp được nhiều mô hình ứng xử của vật liệu, có thể tính cho nhiều điều kiện địa chất phức tạp Kết quả tính đã xác định trường ứng suất và biến dạng của nền đất sau gia cố Tuy nhiên đối với chương trình LagaProgs V5 lại không xét đến yếu tố rất quan trọng trong các bài toán địa kỹ thuật là yếu tố lún theo thời gian và sự phân giới giữa các lớp đất; trong khi đó chương trình Plaxis V8.2 đã xét các yếu tố này Dựa trên nền tảng của cơ học liên tục, cơ học đất tới hạn Plaxis V8.2 đã giải quyết hầu hết tất cả các bài toán địa kỹ thuật từ đơn giản đến phức tạp với các tính năng và thuật toán có xét đến các yếu tố không thể bỏ qua đối với các bài toán địa kỹ thuật như xét đến tính thấm, tính cố kết theo thời gian, cường độ phân giới giữa các lớp đất; có thể lựa chọn nhiều mô hình ứng xử vật liệu để tính các bài toán CĐXM Phần mềm Plaxis V8.2 được coi là một trong những chương trình tính toán các bài toán địa kỹ thuật mạnh nhất hiện nay, có xét đến các ứng xử cục bộ, biến dạng của nền đất sau gia cố Từ những phân tích trên đề tài đã chọn phương pháp phần tử hữu hạn và đại diện là chương trình Plaxis V8.2 làm chương trình tính toán, phân tích

1.5 Nguồn ngẫu nhiên và mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên

1.5.1 Nguồn ngẫu nhiên

Nguồn ngẫu nhiên thường được chia làm bốn loại chính như sau: (i) do bản thân vật liệu không đồng nhất [2], (ii) do quá trình đo đạc, (iii) do ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên, và (iv) do mô hình tính toán [11] Tuy nhiên trong thực tế, việc xem xét ảnh hưởng của một hay tất cả các yếu tố trên trong tính toán phụ thuộc vào mô hình

và quá trình tính toán Các nguồn ngẫu nhiên trên thường được mô phỏng bởi lý thuyết xác suất Việc mô hình hóa mỗi đại lượng ngẫu nhiên trên thường được xét cho các nguyên nhân lần lượt sau: (i) định nghĩa các thông số tính chất cơ lý, cường đồ của vật liệu, đất nền; (ii) do kinh nghiệm của người đo đạc, số lượng mẫu đo; (iii) ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ, độ ẩm của môi trường; và (iv) sai số do lựa chọn mô hình phân tích, mô phỏng Trong địa kỹ thuật, các nguồn ngẫu nhiên được tổng hợp

bởi Phoon and Kulhawy, (1999) như trong Hình 1.10 Ngoài ra, Huber (2013) cũng tổng hợp các nguồn ngẫu nhiên trong công trình địa kỹ thuật như trong Hình

1.11.Trong các kết quả này, các nguồn ngẫu nhiên vẫn bao gồm trong 4 loại như đã

nêu ở trên

Hình 1.10.Nguồn ngẫu nhiên của tính chất cơ lý đất nền [2]

Hình 1.11.Nguồn ngẫu nhiên của tính chất cơ lý đất nền trong tính toán phân tích độ

tin cậy công trình địa kỹ thuật

1.5.1.2 Do đo đạc, thí nghiệm

Nguồn ngẫu nhiên này thường do kinh nghiệm của các người thực hiện đo đạc, thí nghiệm Nguồn này không phải là một phần đầu vào trong các bài toán phân tích, đánh giá độ tin cậy cũng như xét đến ảnh hưởng của môi trường Tuy nhiên nó có

ảnh hưởng rất lớn đến việc xác định giá trị các thông số đặc trưng của vật liêu (modul

đàn hồi, dung trọng đất, chỉ số nén lún…) Trong thực tế, nguồn ngẫu nhiên thường

bao gồm: (i) sai lệch của giá trị đo đạc, (ii) mẫu thống kê không đủ tin cậy, vị trí thí nghiệm đo đạc không đặc trưng cho kết cấu, côngtrình, (iii) sai số do thiết bị đo, và (iv) do con người (ảnh hưởng của điều kiện làm việc, sức khỏe ) Việc thực hiện lặp

đi lặp lại các thí nghiệm nhiều lần tại một vị trí và nhiều vị trí khác nhau cho phép có

thể loại bỏ được sai số do kinh nghiệm đo và thiết bị đo Tuy nhiên, như đã phân tích

ở trên, việc này khó khả thi và vì vậy khi tính toán việc xét đến nguồn ngẫu nhiên này

là cần thiết

1.5.1.3 Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên

Như chúng ta biết, một hệ cơ học (kết cấu) bản thân nó đã là không đồng nhất Khi chịu tác động của môi trường, yếu tố này càng thể hiện rõ hơn Nguồn ngẫu nhiên này thường được tổng hợp trong hai nhóm: (i) dưới tác động của khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm) sẽ dẫn đến sai số khi chúng ta quan trắc, đo đạc xác định các tính chất cơ lý của vật liệu; và (ii) ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tính toán như tải trọng gió, mực nước dâng ở các đê, đập hay nền đường đi qua khu vực bị ngập nước, Trong tính toán, chúng ta không thể bỏ qua nguồn ngẫu nhiên này, vì nó ảnh hưởng rất lớn đến các giá trị đầu vào trong tính toán

1.5.1.4 Do mô hình tính

Như chúng ta biết, hiện nay có rất nhiều lý thuyết, mô hình tính toán khác nhau tồn tại Mỗi mô hình đều có điều kiện biên nhất định, nhưng cũng không mô tả đúng hết điều kiện làm việc thực tế của công trình Vì vậy, khi lựa chọn mô hình tính chúng ta đã chấp nhận một sai số trong tính toán

1.5.2 Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên

Trong kỹ thuật xây dựng nói chung và trong công trình địa kỹ thuật nói riêng, việc xác định và mô phỏng các đại lượng ngẫu nhiên có một vai trò rất quan trọng, nó

là thông số rất được các kỹ sư thiết kế quan tâm Việc xác định và mô phỏng đúng đại lượng ngẫu nhiên sẽ giúp các nhà đầu tư quản lý được sự an toàn cũng như dự báo được độ an toàn của công trình Để mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên trong địa kỹ thuật, hiện nay có hai giả thiết thường được sử dụng nhiều nhất: (i) đại lượng ngẫu nhiên, và (ii) một trường ngẫu nhiên

 Đại lượng ngẫu nhiên: khi không xét đến ảnh hưởng của không gian trong

mô tả đại lượng ngẫu nhiên Các đại lượng chỉ được biểu diễn bởi các giá trị thống kê (giá trị trung bình, độ lệch quân phương) và quy luật phân bố

 Trường ngẫu nhiên: khi xét đến ảnh hưởng của không gian trong mô tả đại lượng ngẫu nhiên Trong trường hợp này, các đại lượng ngẫu nhiên ngoài các đặc trưng thống kế và quy luật phân bố ra, còn có hệ số tương quan giữa các đại lượng theo không gian

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, mô hình đại lượng ngẫu nhiên được sử dụng để mô phỏng các đại lượng ngẫu nhiên Để mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên, lý thuyết xác suất được sử dụng

1.5.2.1 Mô phỏng xác suất

Mô phỏng xác suất thường được sử dụng để mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên trong các bài toán tối ưu hóa cũng như phân tích độ tin cậy trong kỹ thuật [12;13] Trong bài toán độ tin cậy, hàm mật độ xác suất và hàm phân phối tích lũy được sử dụng để định nghĩa bản chất của đại lượng ngẫu nhiên Xét đại lượng ngẫu

nhiên X với các phần tử xi, đại lượng X sẽ được mô tả bởi hàm mật độ xác suất hoặc

hàm phân phối tích lũy

[ ] = ( ) = ∫

( ) ( )

Với: P[ ] – xác suất của sự kiện X<x,

X– đại lượng ngẫu nhiên tạo bởi các phần tử xi,

F x (x) – hàm phân phối tích lũy của X

1.5.2.2 Một số phân bố xác suất thông dụng

Hiện nay có rất nhiều mô hình phân bố xác suất để mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên Tuy nhiên trong lĩnh vực xây dựng nói chung và công trình địa kỹ thuật

nói riêng, hai luật phân bố được sử dụng: phân phối chuẩn (Normal) và phân phối logarit-chuẩn (Log-Normal) [1]

Phân phối chuẩn Normal

Phân phối Normal hay phân phối Gauss, được đặc trưng bởi hai đại lượng giá

trị trung bình µ và độ lệch quân phương σ Hàm mật độ xác suất fX(x) và hàm phân phối tích lũy FX(x) được xác định bởi:

Hình 1.12- Hàm phân phối tích lũy và hàm mật độ xác suất của phân phối Normal

Phân phối Log-chuẩn (Log-Normal)

Xét đại lượng ngẫu nhiên X, được gọi là phân phối Log-chuẩn nếu logarit của

X (Y=log(X)) là một phân phối chuẩn Giả thiết X với thông số giá trị trung bình µ và

độ lệch quân phương σ ta có thể viết lại đại lượng ngẫu nhiên X như sau :

= ( ) ( )

Và hàm mật độ xác suất fX(x) và hàm phân phối tích lũy FX(x) của phân phối

Log-Normal được xác định như sau :

( ) =

√ (

( ) ) ( ) Và:

( ) =

√ ∫

( ( )

) ( )