Cọc cắt đầm chặt, công nghệ thi công và khả năng ứng dụng để xử lý nền đường đất yếu đoạn từ km 96+300 đến km 105+417 thuộc đường cao tốc hà nội hải phòng

Mục đích của luận văn: Nghiên cứu, tìm hiểu về các bước thiết kế cọc cát thi công trong việc xử lý nền đất yếu bằng phương pháp đầm chặt; Ứng dụng thiết kế xử lý cho đoạn đường từ Km 96+

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ THỊ THANH NHÀN

CỌC CÁT ĐẦM CHẶT, CÔNG NGHỆ THI CÔNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẤT YẾU ĐOẠN TỪ KM 96+300 ĐẾN KM 105+417 THUỘC ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ THỊ THANH NHÀN

CỌC CÁT ĐẦM CHẶT, CÔNG NGHỆ THI CÔNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG ĐẤT YẾU ĐOẠN TỪ KM 96+300 ĐẾN KM 105+417 THUỘC ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Địa chất công trình

Mã số: 60.44.65

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Đỗ Minh Toàn

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài này do chính tôi thực hiện Những tài liệu và số liệu được sử dụng trong luận văn là hoàn toàn đúng sự thật, có nguồn gốc rõ ràng Đề tài luận văn mà tôi nghiên cứu là hoàn toàn mới, chưa từng được làm trước đây, hoàn toàn không có sự sao chép nào trong đề tài này

Tác giả luận văn

Lê Thị Thanh Nhàn

MỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT VÀ BƯỚC ĐẦU ÁP DỤNG ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM 4

1.1 Khái quát chung về phương pháp làm tăng độ chặt của đất bằng cọc cát 4

1.1.1 Cơ chế làm việc của cọc cát 4

1.1.2 Đặc điểm làm việc của cọc cát 4

1.1.3 Tính ưu việt và phạm vi áp dụng của cọc cát 5

1.1.4 Nguyên lý thi công cọc cát 5

1.1.5 Kiểm tra chất lượng cọc cát đã thi công xong 8

1.2 Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt 8

1.2.1 Đặc điểm của phương pháp cọc cát đầm chặt 9

1.2.2 Phạm vi áp dụng của phương pháp cọc cát đầm chặt (SCP) 10

1.2.3 Thiết bị thi công 10

1.2.4 Yêu cầu vật liệu cát 12

1.2.5 Quản lý chất lượng 13

1.3 Trình tự thiết kế cọc cát đầm chặt 18

1.3.1 Điều kiện thiết kế cọc cát đầm chặt 19

1.3.2 Thiết kế xử lý nền đất yếu là đất rời bằng cọc cát đầm chặt 21

1.3.3 Thiết kế xử lý nền đất yếu là đất dính bằng cọc cát đầm chặt 26

1.4 Trình tự thi công cọc cát đầm chặt 39

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH TUYẾN ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG ĐOẠN TỪ KM96+300 ĐẾN KM 105+417 43

2.1 Vị trí địa lý đoạn tuyến từ Km 98+860 đến Km 99+100 43

2.2 Đặc điểm địa hình và địa mạo 43

2.3 Sơ lược đặc điểm khí tượng thuỷ văn, địa chất thuỷ văn 44

2.4 Đặc điểm địa tầng và tính chất cơ lý của đất nền 44

2.4.1 Lớp 1: Đất lấp và đất trồng trọt 44

2.4.2 Lớp 2: Sét pha, trạng thái dẻo mềm 45

2.4.3 Lớp 3: Sét, trạng thái dẻo mềm 46

2.4.4 Lớp 4: Sét, trạng thái dẻo cứng 47

2.4.5 Lớp 5: Sét pha, trạng thái dẻo mềm 48

2.4.6 Lớp 6: Cát hạt vừa, kết cấu chặt 49

2.4.7 Lớp 7: Cát hạt nhỏ, kết cấu rất chặt 50

2.5 Nhận xét 51

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT ĐẦM CHẶT TUYẾN ĐƯỜNG CAO TỐC HÀ NỘI - HẢI PHÒNG, ĐOẠN TỪ KM 96+300 ĐẾN KM 105+417 52

3.1 Tiêu chuẩn và yêu cầu thiết kế 52

3.1.1 Các tiêu chuẩn áp dụng 52

3.1.2 Các yêu cầu thiết kế xử lý nền đất yếu 52

3.2 Phương pháp tính toán 54

3.2.1 Kiểm toán ổn định đoạn tuyến đường từ Km 98+860 đến Km 99+100 54

3.2.2 Cơ sở lý thuyết và số liệu tính toán cọc cát đầm chặt 65

3.2.3 Xác định chiều sâu, phạm vi xử lý 67

3.2.4 Phần mềm 67

3.3 Phân tích lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý của đất để thiết kế xử lý nền đường 67

3.3.1 Khối lượng thể tích đơn vị 68

3.3.2 Cường độ kháng cắt không thoát nước ban đầu 69

3.3.3 Hệ số cường độ kháng cắt không thoát nước 71

3.3.5 Tóm tắt tính chất cơ lý, giá trị đất tính toán để thiết kế xử lý nền đất yếu 75

3.4 Thiết kế xử lý nền đất yếu 76

3.4.1 Thiết kế xử lý nền đất yếu cho đoạn đường từ Km 98+860 đến Km 99+100 76

3.4.2 Sử dụng phần mềm tính độ lún K-embankment và tính trượt bằng

Geoslope kiểm tra lại 78

3.4.3 Chi phí thi công xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt đoạn đường Km 98+860 - Km 99+100 80

3.4.4 Tóm lại 81

3.5 Các công tác quan trắc địa kỹ thuật 81

3.5.1 Quan trắc lún 82

3.5.2 Quan trắc mực nước dưới đất 82

3.5.3 Quan trắc chuyển vị ngang 82

3.5.4 Đo áp lực nước lỗ rỗng 83

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP CỌC CÁT ĐẦM CHẶT ĐÃ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 84

4.1 Thiết kế xử lý nền đường đất yếu bằng phương pháp bấc thấm cho Km 98+860 đến Km 99+100 84

4.1.1 Xác định các thông số lý nền đường đất yếu bằng phương pháp bấc thấm cho Km 98+860 đến Km 99+100 84

4.1.2 Tính chiều cao đắp nền đường theo các giai đoạn 85

4.1.3 Thời gian chờ giữa các giai đoạn đắp 90

4.1.4 Kết luận 94

4.1.5 Chi phí thi công xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm đoạn đường Km98+860 - Km99+100 96

4.2 Phân tích hiệu quả của phương pháp cọc cát đầm chặt 96

4.2.1 Tính ưu việt về kỹ thuật 96

4.2.2 Tính ưu việt về kinh tế 99

KẾT LUẬN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các phương pháp kiểm toán lún của nền đất sau gia cố 35

Bảng 2.1: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 2 45

Bảng 2.2: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 3 46

Bảng 2.3: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 4 47

Bảng 2.4: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 5 48

Bảng 2.5: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của lớp 6 50

Bảng 2.6: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 7 50

Bảng 3.1: Bảng tính ứng suất tại tim đường dưới nền đường đắp 59

Bảng 3.2: Bảng tính giá trị độ lún cố kết của đất 61

Bảng 3.3: Góc ma sát trong và tỷ lệ phân chia ứng suất theo tỷ lệ thay thế 66

Bảng 3.4: Các giá trị Co điển hình từ kết quả thí nghiệm 70

Bảng 3.5: Kiến nghị các giá trị của Cc, Cv và Kv của lớp đất 4 cho việc thiết kế 75

Bảng 3.6: Bảng chỉ tiêu cơ lý của đất cho thiết kế xử lý nền đất yếu 75

Bảng 3.7: Vị trí các đoạn trong phạm vi từ Km 96+300 đến Km 105+417 được xử lý bằng phương pháp cọc cát đầm chặt 76

Bảng 3.8: Thông số thiết kế xử lý nền bằng cọc cát đầm chặt 77

Bảng 3.9: Thông số đầu vào cho phần mềm K-embankment 78

Bảng 3.10: Kết quả tính toán của phần mềm K-embankment 79

Bảng 3.11: Kết quả hệ số an toàn Fs từ phần mềm Geoslope 79

Bảng 3.12: Các thông số thiết kế xử lý bằng phương pháp cọc cát đầm chặt Km98+860 đến Km 99+100 81

Bảng 4.1: Bảng số lượng bấc thấm 85

Bảng 4.2: Các giá trị hệ số an toàn F của mặt cắt 1 với chiều cao đắp Hđ1 =2m 87

Bảng 4.3: Chiều cao đắp cho từng giai đoạn 90

Bảng 4.4: Thông số thiết kế xử lý nền đấy yếu bằng bấc thấm Km 98+860 - Km99+100 95

Bảng 4.5: Chi phí thi công các hạng mục công việc khác 96

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ thi công cọc cát thường 5

Hình 1.2: Đầu mũi ống thép 6

Hình 1.3: Đặt ống vách đúng vị trí thi công 7

Hình 1.4: Hạ ống vách thép vào trong đất yếu 7

Hình 1.5: Đổ cát và nước đã chuẩn bị sẵn qua "cửa sổ" ở đỉnh cọc ống thép 7

Hình 1.6: Dùng phương pháp chấn động vừa rung vừa rút ống thép lên khỏi mặt đất 8

Hình 1.7: Thiết bị thi công cọc cát đầm chặt 10

Hình 1.8: Đồ thị về giới hạn thành phần hạt của cát được sử dụng để thi công cọc cát đầm chặt 12

Hình 1.9: Bảng mã hóa thông tin của một cọc cát đầm chặt trên Excel 14

Hình 1.10: Các thành phần ứng suất tác dụng lên mẫu đất hỗn hợp 15

Hình 1.11: Công tác đo chuyển vị ngang sâu 17

Hình 1.12: Công tác quan trắc mực nước ngầm 17

Hình 1.13: Công tác đo áp lực nước lỗ rỗng 18

Hình 1.14: Sơ đồ bố trí cọc cát đầm chặt 18

Hình 1.15: Mặt bằng bố trí cọc (a) và mặt cắt dọc cọc cát (b) 20

Hình 1.16: Cọc chống 20

Hình 1.17: Cọc treo 21

Hình 1.18: Mối liên hệ giữa độ chặt tương đối và hệ số rỗng theo Masaki Kitazume[3] 22

Hình 1.19: Mối liên hệ giữa chỉ số xuyên tiêu chuẩn của đất chưa gia cố Ni với chỉ số Nti sau cải tạo theo Masaki Kitazume[3] 22

Hình 1.20: Mối quan hệ giữa emax , emin với Fc 23

Hình 1.21: Quan hệ giữa Fc và s 24

Hình 1.22: Sơ đồ tính toán xử lý nền đất là đất rời 25

Hình 1.23: Phương pháp tính ổn định xét đến sự làm việc giữa cọc và đất 31

Hình 1.24: Phương pháp thi công cọc cát đầm chặt 40

Hình 1.25: Sự di chuyển của đầu mũi ống dẫn 40

Hình 1.26: Sự thay đổi đường kính của cọc cát đầm chặt 41

Hình 2.1: Mặt cắt địa chất công trình đoạn Km 98+860 đến Km 99+100 44

Hình 3.1: Sơ đồ tính toán tải trọng giao thông 53

Hình 3.2: Giá trị tải trọng và phân bổ 54

Hình 3.3: Sơ đồ phá hoại của nền đường có đáy rộng 55

Hình 3.4: Biểu đồ phân bố ứng suất dưới tim nền đường 60

Hình 3.5: Sơ đồ bố trí và quan niệm thiết kế Cọc cát đầm (SCP) 65

Hình 3.6: Sơ lược về khối lượng thể tích đơn vị của lớp đất 3 và 4 68

Hình 3.7: Tóm tắt các thông số thí nghiệm sức chống cắt không thoát nước của đất 70

Hình 3.8: Tóm tắt các giá trị Co điển hình từ các kết quả thí nghiệm 71

Hình 3.9: Giá trị m từ kết quả thí nghiệm CU và giá trị được đề nghị thiết kế 71

Hình 3.10: Mối quan hệ giữa m và chỉ số dẻo 72

Hình 3.11: Biến thiên của PC với độ sâu và so sánh với áp lực quá tải 72

Hình 3.12: Tóm tắt các giá trị Cc của lớp đất 3 73

Hình 3.13: Đồ thị và giá trị đặc trưng của lớp đất 3[từ 8m trở lên] 73

Hình 3.14: Đồ thị và giá trị đặc trưng của lớp đất 3 [từ 8m xuống] 74

Hình 3.15: Mối quan hệ Cc-e, Cv-e và Kv-e được xây dựng cho đất yếu của đoạn đường 74

Hình 3.16: Mặt cắt ngang điển hình đoạn cần tính toán thiết kế xử lý 78

Hình 3.17: Biểu đồ độ lún và độ cố kết của đất theo thời gian t (K-embankment) 79

Hình 4.1: Biểu đồ phân kỳ thi công xử lý bằng bấc thấm 94

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong xây dựng, đặc biệt là xây dựng giao thông thường gặp nền đất yếu, khi thi công cần phải có giải pháp xử lý nền để đảm bảo độ ổn định công trình Hiện nay ở Việt Nam đã áp dụng nhiều biện pháp để gia cố nền đất yếu như:

Phương pháp cọc cát đầm chặt để gia cố nền đất yếu đã được sử dụng ở một

số các nước như Hàn Quốc, Nhật Bản và mới bước đầu được nghiên cứu và áp dụng ở Việt Nam So với phương pháp làm chặt đất bằng cọc cát thông thường cọc cát đầm chặt khác về công nghệ thi công Giải pháp và công nghệ thi công xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt có những ưu điểm: làm rút ngắn thời gian thi công, không cần đắp gia tải đồng thời, có thể thi công đến độ sâu thiết kế xử lý nền đất yếu lớn Hơn nữa, cọc cát đầm chặt khác với cọc cát thông thường ở chỗ có đường kính lớn hơn nhiều  = 600mm-800mm, cùng với công nghệ thi công ưu việt hơn nên cọc cát đầm chặt có khả năng chịu tải cao hơn, làm cố kết đất nhanh hơn cọc cát thông thường

Để tìm hiểu, phân tích tính ưu việt của phương pháp cọc cát đầm chặt và

hướng tới khả năng ứng dụng rộng rãi phương pháp này ở Việt Nam đề tài: “Cọc

cát đầm chặt, công nghệ thi công và khả năng ứng dụng để xử lý nền đường đất yếu đoạn từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng” có tính cấp thiết

2 Mục đích của luận văn:

Nghiên cứu, tìm hiểu về các bước thiết kế cọc cát thi công trong việc xử lý nền đất yếu bằng phương pháp đầm chặt;

Ứng dụng thiết kế xử lý cho đoạn đường từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng;

Bước đầu phân tích làm sáng tỏ tính ưu việt của phương pháp cọc cát đầm chặt

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu là cọc cát đầm chặt;

Phạm vi nghiên cứu là phương pháp tính toán, thiết kế, thi công cọc cát đầm chặt; ứng dựng phương pháp cọc cát đầm chặt trong việc thiết kế xử lý nền đường đất yếu đoạn từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc tuyến đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng

3 Nhiệm vụ của luận văn:

Để đạt được mục đích trên, nhiệm vụ của luận văn là:

- Nghiên cứu tìm hiểu về đặc điểm thiết kế, thi công xử lý nền đất yếu bằng cọc cát thông thường và cọc cát đầm chặt;

- Làm sáng tỏ đặc điểm ĐCCT đoạn từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc tuyến đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng;

- Ứng dụng thiết kế xử lý đất yếu của nền đường đoạn đường từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng bằng phương pháp cọc cát đầm chặt;

- Phân tích làm sáng tỏ tính ưu việt của phương pháp cọc cát đầm chặt để nâng cao khả năng ứng dụng phương pháp này ở Việt Nam

4 Nội dung của luận văn

Để giải quyết các nhiệm vụ của đề tài đặt ra, nội dung luận văn tập trung giải quyết các vấn đề:

- Tổng quan về phương pháp thiết kế xử lý nền bằng cọc cát đầm chặt và nhưng kết quả bước đầu ứng dụng ở Việt Nam;

- Điều kiện ĐCCT đoạn tuyến đường từ Km 96+300 đến Km 105+417 thuộc tuyến đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng;

- Thiết kế xử lý nền đất yếu đoạn đường từ Km 96+300 đến Km 105+417 bằng phương pháp cọc cát đầm chặt;

- Phân tích tính ưu việt và phạm vi ứng dụng của phương pháp cọc cát đầm chặt

5 Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp thu thập, tổng hợp, phân tích tài liệu: thu thập tất cả các tài liệu

đã có nghiên cứu về nội dung, đối tượng nghiên cứu của phương pháp cọc cát đầm chặt và ưu nhược điểm của nó;

- Phương pháp địa chất: đi thực địa, tìm hiểu điều kiện địa chất công trình vùng nghiên cứu để thiết kế xử lý nền đất yếu;

- Phương pháp tính toán lý thuyết: ứng dụng để phân tích, tính toán thiết kế

xử lý đất yếu nền đường giao thông

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu góp phần làm sáng tỏ tính ưu việt của việc xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc cát đầm chặt;

Kết quả nghiên cứu là cơ sở để mở rộng phạm vi ứng dụng phương pháp cọc cát đầm chặt ở Việt Nam

7 Cấu trúc luận văn:

Luận văn gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận được trình bày trong

108 trang với 25 hình vẽ và 45 bảng biểu

Sau khi trải qua quá trình đào tạo trong nhà trường, nghiên cứu, tìm tòi, đi thực địa và viết luận văn, tối đã hoàn thành bản luận văn thạc sĩ Tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ các thầy cô, bạn bè và các đồng nghệp Đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Địa chất công trình của tôi nghiên cứu về một phương pháp xử lý nền đấy yếu khá mới mẻ Trên thực tế cũng mới được tiến hành tại tuyến đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng và hiện nay công trình vẫn chưa được hoàn thiện Vì vậy, công việc này thực sự chưa có quy trình, tiêu chuẩn nào được đưa ra một cách hiệu quả nhất Tôi cảm thất mình là người may mắn khi chọn được đề tài này nhưng đó cũng là điều gây khó khăn cho tôi khi thực hiện Nhờ sự giúp đỡ tận tình từ giáo viên hướng dẫn - PGS.TS Đỗ Minh Toàn, giáo viên hướng dẫn thực địa ThS Nguyễn Thị Hiền tôi đã hoàn thành luận văn này thành công Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo và các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp

đỡ tôi hoàn thành nhiệm vụ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỌC CÁT ĐẦM CHẶT VÀ BƯỚC ĐẦU ÁP DỤNG

ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM

1.1 Khái quát chung về phương pháp làm tăng độ chặt của đất bằng cọc cát

Phương pháp cọc cát đầm chặt đã được sử dụng khá rộng rãi tại các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc… Thực tế thi công cho thấy, nén chặt đất bằng cọc cát là một phương pháp có hiệu quả khi xây dựng các công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu có chiều dày lớn

1.1.1 Cơ chế làm việc của cọc cát

Cọc cát có tác dụng làm cho độ rỗng, độ ẩm của đất nền giảm đi, khối lượng thể tích, các đặc trưng cơ học của đất tăng lên Do nền đất được nén chặt lại mà sức chịu tải của đất nền tăng lên, độ lún và biến dạng không đồng đều của đất nền dưới

đế móng các công trình giảm đi một cách đáng kể Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng làm việc đồng thời, đất được nén chặt đều trong khoảng cách giữa các cọc

1.1.2 Đặc điểm làm việc của cọc cát

Khi sử dụng cọc cát, trị số modul tổng biến dạng ở trong cọc cát cũng như ở vùng đất được nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm Vì vậy, sự phân bố ứng suất trong nền đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên Tính chất này hoàn toàn không thể có được khi dùng các loại cọc cứng Đối với các nền đất dùng cọc cứng, chúng ta có nhận xét rằng, do modul tổng biến dạng của đất ở xung quanh thân cọc nhỏ hơn rất nhiều lần (vào khoảng 1.000 lần) so với modul biến dạng của vật liệu cọc, do đó toàn bộ tải trọng của công trình do móng tiếp nhận sẽ truyền lên các cọc, các lớp đất ở dưới mũi cọc và xung quanh cọc Trong trường hợp này, đất ở giữa các cọc hầu như không tham gia chịu lực và độ lún của công trình do các lớp đất ở dưới mũi cọc quyết định

Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn nhiều so với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng Phần lớn độ lún của nền đất gia cố bằng cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công

trình mau chóng đạt đến giới hạn lún ổn định Nguyên nhân là do cọc cát làm việc như các giếng thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của tải trọng ngoài Điều này không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng

1.1.3 Tính ưu việt và phạm vi áp dụng của cọc cát

Tính ưu việt của cọc cát về mặt kinh tế còn thể hiện ở vật liệu cọc Cát dùng trong cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với gỗ, thép, bê tông cốt thép dùng trong cọc cứng và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có tính xâm thực Biện pháp thi công cọc cát tương đối đơn giản, không đòi hỏi những thiết bị phức tạp Do những ưu việt kể trên nên giá thành xây dựng khi dùng cọc cát thường rẻ hơn so với một số phương án khác như cọc gỗ, cọc bê tông và bê tông cốt thép Kinh nghiệm xây dựng cũng như những kết quả đã nghiên cứu cho thấy rằng, sử dụng cọc cát là một phương pháp dùng có hiệu quả để nén chặt các lớp đất yếu có chiều dày lớn như các loại đất cát nhỏ, cát bụi rời ở trạng thái bão hòa nước, các đất cát xen kẽ những lớp bùn mỏng, các loại đất dính yếu (sét, sét pha, cát pha trạng thái chảy, dẻo chảy, dẻo mềm) cũng như các loại đất bùn và than bùn

1.1.4 Nguyên lý thi công cọc cát

Việc thi công đóng cọc cát được tiến hành nhờ các máy chuyên dụng bao gồm bộ phận chấn động, máy rung ấn ống thép (đường kính 40-60cm) vào lòng đất đến độ cao thiết kế

Sơ đồ và nguyên lý thi công cọc cát thông thường:

Hình 1.1: Sơ đồ thi công cọc cát thường

Ống thép được hạ xuống nền đất bằng búa đóng cọc hoặc phương pháp chấn động Để làm tăng tốc độ cố kết, cát dùng làm vật liệu cọc thường là loại cát hạt to hay hạt trung Cát yêu cầu phải sạch, hàm lượng bụi và sét lẫn vào không quá 3%, không lẫn những đất hòn to có kích thước lớn hơn 6 mm Hiện nay, có 2 phương pháp thi công cọc cát thông thường

+ Thi công cọc cát bằng phương pháp đầm nện được tiến hành như sau: Bước 1: đóng những cọc lõi bằng gỗ hay bằng thép xuống tới cao trình thiết kế; Bước 2: tiếp theo rút cọc lên và nhồi cát vào lỗ cọc theo từng lớp;

Bước 3: trong khi thi công bước 2 thì kết hợp đầm từng lớp một bằng búa treo, mỗi lớp có chiều dày vào khoảng 1,00 - 1,25m

+ Thi công cọc cát bằng phương pháp chấn động được tiến hành như sau: Bước 1: hạ ống thép tới độ sâu thiết kế (hình 1.3);

Bước 2: nhấc máy chấn động ra, nhồi cát vào và đổ cao chừng 1m, sau đó đặt máy chấn động vào rung trong khoảng 15-20 giây;

Bước 3: bỏ máy chấn động ra và rút ống lên khoảng 0,5m rồi lại đặt máy chấn động vào rung trong khoảng 10-15 giây để cho đầu nhọn của ống mở ra, cát tụt xuống

Bước 4: Sau đó rút ống lên dần với tốc độ đều, vừa rút ống vừa rung khi nào ống chỉ còn lại trong đất khoảng chừng 0,5 - 0,8m, lúc đó mới bỏ máy chấn động ra

Hình 1.2: Đầu mũi ống thép

Ta có thể tóm tắt quá trình thi công cọc cát bằng một số hình ảnh sau đây:

Hình 1.3: Đặt ống vách đúng vị trí thi công

Hình 1.4: Hạ ống vách thép vào trong đất yếu

Hình 1.5: Đổ cát và nước đã chuẩn bị sẵn qua "cửa sổ" ở đỉnh cọc ống thép

Hình 1.6: Dùng phương pháp chấn động vừa rung vừa rút ống thép lên khỏi

mặt đất

1.1.5 Kiểm tra chất lượng cọc cát đã thi công xong

Sau khi thi công xong, nền gia cố bằng cọc cát phải được kiểm tra chất lượng bằng các biện pháp sau đây:

- Khoan lấy mẫu đất ở giữa các cọc cát để xác định khối lượng thể tích nén chặt của nền đất, hệ số rỗng sau khi nén chặt và cường độ chống cắt sau khi nén chăt Từ đó tính ra được cường độ của đất nền sau khi đã được gia cố So sánh với giá trị thiết kế (Áp dụng tiêu chuẩn 22 TCN 259 - 2000)

- Dùng xuyên tiêu chuẩn (SPT) để kiểm tra độ chặt của cát trong cọc cát và đất giữa cọc cát (Áp dụng theo tiêu chuẩn TCVN 226 - 1999)

- Nén tĩnh bằng bàn nén tại hiện trường trên nền đã gia cố, diện tích bàn nén thường chọn lớn hơn 4,0m2 để trùm khít ít nhất 3 cọc cát (Áp dụng tiêu chuẩn TCVN 80 - 1980)

1.2 Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt

Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát có mục đích làm chặt nền, tăng sức chịu tải của đất Giải pháp này được áp dụng rất phổ biến ở Việt Nam trong những năm gần đây, nhất là trong các dự án xây dựng công trình giao thông đường bộ Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ thi công nên chiều sâu xử lý còn hạn chế Tại nhiều

dự án, việc xử lý nền đất yếu chưa đạt được các yêu cầu kỹ thuật Thực tế thi công

xử lý nền đất yếu ở Việt Nam đòi hỏi phải có các giải pháp, công nghệ và thiết bị

thi công đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra nhất là giảm lượng lún dư sau khi đưa công trình vào khai thác, kinh phí hợp lý phù hợp với điều kiện của Việt Nam Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt (Sand Compaction Pile - SCP) cho phép đường kính cọc lên tới 800mm và độ sâu xử lý đến 40m, khá phù hợp và có hiệu quả đối với các dự án giao thông nhất là nền đường đầu cầu, nền cống chui, hầm chui khi xây dựng trên các lớp đất yếu có bề dày lớn

Phương pháp cọc cát đầm chặt là một phương pháp cải tạo đất yếu đã được phát triển ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan, Phương pháp này sử dụng cách rung

hạ ống vách thép vào trong các lớp đất yếu và nhồi cát hoặc những vật liệu tương tự vào bên trong để tạo ra các cọc cát đầm chặt

Hiệu quả của cọc cát đầm chặt:

- Đối với đất dính:

+ Tăng sức chịu tải của nền đất;

+ Tăng áp lực bị động;

+ Tăng khả năng chịu tải ngang;

+ Tăng độ ổn định cho nền đường;

+ Giảm độ lún

- Đối với đất rời:

+ Tăng sức chịu tải cho nền đất;

+ Giảm độ lún;

+ Giảm sự hóa lỏng khi có động đất

Tại Nhật, hơn 69.960.000 m cọc cát đầm chặt và giếng cát được xây dựng trong 25 năm Trong 90% cọc cát đầm chặt đã được dùng ở Nhật để chống đỡ các tải trọng nặng, các thùng chứa, nền đường bộ và đường sắt, các công trình cảng

1.2.1 Đặc điểm của phương pháp cọc cát đầm chặt

Phương pháp cọc cát đầm (SCP) sử dụng tải trọng nén kết hợp rung để xuyên một ống nhồi cát và đầm chặt vào lớp đất yếu hoặc có kết cấu xốp, rời rạc làm cho nền đất được nén chặt, hệ số rỗng giảm, từ đó tăng cường độ và môđun biến dạng của đất nền Đồng thời dưới áp lực của tải trọng ngoài, cọc cát làm việc như một

giếng cát thoát nước, quá trình cố kết của nền đất diễn ra nhanh hơn Khi xử lý nền bằng cọc cát đầm chặt có thể xem cọc cát với đất nền xung quanh làm việc đồng thời như nền đất hỗn hợp

Ưu điểm: hiệu quả trong việc chống trượt và gia tăng tốc độ cố kết của đất nền, giảm thời gian thi công đặc biệt khi xử lý nền móng của các hầm chui Chi phí xây dựng thấp hơn so với các giải pháp cùng công nghệ xử lý sâu như cọc đất xi măng hoặc sàn giảm tải

Nhược điểm: công nghệ và thiết bị thi công chưa phổ biến tại Việt Nam, yêu cầu cần có khối lượng vật liệu lớn, khi thi công gây chấn động xung quanh phạm vi làm việc tương đối rộng

1.2.3 Thiết bị thi công

Hình 1.7: Thiết bị thi công cọc cát đầm chặt 1: cần trục, 2: ống vách, 3: búa rung, 4: thiết bị chứa cát, 5: bình tạo áp lực khí

Các thiết bị chính phục vụ quá trình thi công cọc đầm chặt:

+ Ống vách thép được hạ xuống độ sâu thiết kế bằng búa rung;

+ Ống vách thường kéo dài hơn chiều dài yêu cầu của cọc cát đầm để có thể rút lên khỏi mặt đất sau khi đạt đến chiều sâu thiết kế;

+ Toàn bộ ống thép được dùng để chống đỡ đất xung quanh trong suốt thời gian thi công

- Búa rung:

+ Trọng lượng búa rung từ 40 - 53 kN (4,5 - 6 T);

+ Búa rung được gắn trức tiếp vào ông vách;

+ Thường dùng búa rung có tần số thấp và biên độ cao với tấn số khoảng 500

- 600 cpm (vòng / phút) và biên độ trong chế độ không tải là 15 -18mm Biên độ được xác định là một nửa của chuyển vị đầu cọc;

+ Thường dùng búa rung đóng cọc có các motor khoảng 90 -120 kW và tạo

+ Các voi phun nước có áp lực lên tới 85 kG/cm2;

+ Các vòi phun nước thường được sử dụng khi hạ ống vách thép vào các lớp

đá có chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT (N) là 15 -20

1.2.4 Yêu cầu vật liệu cát

Cát được dùng để thi công cọc cát là các loại cát hạt to, cát hạt trung Cát yêu cầu phải sạch không lẫn các tạp chất cũng như không lẫn bụi, hàm lượng muối không vượt quá 3% , đồng thời không lẫn các hạt to có kích thước lớn hơn 6cm

Cát để thi công cọc cát đầm chặt phải có hàm lượng hữu cơ <5%, cỡ hạt lớn hơn 0,25mm chiếm trên 50%, cỡ hạt lớn hơn 0,08mm chiếm ít hơn 5%

Cát phải thỏa mãn nhưng điều kiện sau:

2 30

)(

D D

Biện pháp cọc cát đầm chặt được thi công bằng biện pháp rung động kết hợp

có ưu điểm là sử dụng được một cấp phối hạt rộng bằng cát như hình vẽ

1.2.5 Quản lý chất lượng

1.2.5.1 Quản lý chất lượng trong quá trình thi công

Để đảm bảo quá trình thi công thuận lợi và đạt chất lượng cao cần quan tâm đến một số vấn đề sau:

- Số lượng cọc cát đầm;

- Cao độ đỉnh cọc và mũi cọc của mỗi cọc cát đầm chặt;

- Số lượng thùng chứa cát để nhồi vào mỗi cọc;

- Năng lượng tiêu thụ của búa rung trong cả quá trình rung xuống, năng lượng trong suốt quá trình thi công Ngày tháng và các thông số xác định cọc cát cũng được ghi lại;

- Thời gian để đóng xuống và thời gian hoàn thành mỗi cọc cát đầm chặt;

- Các thông tin về chướng ngại vật, sự cản trở thi công và các bất thường khác của nền đất

Hệ thống quản lý thông tin giúp cho quá trình xây dựng công trình có độ chính xác cao hơn do dễ dàng quản lý được các số liệu quan trắc Việc quản lý chất lượng được tính toán và đảm bảo an toàn trong quá trình xây dựng nhờ việc xử lý các thông tin trong thời gian thi công nền, điều kiện máy hoạt động Các dữ liệu được quản lý bằng một máy tính cá nhân

Hệ thống thông tin của các cọc cát được quản lý bằng bảng tính Excel Mỗi cọc cát có một bảng tính riêng gồm các thông tin về chiều sâu của ống vách, tốc độ rút lên và cao độ của các trong ống vách để điều khiển quá trình nhồi cát vào nền đất Hệ thống quản lý thông tin sẽ tạo ra các dữ liệu theo định dạng ASC II, bao gồm các thông tin cơ bản như vị trí cọc cát, ngày và các thông tin về yêu cầu công tác thi công Sau đó hệ thống sẽ trích ra dữ liệu hai chiều từ các dữ liệu ba chiều: thiết lập mối quan hệ giữa vị trí tọa độ Y -Z với tọa độ của một ô trong bảng tính và ghi lại toàn bộ các số liệu trên một bảng tính mới Nó cũng có thể phân tích số liệu trên một cột hay dòng hay toàn bộ dữ liệu và các độ lệch chuẩn, tạo ra các biều đồ

để phân tích các kết quả tại vị trí cần thiết

Hình 1.9: Bảng mã hóa thông tin của một cọc cát đầm chặt trên Excel Trình tự hoạt động của hệ thống như sau:

- Các thông tin cần thiết như vị trí xây dựng và loại đất cải tạo được đưa vào bằng cách chọn trên các menu;

- Đối với mỗi mặt cắt, máy tính sẽ tính toán tự động như điều kiện đất nền, điều kiện điều khiển của máy và phương pháp đưa vật liệu vào, truyền các dữ liệu

từ mỗi thiết bị đo đạc đến một máy tính cá nhân ghi lại Nó cũng có thể đưa ra giá trị xuyên tiêu chuẩn N ước tính dựa vào điều kiện tải trọng của máy thi công để có thể quản lý chất lượng sau khi xây dựng và ước tính trong quá trình thi công

- Quá trình thực hiện của hệ thống không những đưa ra các thông tin trực tiếp đến chất lượng mà còn cũng cấp các thông tin liên quan đến yêu cầu của công việc, kế hoạch thi công, điều kiện máy móc, điều kiện bảo dưỡng, ghi lại các thông

số của máy, tên của công nhân và thời gian cần thiết để làm việc

- Bằng trực quan, thông tin chỉ ra trong quá trình xây dựng theo mặt bằng và các mặt cắt, hệ thống không những quản lý được chất lượng và độ ổn định của mỗi cọc cát đầm mà còn đưa ra các thông tin cho toàn bộ quá trình thi công hay tại mỗi mặt cắt

1.2.5.2 Đánh giá chất lượng sau khi thi công cọc cát đầm chặt

Phương pháp đánh giá chất lượng sau khi thi công cọc cát đầm chặt có thể

chia ra làm các loại sau:

+ Đối với bản thân cọc cát có thể kiểm tra bằng thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT

- Khi nền đất được xử lý là đất dính: tiến hành thí nghiệm SPT tại tâm cọc,

cứ 2m thì đóng SPT 1 lần Tùy theo tiêu chuẩn cụ thể yêu cầu giá trị SPT - N trong khoảng 10 đến 20 búa

- Khi nền đất được xử lý là đất rời: tiến hành thí nghiệm SPT tại tâm cọc, cứ 2m thì đóng SPT 1 lần Giá trị SPT yêu cầu lớn hơn 15 búa

+ Đối với toàn bộ nền đất hỗn hợp: có thể thực hiện thí nghiệm cắt cánh ở hiện trường hoặc thí nghiệm nén 3 trục cho mẫu đất hỗn hợp Kết quả tính toán là các đặc trưng sức chống cắt của nền đất hỗn hợp So sánh kết quả với các giá trị thiết kế ta có thể biết hiệu quả của việc xử lý nền đất này

- Thí nghiệm nén 3 trục được áp dụng với các mẫu đất hỗn hợp gồm nền đất và cọc cát đầm chặt Mẫu đất có đường kính 10cm và chiều cao 10cm, gồm có một phần của cọc cát đầm là 5cm, sét là 5cm Giả thiết mọi cơ chế phá hoại là một mặt trượt gồm có cả cọc cát và đất, được chỉ ra như hình vẽ Đối với mẫu đất hỗn hợp được thí nghiệm nén 3 trục xem xét đến áp lực hông σh Ứng suất thẳng đứng tác dụng vào phần cọc cát đầm là σvs và ứng suất thẳng đứng tác dụng vào phần sét là σvc

Hình 1.10: Các thành phần ứng suất tác dụng lên mẫu đất hỗn hợp

Theo tác giả Enoki, có thể xác định ứng suất cắt trên mặt trượt theo công thức:

s s h

vs h vs s

c

2 2

( ) 1

Tổng ứng suất thẳng đứng σv được tính theo biểu thức sau:

σv=as..σvs+(1-as)σvs (1.3) Phần cọc cát và phần sét hình trụ được bọc bởi màng cao su mỏng, có nắp cứng đặt trên bệ Tách riêng để sao cho khi tiếp nhận ứng suất thẳng đứng thì sự thay đổi thể tích hay áp lực nước lỗ rỗng có thể thu được riêng rẽ

Thí nghiệm cắt đơn giản cũng được áp dụng cho phân tố đất hỗn hợp để nghiên cứu sự thay đổi của các thành phần sức kháng theo các hướng Mẫu có đường kính 5cm và cao 2,5cm bao gồm cát khô có đường kính 2,5cm được bọc bằng mang cao su Yêu cầu tốc độ cắt 3mm/phút, các kết quả trong điều kiện cắt không thoát nước của đất sét

+ Quan trắc

Đối với công trình xây dựng trên nền đất yếu cần tiến hành quan trắc theo quy định của quy trình 22 TCN 262 - 2000

- Đo chuyển vị ngang

Mốc đo chuyển vị ngang làm bằng gỗ tiết diện 10 x 10cm, đầu có gắn đinh Mốc được đóng sâu vào trong đất 1m và cao lên trên mặt đất là 3m, được bố trí trên trắc ngang Mỗi trắc ngang bố trí 6 mốc (mỗi bên 3 mốc) Mốc thứ nhất cách chân taluy nền đắp 2m Dùng mốc chuẩn và máy kinh vĩ để đo chuyển vị ngang theo thời gian, mỗi ngày đo chuyển vị ngang 1 lần Đoạn tuyến dài 100m nên bố trí một trắc ngang để quan trắc

Hình 1.11: Công tác đo chuyển vị ngang sâu

- Quan trắc lún

Bàn đo lún có kích thước 50x50 cm, dày trên 3cm, được gắn chắc chắn với cần đo Cần đo làm bằng thép có ren nối, đường kính d=40mm Bên ngoài cần đo có một vách chắn đất, đường kính d = 100mm Cần đo và ống vách được làm thành từng đoạn 50cm để tiện nối theo chiều cao đắp

Bố trí hai trắc ngang đều trên đoạn xử lý, trên mỗi trắc ngang bố trí 3 bàn đo lún (1 bàn tại tim nền đường, 2 bàn tại mép vai nền đường)

Đặt bàn đo lún sao cho mặt đáy nằm ngang, cần đo thẳng đứng, lắp ống bảo vệ (vách chắn đất), rồi đo cao độ của mặt đất và đỉnh cần đo Sau đó mỗi ngày đo 1 lần trong suốt quá trình đắp Kết quả quan trắc được phải đảm bảo yêu cầu như đã nói trên (22TCN 262 -2000) nếu không thì phải báo cho tư vấn để có điều chỉnh kịp thời

Dùng mày thủy bình để đo lún, mỗi ngày đo 1 lần

- Đo mực nước ngầm:

Hình 1.12: Công tác quan trắc mực nước ngầm

+ Đo áp lực nước lỗ rỗng

Sử dụng máy đo áp lực nước lỗ rỗng LPC thủy lực để đo áp lực nước lỗ rỗng

ở các thời điểm khác nhau

Hình 1.13: Công tác đo áp lực nước lỗ rỗng

1.3 Trình tự thiết kế cọc cát đầm chặt

Hình 1.14: Sơ đồ bố trí cọc cát đầm chặt Cọc cát đầm chặt được sử dụng để xử lý cho những đoạn có nền đường đắp trên đất yếu nhằm mục đích giảm độ lún, tăng khả năng giữ ổn định trượt sâu và tăng sức chịu tải của nền đất Thiết kế cọc cát đầm chặt theo trình tự sau:

- Xác định điều kiện thiết kế như điều kiện đất nền, điều kiện tải trọng,

- Tính toán độ lún So và hệ số ổn định Fs (theo phương mặt trượt trụ tròn) của nền đất tự nhiên Nếu S0 và Fs không thỏa mãn theo điều kiện của quy trình 22TCN

262 - 2000 của Bộ Giao thông vận tải cho phép thì có thể xem xét sử dụng cọc cát đầm chặt

- Xác định các yếu tố của cọc cát đầm chặt (chiều dài, đường kính, sơ đồ bố trí và khoảng cách giữa các cọc, tỷ số thay thế diện tích, hệ số tập trung ứng suất, ), để từ đó có thể tính toán về độ lún, hệ số ổn định và sức chịu tải của nền đất khi có sử dụng cọc cát đầm chặt

1.3.1 Điều kiện thiết kế cọc cát đầm chặt

Điều kiện thiết kế được xác định cùng với việc xem xét các mục đích, chức năng và sự quan trọng của kết cấu công trình dự kiến và các hệ số xét đến các ảnh hưởng của tải trọng, điều kiện công trường, điều kiện đất nền tự nhiên và các yếu

tố khác

Theo quy trình khảo sát thiết kế nền đường đắp trên nền đất yếu 22 TCN 262

- 2000 của Bộ Giao thông vận tải, nền đường đắp trên đất yếu phải đảm bảo ổn định không bị phá hoại trong trượt trồi trong quá trình đắp và trong suốt quá trình sử dụng sau này Cụ thể phải đảm bảo các yêu cầu dưới đây:

- Độ lún cho phép: độ lún còn lại nên lấy nhỏ hơn 10 - 30 cm;

- Hệ số an toàn: hệ số ổn định về trượt theo phương pháp mặt trượt trụ tròn lấy lớn hơn 1,2 (trong giai đoạn thi công) và lấy lớn hơn 1,4 (trong giai đoạn khai thác) khi tính toán theo phương pháp của Bishop có xét đến sự tương tác giữa các mảnh đất với nhau;

- Điều kiện về tải trọng: trong trường hợp này tải trọng tính toàn bao gồm cả tải trọng nền đường đắp và tải trọng của các phương tiện giao thông trên đường được đưa vào để tính toán bằng cách quy đổi thành lớp đất đắp;

- Hình thức sắp xếp bố trí cọc:

+ Mặt bằng: trong cải tạo đất bằng cọc cát đầm chặt, cọc được sắp xếp theo lưới ô vuông hoặc lưới tam giác đều

(a) (b) Hình 1.15: Mặt bằng bố trí cọc (a) và mặt cắt dọc cọc cát (b)

+ Mặt đứng: Khi gia cố nền đất yếu bằng cọc cát đầm chặt thì tùy vào chiều dày của tầng đất yếu mà có thể sử dụng hai phương pháp là cọc treo vào cọc chống

Có 2 kiểu bố trí cọc là cọc chống và cọc treo (hình 1.16 và hình 1.17)

Hình 1.16: Cọc chống

Hình 1.17: Cọc treo

1.3.2 Thiết kế xử lý nền đất yếu là đất rời bằng cọc cát đầm chặt

Khi thiết kế cần xác định hai yếu tố quan trọng đó là đường kính (D) và khoảng cách giữa các cọc cát (x) Trong thực tế đường kính của cọc cát đầm chặt thường lấy khoảng 600 - 800 mm

Cần xác định hệ số rỗng ban đầu e0 và hệ số rỗng của nền đất giảm xuống sau khi sử dụng biện pháp cọc cát đầm chặt e1 Hệ số rỗng ban đầu co e0 (tương ứng với độ chặt tương đối là Dr0 và chỉ số xuyên tiêu chuẩn N0) có thể xác định dựa vào đường kính có hiệu D60 và hệ số không đồng nhất Cu của đất ở trạng thái tự nhiên

Hệ số rỗng e1 được xác định qua độ chặt tương đối Dr1 hoặc chỉ số xuyên tiêu chuẩn N1 Xác định hiệu quả lấp đầy của vật liệu cọc qua tỷ số thay thế as

0 0

1 0

1

e e

e e

A 2  (các cọc bố trí theo mạng lưới hình vuông) (1.5)

s

s

a

A x

A( 3/2) 2  (các cọc bố trí theo mạng lưới hình tam giác đều) (1.6)

Trong đó: As là diện tích tiết diện mặt cắt ngang của cọc cát đầm,

4

.D2



với D là đường kính cọc cát đầm Từ các công thức trên có thể xác định được khoảng cách giữa các cọc cát đầm chặt (x)

Hình 1.18: Mối liên hệ giữa độ chặt tương đối và hệ số rỗng theo Masaki

Kitazume

Hình 1.19: Mối liên hệ giữa chỉ số xuyên tiêu chuẩn của đất chưa gia cố Ni với

chỉ số Nti sau cải tạo theo Masaki Kitazume Cách xác định as theo biểu đồ:

+ Từ biểu đồ hình 1.18 biết chỉ số SPT ban đầu N0 và v’ tra được Dr0; + Biết Dr0 tra được hệ số rỗng e;

+ Từ biểu đồ hình 1.19 biết N1 tra được as hoặc từ N0 và as suy ra N1

Chú ý: thực tế cho thấy, khi thi công cọc cát đầm chặt nếu cọc cát đầm có

chứa nhiều hàm lượng hạt mịn thì sẽ giảm hiệu quả cải tạo, do đó khi tính toán và thiết kế cọc cát đầm chặt cần xét đến ảnh hưởng của hàm lượng hạt mịn Có thể thiết kế theo trình tự sau:

Bước 1: Xác định hệ số rỗng của đất rời ở điều kiện tự nhiên e0 tương ứng với chỉ số xuyên tiêu chuẩn N0 ở điều kiện tự nhiên

+ Xác định hệ số rỗng lớn nhất và nhỏ nhất theo hình vẽ dựa vào hàm lượng hạt mịn Fc được xác định như sau:

Fc = [(Hàm lượng hạt mịn nhỏ hơn 75)/tổng khối lượng đất] x 100

Hình 1.20: Mối quan hệ giữa emax , emin với FcHoặc có thể xác định emax, emin theo công thức liên hệ với Fc:

emax = 0.02Fc + 1.0 (1.7)

emin = 0.008Fc + 0.6 (1.8) +Hệ số rỗng ban đầu của đất rời có thể xác định theo công thức sau:

e0 = emax - Dr0.(emax - emin )/100 (1.9) Trong đó: Dr0 là độ chặt tương đối của đất rời, được xác định theo công thức kinh nghiệm của tác giả Meyerhof

Dr (%) = 21 N/(0.7v) (1.10) Trong đó:

’v: ứng suất có hiệu do trọng lượng bản thân đất gây ra (kg/cm2)

Bước 2: Xác định hệ số giảm hiệu quả cải tạo do xét đến hàm lượng hạt mịn s

)'(

)

*'(

0 1

N N

N N N

+ N: độ tăng chỉ số xuyên N khi xét hàm lượng hạt mịn;

+ N’: độ tăng chỉ số xuyên N khi không xét hàm lượng hạt mịn

Có thể tính toán hệ số giảm hiệu quả cải tạo nền đất theo công thức liên hệ với Fc:

)log(

.51.005

N1* = N0 + s (N’1 - No) (1.14) Bước 5: Xác định hệ số rỗng của đất sau khi sử dụng cọc cát đầm là e1 theo chỉ số xuyên N0, N1*

Bước 6: Xác định tỷ số thay thế diện tích as theo e0, e1

Bước 7: Xác định khoảng cách giữa các cọc cát đầm chặt theo tỷ số thay thế diện tích as

Hình 1.22: Sơ đồ tính toán xử lý nền đất là đất rời

1 e

e e

emax = 0.02Fc + 1.0; emin = 0.008Fc + 0.6; s = 1.05 - 0.51log(Fc)

4 Độ chặt tương đối của đất sau khi sử dụng cọc cát đầm

1.3.3 Thiết kế xử lý nền đất yếu là đất dính bằng cọc cát đầm chặt

1.3.3.1 Kiểm toán về cường độ, tính ổn định

1.3.3.1.1 Tính toán về cường độ

a Tính toán sức chịu tải của cọc đơn

Phương pháp dự tính sức chịu tải của cọc đơn dựa trên điều kiện coi cọc cát làm việc như cọc và truyền tải trọng của nền đường xuống nền đất bên dưới Khi chịu tác dụng của tải trọng thì cọc đơn có thể bị phá hoại theo các hình thức sau:

* Phình sang 2 bên cọc

Kiểu phá hủy phình ra thường gặp ở các cọc cát đầm chặt dài tựa trên lớp đất cứng Ứng suất xung quanh cọc cát đầm chặt thường được lấy bằng lực kháng bị động tối đa nền đất có thể đạt được khi cọc bị phình ra

Hầu hết các ước tính hiện nay về khả năng chịu tải tối đa của cọc đơn đều dựa vào các giả định trên

Theo Hughes và Withers (1974), Gibson và Anderson thì ứng suất theo phương ngang trong trường hợp không thoát nước của đất xung quanh cọc là:

.2ln13

v c

3: ứng suất tối đa theo phương ngang trong điều kiện không thoát nước;

r0: tổng ứng suất khi thi công theo phương ngang (ban đầu);

Es: mô đun đàn hồi của cọc;

v: hệ số poisson

+ Sức chịu tải của cọc đơn theo Hughes và Withers (1974) là:

s

s s

r ult

v c

E c

sin1)1.(

.2ln10

qult: sức chịu tải của cọc đơn;

r0: tổng ứng suất khi thi công theo phương ngang (ban đầu);

Es: mô đun đàn hồi của cọc;

v: hệ số poisson

s: góc ma sát trong của cọc cát đầm chặt

Cũng có thể tính theo công thức của tác giả Vesic:

+ Ứng suất theo phương ngang:

3 = c.F’c + q.F’q (1.17) Trong đó:

3: ứng suất bao quanh cọc;

q: ứng suất tại độ sâu phá hoại tương đương, q =

3

3 2

1.(

s

s q

sin1)'.'.(







 (1.18) Giá trị ứng suất q có thể được lấy tại độ sâu trung bình khi xảy ra phá hoại phình ra

* Phá hoại cắt: cắt qua cọc

Đối với các cọc ngắn có thể xảy ra sự phá hoại theo kiểu phá hoại cắt Khả năng chịu tải tối đa cho trường hợp biến dạng phẳng là:

qult = c0.N0 + 0.5 .B.N + .Df.Nq (1.19) Trong đó:

c0: sức kháng cắt không thoát nước ban đầu của đất sét;

N0, N, Nq: các hệ số sức chịu tải được tra bảng;

: khối lượng riêng của đất sét;

b Tính toán sức chịu tải nhóm cọc

Nhìn chung, để đánh giá khả năng chịu tải tối đa của nhóm cọc cát đầm chặt người ta giả thiết rằng góc ma sát trong của đất dính xung quanh cọc và lực dính kết trong cọc cát đầm chặt là không đáng kể Ngoài ra, còn giả thiết thêm rằng cả cọc cát đầm chặt lẫn đất dính huy động tối đa độ bền Theo đề xuất của Barksdale và Bachus (1983), khả năng chịu tải tối đa của nhóm cọc cát đầm chặt được xác định bởi hai đường bao phá hủy tuyến tính tiệm cận với bề mặt phá hủy Với các thông

số như ứng suất tối đa thẳng đứng qult, ứng suất bao quanh 3 là các ứng suất pháp chính, để nêm phá hủy đạt trạng thái cân bằng cần:

qult = 3.tan2 + 2cavg.tan (1.20) Trong đó:

cu: sức kháng cắt không thoát nước của đất dính chưa được gia cường;

s: góc ma sát trong của cọc cát đầm chặt;

avg : góc ma sát trong trung bình tổng hợp;

cavg: lực dính trung bình tổng hợp khi xảy ra phá hủy

Cách tiếp cận trên chưa xem xét khả năng phá hủy phình cục bộ của từng cọc Do vậy, nó chỉ áp dụng được đối với các loại đất dính tương đối chắc khỏe với

độ bền không thoát nước lớn hơn 30 - 40 kN/m2 Tuy nhiên, cách này cũng có lợi cho việc ước tính các thông số thiết kế xử lý, ví dụ như đường kính cọc, khoảng cách giữa các cọc, tăng sức bền do cố kết và góc ma sát trong

- Đối với các loại đất dính yếu và rất yếu, khả năng của nhóm cọc được ước tính bằng cách sử dụng khả năng chịu tải của một cọc đơn nhân với số cọc trong nhóm (Barksdale và Buchus, 1983) Khả năng chịu tải tối đa của một cọc đơn được tính theo công thức:

qult = c.N1c (1.25) Trong đó:

N1c: hệ số khả năng chịu tải tổng hợp của cọc cát đầm chặt thay đổi từ 18 đến 22

1.3.3.1.2 Tính toán ổn định

a Phương pháp quy đổi tương đương

Tính toán theo phương pháp này cả cọc cát đầm chặt và nền đất được thay thế bằng một lớp đất đồng nhất có các chỉ tiêu cơ lý tương đương được xác định như sau:

- Khối lượng thể tích trung bình trong phạm vi đất hỗn hợp là:

tb = s.as + c(1-as) (1.26) Trong đó:

s, c: khối lượng thể tích bão hòa của cát đầm chặt và của đất nền

- Góc ma sát trong của nền đất hỗn hợp là:

tb

s c c s s s tb

a tg

tg a tg

ctb = csas+cu(1-as) (1.28)

- Modun đàn hồi của nền đất hỗn hợp là:

sc sc c c e e s

W X

R l

l l F

)

.(     

Trong đó:

le: chiều dài của cung tròn trong phạm vi nền đường đắp;

e: sức kháng cắt của đất đắp nền đường;

lsc: chiều dài cung trượt trong đất cải thiện;

sc: sức kháng cắt trung bình của đất cải thiện;

lc: chiều dài cung tròn thuộc phần đất yếu;

c: sức kháng cắt của đất nền;

R: bán kính của cung tròn;

WE: trọng lượng của đất nền;

XE: khoảng cách từ trọng tâm đến tâm đường tròn;

Phân tích ưu, nhược điểm của phương pháp quy đổi tương đương

- Ưu điểm: phương pháp này đơn giản, có thể áp dụng phương pháp mặt trượt trụ tròn bằng các phần mềm Slope - W một cách dễ dàng

- Nhược điểm: phương pháp này chưa xét đến sự tương tác và phân bố ứng suất giữa cọc với đất nền xung quanh

b Phương pháp xét đến sự làm việc giữa cọc và đất

Khi tính toán ổn định theo phương pháp mặt trượt trụ tròn, lực cắt tại độ sâu

z được giả thiết như hình vẽ dưới, trong đó xét đến sự chống cắt được huy động của

cả cọc cát và đất dính xung quanh để chống lại các lực thẳng đứng

Hình 1.23: Phương pháp tính ổn định xét đến sự làm việc giữa cọc và đất Phương pháp này xem xét sự phân bố của cọc cát đầm chặt và của nền đất xung quanh cọc trong phạm vi một đơn nguyên Khi nền đất hỗn hợp chịu tải trọng tác dụng thì xuất hiện sự tập trung ứng suất trên cọc cát đầm chặt và kèm theo sự giảm ứng suất của đất dính xung quanh Điều này có thể giải thích là khi chất tải, độ lún của cọc cát đầm chặt và của đất xung quanh xấp xỉ nhau, cho nên ứng suất sẽ tập trung trên cọc cát đầm chặt do cọc có độ cứng lơn hơn đất dính ở xung quanh

Sự phân bố ứng suất trong phạm vi một đơn nguyên được biểu thị bằng hệ số tập trung ứng suất như sau:

s s

s

   (1.33)

c c

c

   (1.34)