Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật dưới nền đường đắp cao tại huyện cai lậy, tỉnh tiền giang

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật dưới nền đường đắp cao tại huyện Cai Lậ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

BÙI HỮU HIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO TẠI HUYỆN CAI LẬY - TỈNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LONG AN, NĂM 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

BÙI HỮU HIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO TẠI HUYỆN CAI LẬY - TỈNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGỌC PHÚC

LONG AN, NĂM 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các tạp chí khoa học và công trình nào khác

Các thông tin số liệu trong luận văn này đều có nguồn gốc và được ghi chú rõ ràng./

Tác giả

Bùi Hữu Hiệp

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật dưới nền đường đắp cao tại huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang” tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của thầy, cô giáo Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An và các bạn học viên Cao học để hoàn thành luận văn này

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến thầy Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Phúc, người thầy đã nhiệt tình hướng dẫn, tận tâm giúp đỡ tôi về các kiến thức, tài liệu, phương pháp trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng QLĐT-Tuyển sinh, Phòng Sau đại học và Quan hệ quốc tế, quý thầy cô giáo đã tham gia quản lý, giảng dạy tại trường Đại học Kinh tế và Công nghiệp Long An đã quan tâm và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học

Sau cùng, tôi xin gửi lời tri ân đến gia đình, các bạn học viên Cao học Khóa 8

và tất cả những người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có thể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp

và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Tác giả

Bùi Hữu Hiệp

NỘI DUNG TÓM TẮT

Công trình trên nền đất yếu thường phải đối mặt với nhiều vấn đề như lún ổn định, bù lún Việc xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng độ ổn định, giảm độ lún nền đường; giảm độ lún lệch giữa nền đường và mố cầu; đảm bảo yêu cầu sử dụng bình thường trong quá trình khai thác Trong nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu phổ biến như: trụ đất xi măng; giếng cát hoặc bấc thấm kết hợp gia tải trước; bơm hút chân không.v.v thì giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều do giải pháp xử lý nền này có thời gian thi công nhanh, mặt bằng thi công nhỏ, thiết bị thi công đơn giản, tiết kiệm vật liệu san lấp ngày càng khan hiếm ở địa phương

Việc xây dựng công trình đắp trên nền đất yếu thường sử dụng phương pháp đào bỏ thay thế đất nền hoặc xử lý gia cố nền đất yếu bằng nhiều giải pháp trong đó

có gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật

Luận văn nghiên cứu giải pháp gia cố nền đất yếu để rút ngắn thời gian thi công và hạn chế lượng tài nguyên đắp bù lún rất cần thiết Thực hiện đề tài này còn nhằm tìm ra giải pháp gia cố nền đất yếu nêu trên trong điều kiện địa chất tỉnh Tiền Giang nói chung và của huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang nói riêng

ABSTRACT RESEARCH ON THE BEHAVIOR OF SOFT GROUND REINFORCED BY CEMENT SOIL PILLARS COMBINED WITH GEOTEXTILE UNDER HIGH FOUNDATION IN CAI LAY

DISTRICT - TIEN GIANG PROVINCE

Buildings on soft ground face problems such as stable settlement and soil compensation Soil improvement aims at increasing the stability and reducing the settlement of the roadbed, reducing the settlement deviation between the roadbed and bridge abutment and ensuring the normal usage requirements Among popular solutions for soil improvement such as: cement pillars, sand wells or absorbent wicks combined with preloading, vacuum pump, etc., the solution to treat soft ground with cement pillars has been studied and applied a lot because this ground treatment solution can shorten the construction time, apply for small construction sites, with simple construction equipment and save filling construction materials Structures on soft soil are built by excavation method to replace the ground or improve the ground by different solutions including reinforcement with cement pillars combining with geotextiles

The thesis researches the solutions to reinforce soft soil in order to shorten construction time and limit the amount of filling materials for settlement compensation This research also aims to find out the solutions in geological conditions of Tien Giang province in general and Cai Lay district, Tien Giang province in particular

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xii

PHẦN MỞ ĐẨU 1

1 Sự cần thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XIMĂNG 4

1.1 Khái niệm 4

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của trụ đất xi măng 4

1.1.2 Nguyên tắc gia cố đất nền bằng trụ đất xi măng 7

1.1.3 Công nghệ thi công 8

1.2 Giải pháp gia cố đất yếu nền đường 11

1.2.1 Đặc điểm chung của nền đường 11

1.2.2 Giải pháp gia cố nền đất yếu 12

1.3 Các dạng bố trí trụ đất xi măng 13

1.4 Ứng dụng của trụ đất xi măng 14

1.5 Nhận xét chương 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI MĂNG TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 16

2.1 Các quan điểm và cơ sở tính toán 16

2.1.1 Hiệu ứng vòm trong đất 17

2.1.2 Các thông số diễn tả sự phân bố ứng suất 20

2.1.3 Các phương pháp giải tích tính hệ số SRR 23

2.1.4 Đánh giá các phương pháp 26

2.2 Sự lún giữa trụ và đất yếu trong nền đất gia cố trụ đất xi măng 27

2.2.1 Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ đất xi măng làm việc như trụ

cứng 28

2.2.2 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố trụ đất xi măng Việt Nam 29

2.2.3 Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp của viện kỹ thuật Châu Á (AIT) 34

2.2.4 Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu 37

2.2.5 Phương pháp tính theo tiêu chuẩn Thượng Hải – Trung Quốc 39

2.2.6 Phương pháp tính theo tiêu chuẩn Nhật Bản 40

2.3 Nhận xét chương 41

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 43

3.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn 43

3.1.1 Phương pháp vi phân 43

3.1.2 Phương pháp tích phân 43

3.1.3 Phương pháp phần tử rời rạc 43

3.1.4 Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp Phần tử hữu hạn 44

3.2 Giới thiệu phần mềm Plaxis thường dùng để giải các bài toán địa kỹ thuật hiện nay 45

3.3 Các mô hình đất nền trong Plaxis 51

3.3.1 Mô hình Mohr-Coulomb 51

3.3.2 Mô hình Hardening Soil 55

3.4 Phân tích và tính toán đối với nền dưới công trình đắp cao 58

3.4.1 Điều kiện địa chất huyện Cai Lậy – tỉnh Tiền Giang 58

3.4.2 Cấu tạo địa chất 58

3.4.3 Mô hình tính toán trong Plaxis 61

3.4.4 Trường hợp nền đất chưa có giải pháp gia cố 62

3.4.5 Trường hợp nền đất được gia cố bằng hệ trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật 68

3.5 Nhận xét chương 79

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

1 Kết luận 80

2 Kiến nghị 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

Hình 1.1 Công nghệ thi công trụ đất xi măng 7

Hình 1.2 Máy trộn khô dưới sâu 9

Hình 1.3 Cánh trộn theo phương pháp trộn khô (SGF 2000) 9

Hình 1.4 Thiết bị khoan 10

Hình 1.5 Cánh trộn theo phương pháp trộn ướt 11

Hình 1.6 Bố trí trụ trộn khô 13

Hình 1.7 Bố trí trụ trùng nhau theo khối 13

Hình 1.8 Bố trí trụ trộn ướt trên cạn 13

Hình 1.9 Bố trí trụ trên biển 14

Hình 1.10 Bố trí trùng nhau trộn ướt 14

Hình 1.11 Các ứng dụng trộn sâu (Terashi, 1997) 14

Hình 2.1 Mô hình nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng 18

Hình 2.2a Bản chất của hiệu ứng vòm 19

Hình 2.2b Kết quả của hiệu ứng vòm 19

Hình 2.3 Sự phân bố ứng suất trong nền được gia cố trụ đất xi măng 20

Hình 2.4 Mô hình hiệu quả vòm của Kempfert (2003) 22

Hình 2.5 Biểu đồ thể hiện kết quả tính toán SRR của các phương pháp 26

Hình 2.6 Biểu đồ thể hiện các phương pháp có kết quả xấp xỉ nhau 26

Hình 2.7 Kết quả nghiên cứu về SRR của Naughton (2007) 27

Hình 2.8 Lún giữa trụ và đất xung quanh 27

Hình 2.9 Mô hình quy đổi nền tương đương 29

Hình 2.10 Lực dọc trục của trụ trong vùng chủ động tăng sức kháng cắt và kháng uốn, Trong vùng bị động trụ có thể bị nứt do chịu kéo 30

Hình 2.11 Tính lún nền gia cố khi tải trọng tác dụng chưa vượt quá sức chịu tải cho phép của vật liệu trụ 33

Hình 2.12 Sơ đồ bố trí trụ đất xi măng 36

Hình 3.1 Các phương pháp giải gần đúng các phương trình vi phân và các chương trình tính số tương ứng 44

Hình 3.2 Quan hệ cơ bản giữa ứng suất và biến dạng 45

Hình 3.3 Lưới biến dạng của mô hình 3-D trong PLAXIS FOUNDATION 47

Hình 3.4 Mô hình chia lưới phần tử và bố trí cột trong Plaxis FOUNDATION 48

Hình 3.5 Mô hình bố trí các cột đất xi măng và mũ cột trong Plaxis FOUNDATION 48 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh SRR cho 2 trường hợp có và không có mũ 49

Hình 3.7 Quan hệ giữa bề rộng mũ d và SRR 49

Hình 3.8 Ảnh hưởng của modul đàn hồi đất đắp đến SRR 50

Hình 3.9 Ảnh hưởng của modul đàn hồi cột đến SRR 50

Hình 3.10 Quan hệ cơ bản giữa ứng suất và biến dạng 52

Hình 3.11 Xác dịnh Eref từ thí nghiệm 3 trục cố kết thoát nước 54

Hình 3.12 Xác định Eoed từ thí nghiệm nén cố kết 54

Hình 3.13 Xác định Erefoed từ thí nghiệm nén cố 56

Hình 3.14 Mối quan hệ Hyperpolic giữa biến dạng và ứng suất dọc trọc trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước 57

Hình 3.15 Vùng đàn hồi của mô hình Hardening Soil trong không gian ứng suất chính 58

Hình 3.16 Hình trụ hố khoan 60

Hình 3.17 Mặt cắt ngang của nền đường đắp trên đất yếu 61

Hình 3.18 Sơ đồ tính toán nền đất yếu chưa được gia cố 62

Hình 3.19 Mô hình PTHH nền đất yếu chưa được gia cố 62

Hình 3.20 Lưới phần tử hữu hạn 66

Hình 3.21 Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu 66

Hình 3.22 Ứng suất hữu hiệu ban đầu trong nền đất 67

Hình 3.23 Quá trình tính toán 67

Hình 3.24 Chuyển vị của nền đất yếu sau khi đắp lớp 3 68

Hình 3.25 Sơ đồ tính toán nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật 68

Hình 3.26 Mô hình PTHH nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật 69

Hình 3.27 Mô hình PTHH nền đất yếu được gia cố - Phương án 1 69

Hình 3.28 Mô hình PTHH nền đất yếu được gia cố - Phương án 2 70

Hình 3.29 Mô hình PTHH nền đất yếu được gia cố - Phương án 3 70

Hình 3.30 Lưới phần tử hữu hạn 71

Hình 3.31 Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu 72

Hình 3.31 Ứng suất hữu hiệu ban đầu trong nền đất khi chưa sử dụng trụ đất xi măng 72

Hình 3.33 Phase 1 - Thi công trụ đất xi măng 73

Hình 3.34 Phase 3 - Thi công nền đường lớp 1 73

Hình 3.35 Phase 6 - Thi công nền đường lớp 2 73

Hình 3.36 Phase 9 - Thi công nền đường lớp 3 74

Hình 3.37 Phase 12 - Thi công nền đường lớp 4 74

Hình 3.38 Phase 15 - Thi công nền đường lớp 5 74

Hình 3.39 Phase 17 – Chất tải phân bố 20kN/m2 75

Hình 3.40 Quá trình tính toán 75

Hình 3.41 Chuyển vị của nền đất yếu được gia cố sau 140 ngày 76

Hình 3.42 Chuyển vị theo phương ngang của nền đất yếu được gia cố 76

Hình 3.43 Chuyển vị theo phương đứng của nền đất yếu được gia cố 77

Hình 3.44 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư 77

Hình 3.45 Sự phân bố ứng suất hữu hiệu trong nền đất yếu được gia cố 78

Hình 3.46 Sự phân bố ứng suất tổng trong nền đất yếu được gia cố 78

Hình 3.47 Hệ số ổn định của nền đất yếu được gia cố 79

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng tổng hợp kết quả tính toán của các phương pháp 25

Bảng 3.1 Thông số và mô hình vật liệu 47

Bảng 3.2 Đặc trưng chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất 59

Bảng 3.3 Thông số các lớp đất trong mô hình Plaxis 63

Bảng 3.4 Thông số trụ đất xi măng trong mô hình Plaxis 63

Bảng 3.5 Các giai đoạn tính toán 65

Bảng 3.6 Các giai đoạn tính toán 70

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

BEM Boundary Element Method

BTCT Bê tông cốt thép

DDA Discontinuos Deformation Analysis

DEM Distinct Element Method

DJM Dry Jet Mixing

DMM Depp Mixing Method

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

ĐKT Địa kỹ thuật

FDM Finite Difference Method

FEM Finite Element Method

MIP Mixed in Place

PTHH Phần tử hữu hạn

PWRI Public Works Research Institute

SRR Hệ số giảm ứng suất tác dụng lên đất yếu

TP HCM Thành Phố Hồ Chí Minh

VĐKT Vải địa kỹ thuật

XM Xi măng

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của đất Nước, chúng ta xây dựng rất nhiều công trình ngày càng cao hơn, sâu hơn, lớn hơn và nặng hơn Song song đó là nhu cầu xây dựng hệ thống đường giao thông nhằm phục vụ sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội, ngày càng cấp thiết và đặc điểm cấu tạo địa chất vùng Đồng Bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói chung, huyện Cai Lậy tỉnh Tiền giang nói riêng, việc xây dựng công trình đắp trên nền đất yếu là vấn đề thường xuyên gặp phải

Thực tế, do điều kiện địa chất cũng như diện tích lãnh thổ bắt buộc chúng ta phải xây dựng những công trình trên đất yếu, công trình lấn biển Hàng loạt các phương thức xây dựng nền móng, xử lý đất yếu mới được đưa vào Việt Nam trong những thập niên vừa qua như: cọc Barrette, cọc nhồi đường kính lớn, gia tải kết hợp với bấc thấm - vải địa kỹ thuật, hút chân không, cọc cát, trụ đất xi măng…Tuy nhiên, việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đã gặp không ít khó khăn trong công tác xử lý đất yếu Một số biện pháp xử lý đất yếu truyền thống chưa mang lại hiệu quả như mong muốn, vẫn còn mặt hạn chế, chẳng hạn như:

- Giải pháp móng cọc dễ gây ra hiện tượng nền nhà sau thời gian sử dụng sẽ bị vồng lên hay lõm xuống do đất nền cố kết;

- Giải pháp gia tải kết hợp giếng cát, bấc thấm, hạn chế về thời gian thi công, hơn nữa trong thi công bấc thấm rất dễ gây gãy bấc thấm làm đất nền không cố kết được

- Giải pháp bơm hút chân không dễ gây ra hiện tượng nền đất yếu gần mặt đất

bị nứt nẻ, hơn nữa chi phí khá đắt

Việc xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng độ ổn định, giảm độ lún nền đường; giảm độ lún lệch giữa nền đường và mố cầu; đảm bảo yêu cầu sử dụng bình thường trong quá trình khai thác Trong nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu phổ biến như: trụ đất xi măng; giếng cát hoặc bấc thấm kết hợp gia tải trước; bơm hút chân không v.v thì giải pháp xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều do giải pháp xử lý nền này có thời gian thi công nhanh, mặt bằng thi công nhỏ, thiết bị thi công đơn giản, tiết kiệm vật liệu san lấp ngày càng khan hiếm ở địa phương

Do đó việc nghiên cứu giải pháp gia cố nền đất yếu rút ngắn thời gian thi công

và hạn chế lượng tài nguyên đắp bù lún rất cần thiết Thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật dưới nền đường đắp cao tại huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang” để tìm ra

giải pháp gia cố nền đất yếu nêu trên trong điều kiện địa chất tỉnh Tiền Giang nói chung và của huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang nói riêng là cần thiết và phù hợp với điều kiện thực tế

2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Tìm ra quy luật phân bố ứng suất lên trụ và đất nền xung quanh trụ của hệ trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật trong gia cố nền đất yếu dưới công trình nền đường đắp cao

Phân tích hệ số tập trung ứng suất do hiệu ứng vòm trong nền đường đắp cao được gia cố bằng trụ đất xi măng gây ra

Nâng cao hiệu quả gia cố nền đất yếu bằng bằng trụ đất xi măng phù hợp với các điều kiện địa chất cụ thể: Thiết kế hợp lý cho nền đường đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật dưới công trình đắp cao trên địa bàn huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng và các lớp gia cường

Dựa vào số liệu địa kỹ thuật, tải trọng, các cơ sở lý thuyết và các tài liệu tham khảo có liên quan Phân tích, đánh giá cụ thể cho trường hợp nhóm trụ đất xi măng

bị tác động bởi áp lực của nền đất đắp phía bên trên

Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D cho nền đất yếu dưới nền đường được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật để kiểm tra ổn định và biến dạng trong nền đất được gia cố bằng trụ đất xi măng

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là sự phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật Phân tích tính toán đối với một số loại trụ đất xi măng có cùng đường kính nhưng thay đổi chiều dài và lưới bố trí

Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Luận văn thực hiện nghiên cứu với đất thu thập tại huyện Cai Lậy và giải pháp này dùng để gia cố đất yếu dưới nền đường tại huyện Cai Lậy – tỉnh Tiền Giang

5 Cấu trúc của luận văn

Nội dung luận văn gồm có phần mở đầu, 03 chương nội dung, phần kết luận

và kiến nghị, trình bày các vấn đề sau:

Phần mở đầu: Trình bày các vấn đề tổng quan về đề tài nghiên cứu giải pháp

trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật gia cố nền đất yếu dưới nền đường tại huyện Cai Lậy - tỉnh Tiền Giang như: Tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan về gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng: Trình bày

sơ lược về lịch sử phát triển của trụ đất xi măng, sự phân bố ứng suất nền đất được gia cố trụ đất xi măng, độ lún ổn định của bản thân khối gia cố, các giải pháp gia cố

đất yếu dưới nền đường

Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán: Giới thiệu các phương pháp tính toán

của các tác giả trong và ngoài nước: Phương pháp tính “Sự phân bố ứng suất và lún

giữa trụ và đất yếu trong nền đất” được gia cố bằng trụ đất xi măng

Chương 3 Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn: Mô hình tính

toán có mặt cắt ngang nền đất yếu dưới nền đường tại huyện Cai Lậy - tỉnh Tiền Giang Sử dụng phần mềm Plaxis để kiểm tra ổn định và biến dạng trong nền đất yếu được gia cố bằng hệ trụ đất xi măng

Phần kết luận và kiến nghị: Học viên trình bày các kết quả và kiến nghị của nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG

1.1 Khái niệm

Đất trộn xi măng là kỹ thuật gia cố xử lý nền đất yếu bằng cách trộn cơ học đất tại chỗ với xi măng để hình thành một loại vật liệu mới Xi măng đất hay soilcrete có các đặc trưng cơ - lý - hóa tốt hơn đất tại chỗ hay đất tự nhiên trước khi trộn với xi măng Các đặc trưng cơ lý cơ bản của soilcrete như cường độ (qu) và mô đun đàn hồi cát tuyến hay độ cứng (E50) cao hơn đất tự nhiên từ 5 – 1000 lần biến dạng lúc phá hoại (Ɛf) nhỏ, và hệ số thấm (Ks) thấp hơn đất tự nhiên từ 10-104 lần (Trần Nguyễn Việt Hùng 2106, Kitazume & Terashi 2013, FHWA 2013, EuroSoftStab 2002) Vì vậy, trụ đất trộn xi măng có thể được ứng dụng để tăng sức chịu tải của đất nền, giảm biến dạng lún và chuyển vị ngang, và ngăn thầm hay rò rỉ của các chất lỏng trong đất có nguy cơ gây ô nhiễm mực nước ngẩm [14]

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của trụ đất xi măng

Theo 22TCN 262:2000 và TCXD 245:2000, đất yếu là đất ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn, lực dính C theo cắt quả cắt nhanh không thoát nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội

ma sát từ 0o đến 10o hoặc lực dính từ kết quả cắt hiện trường Cu 0,35 daN/cm2 Nói chung đất sét yếu là loại đất có sức chịu tải thấp và tính nén lún cao Phần lớn các nước trên thế giới định nghĩa đất yếu theo sức kháng cắt không thoát nước,

Su và trị số xuyên tiêu chuẩn, N như sau:

+ Đất rất yếu: Su  12,5 kPa hoặc N  2

+ Đất yếu: Su 25 kPa hoặc N  4

Ngoại trừ lớp trên bề mặt có bề dày khoảng 0,5 đến 3,0m đã được cải tạo, thổ nhưỡng hay thổ cư hóa v.v…[2] [4] [5]

Trụ đất xi măng là kỹ thuật sử dụng xi măng làm chất kết dính, có hoặc không

có chất phụ gia trộn với đất tại chỗ theo chiều sâu (chiều sâu xử lý  3m) để tạo ra vật liệu đất xi măng (hay soicrete) có các tính chất kỹ thuật được cải thiện đáng kể

so với đất nguyên dạng

Đất trộn xi măng được nghiên cứu lần đầu ở Mỹ trong những năm 1950 bởi công ty Intrusion-Preakt với công nghệ trộn tại chỗ (MIP-Mixed in Place) (Broomhead and Jasperce 1999) Công nghệ này lại được ngiên cứu, phát triển mạnh

mẽ ở Nhật Bản và Bắc Âu vào giữa những năm 1970 (Terzashi 1997, Bruce 2011) Cho đến cuối những năm 1980, công nghệ trộn sâu (DMM-Depp Mixing Method) chủ yếu chỉ mới được phát triển và ứng dụng ở Nhật Bản và các nước Bắc Âu Đến những năm 1990, DMM trở nên phổ biến và lan rộng khắp các nước Châu Âu, Châu

Á và Mỹ [19]

Cuối năm 1970 đến đầu năm 1980, viện nghiên cứu các công trình công cộng (PWRI-Public Works Research Institute) thuộc Bộ Xây dựng Nhật Bản bắt đầu phát triển thành công công nghệ DJM (Dry Jet Mixing) sử dụng bột xi măng hoặc bột vôi làm chất kết dính để gia cố nền (Public Works Research Center 2004 nguồn từ Kitazume & Terzashi 2013), Theo thống kê của Kitazume & Terzashi (2013) từ năm

1977 đến năm 2010, lượng đất gia cố xi măng ở Nhật bằng phương pháp trộn ướt khoảng 72,3 triệu m3 và phương pháp trộn khô khoảng 32,1 triệu m3, cho các dự án ngoài biển, cửa biển và cửa sông lớn với khoảng 300 dự án Hiện nay hàng năm thi công khoảng 2 triệu m3 [16]

Năm 1967 ở Bắc Âu, công nghệ SCM bắt đầu nghiên cứu lần đầu tiên, các nghiên cứu trong phòng và ngoài hiện trường được tiến hành nhằm phát triển công nghệ mới trong việc gia cố đất sét yếu bằng vôi sống (Topolnicki 2004) Năm 1975, công nghệ đất trộn vôi (Lime Column Method) được ứng dụng thực tế để gia cường

hố đào và ổn định đường đắp cao cho một số công trình ở gần Stockholm, Thụy Điển

Năm 1990, Phần Lan phát triển thiết bị trộn mới có thể tạo được trụ đất trộn vôi hay xi măng đạt độ sâu hơn 20m với đường kính 0,8m (Bruce 2011) và được ứng dụng phổ biến để gia cố nền

Năm 1987, từ kết quả nghiên cứu của Cục đường Bộ và đường Sắt quốc gia Pháp tài trợ cho công ty Bachy (Pháp) ứng dụng và phát triển quy trình Colmix, trong đó việc thi công trộn và đầm chặt đất xi măng được thực hiện bằng cách đảo

ngược chiều của máy khoan trong khi rút lên

Năm 1970 đến 1978 tại Trung Quốc, thiết bị trộn sâu đất trộn xi măng được ứng dụng xử lý đất nền các khu công nghiệp ở Thượng Hải (Bruce 2011, Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn 2010) [7]

Năm 1996, lần đầu tiên tại Mỹ công ty Stabilator-USA inc, New York đã sử dụng cọc đất - vôi - xi măng trong thực tiễn

Tại Việt Nam, công nghệ đất trộn xi măng được nghiên cứu lần đầu tiên dưới

sự hỗ trợ của Viện Địa kỹ thuật Thụy Điển (SGI) từ những năm 1980 Đề tài kết thúc năm 1986 và thiết bị được chuyển giao cho Tổng Công ty Xây dựng và Phát triển hạ tầng LICOGI (Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn 2010)

Năm 2000, SCM được áp dụng gia cố nền đất yếu cho công trình cảng Ba Ngòi (Khánh Hòa) và xử lý nền móng bể xăng dầu có đường kính 21m, cao 9m (dung tích 3000m3/bể) của công trình Tổng kho xăng dầu Cần Thơ bằng trụ đất xi măng Trong đó dự án cảng Ba Ngòi đã xử lý bởi 4000m trụ đất xi măng có đường kính 0,6m, bằng phương pháp trộn khô (Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn 2010)

Năm 2004, Viện Khoa học Thủy lợi đã tiếp nhận chuyển giao công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting) từ Nhật Bản (Nguyễn Viết Trung và Vũ Minh Tuấn 2010) Trụ đất xi măng được ứng dụng để gia cố bồn chứa xăng dầu ở Hải Phòng bằng công nghệ trộn sâu - khô với chiều sâu xử lý khoảng 20m Công nghệ này cũng được các nhà thầu Nhật Bản ứng dụng thi công sửa chữa khuyết tật các cọc khoan nhồi dự án cầu Thanh Trì ở Hà Nội

Tại Tp Hồ Chí Minh, trụ đất - xi măng đã được sử dụng trong dự án Đại lộ Đông Tây, Building Saigon Times Square [14]

Năm 2006, tiêu chuẩn TCXDVN 385:2006 – “Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng” được Bộ Xây dựng biên soạn và ban hành Đến năm 2012, tiêu chuẩn TCVN 9403:2012 – “Gia cố đất nền yếu – phương pháp trụ đất xi măng” chuyển đổi từ TCXDVN 385:2006 được Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành TCVN 9403:2012 quy định những yêu cầu Kỹ thuật về khảo sát, thí nghiệm, thiết

kế, thi công và thí nghiệm trụ đất xi măng dùng để xử lý gia cố nền đất yếu trong xây dựng và ổn định mái dốc [1]

1.1.2 Nguyên tắc gia cố đất nền bằng trụ đất xi măng

Vấn đề tên gọi là “Trụ”, “Cột” hay là “Trụ” thì hiện nay có hai trường phái Theo trường phái thứ nhất ở Châu Á (học viện kỹ thuật châu Á A.I.T) thì tên gọi là

“trụ” xi măng đất Theo trường phái thứ hai gồm các nước Mỹ, Nhật, Châu Âu… thì gọi là “Trụ” đất xi măng

Trụ đất xi măng được gia cố là hỗn hợp giữa đất nguyên trạng nơi gia cố với hỗn hợp xi măng được phun xuống thông qua thiết bị khoan phun Cột gia cố tạo thành bởi hỗn hợp đất tại chỗ và chất kết dính (thông thường là vôi và xi măng) Mũi trộn được đưa xuống đất bằng cách khoan xoay, khi tới độ sâu thiết kế, mũi trộn đảo chiều ngược lại và đồng thời rút dần lên Trong quá trình dịch chuyển lên, hỗn hợp chất gia cố (xi măng) được phun vào nền đất bằng áp lực khí nén (đối với hỗn hợp khô) hoặc bằng bơm vữa (đối với hỗn hợp ướt) ở đầu mũi trộn, tới cao độ đầu cột thì dừng lại

Hình 1.1 Công nghệ thi công trụ đất xi măng

Việc hình thành cường độ xảy ra thông qua quá trình ninh kết của hỗn hợp đất

xi măng Khi xi măng được trộn với đất, xi măng phản ứng với nước tạo ra Canxi hyđrôxit Ca(OH)2 từ đó kết hợp với đất nền tạo ra keo ninh kết CSH, đây là quá trình Hydrat hoá Phản ứng này diễn ra nhanh và mạnh toả ra một nhiệt lượng lớn và giảm bớt lượng nước có trong đất gia cố Hợp chất Hydrat này tạo ra một hỗn hợp liên kết các thành phần hạt trong đất gia cố hình thành lên khoáng chất nền bền vững, cứng Ximăng + H2O → Keo CSH + Ca(OH)2

1.1.3 Công nghệ thi công

Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công trụ đất-ximăng là: Công nghệ trộn khô (Dry Jet Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing hay còn gọi là Jet-grouting)

Trong phương pháp trộn khô, không khí dùng để dẫn xi măng bột vào đất (độ

ẩm của đất cần phải không nhỏ hơn 20%) Trong phương pháp trộn ướt, vữa xi măng

là chất kết dính Trộn khô chủ yếu dùng cải thiện tính chất của đất dính, trong khi phun ướt thường dùng trong đất rời

Công nghệ thi công trộn khô (DJM)

Phương pháp trộn khô đã được ứng dụng từ giữa thập niên 70 của thế kỷ trước, bắt đầu ở Thụy Điển, Phần Lan Trong thập kỷ 80 và 90, việc ứng dụng phương pháp này đã tăng với một tốc độ lớn trong cả các nước Bắc Âu và Nhật Bản

Ở Nhật Bản, công nghệ trộn khô đã được Viện nghiên cứu kỹ thuật xây dựng của Bộ Xây dựng Nhật Bản phát triển và ứng dụng vào năm 1980 Đến nay đã có 2.500 dự án đã được hoàn thành với tổng số thể tích ximăng đất được sản xuất vượt quá 15 triệu m3

Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất để trộn hỗn hợp khô như ximăng, chúng cắt đất sau đó trộn đất với ximăng bơm theo trục khoan

Việc hoạt động của các cần khoan làm cho ximăng trộn lẫn với đất Theo từng loại đất mà hàm lượng ximăng có thể được điều chỉnh cho thích hợp DJM sử dụng

hệ thống giám sát tự động chất lượng cao mà cung cấp các số liệu chính xác và liên tục về chiều sâu trộn đất, độ sâu đóng trụ và tốc độ rút cần cũng như tốc độ xoay của cần khoan

* Ưu điểm của công nghệ trộn khô:

- Sử dụng thiết bị thi công đơn giản;

- DJM không cần nước trong quá trình tạo vữa dung dịch Hoạt động không có nước sẽ làm công trường sạch sẽ, giảm thiểu khối lượng phá hoại công trường;

- Công nghệ này còn sử dụng một hệ thống khép kín để vận chuyển và bơm ximăng vào đất Do đó chỉ có một lượng nhỏ được thải ra không khí Quá trình hoạt động an toàn và tạo ra ít rung động cũng như tiếng ồn;

- Máy trộn được sử dụng có tính cơ động cao và có thể dẽ dàng di chuyển đến

vị trí trộn đất tiếp theo trên công trường Hệ thống ống dẫn vật liệu tự động nên tiết kiệm nhân công

- Hàm lượng ximăng sử dụng ít hơn công nghệ trộn ướt;

- Quy trình kiểm soát chất lượng đơn giản hơn công nghệ trộn ướt

* Nhược điểm của công nghệ trộn khô:

- Do cắt đất bằng các cánh cắt nên gặp hạn chế trong đất có lẫn rác, đất sét, cuội đá hoặc khi cần xuyên qua các lớp đất cứng;

- Không thi công được nếu xử lý ngập trong nước;

- Chiều sâu xử lý khoản 15÷20m [6]

Hình 1.2 Máy trộn khô dưới sâu

Hình 1.3 Cánh trộn theo phương pháp trộn khô (SGF 2000)

Công nghệ trộn ướt Jet Grouting

Công nghệ Jet Grouting (Khoan phụt vữa cao áp–KPVCA) được phát minh ở Nhật Bản năm 1970 Sau đó các công ty của Ý, Đức đã mua lại phát minh trên và đến nay nhiều công ty xử lý nền móng hàng đầu thế giới như Công ty Layne Christensen (Mỹ), Bauer (Đức), Keller đều có sử dụng công nghệ này Đến nay công

nghệ này đã được thừa nhận rộng khắp, được kiểm nghiệm và đưa vào tiêu chuẩn ở các nước phát triển trên thế giới

Khoan phụt vữa cao áp là quá trình bêtông hóa đất Nhờ có tia nước và tia vữa phun ra với áp suất cao (200÷400 atm), vận tốc lớn ≥100m/s, các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra và hòa trộn với vữa phụt đông cứng tạo thành một khối đồng nhất “ximăng-đất” [14] [12]

* Ưu điểm của công nghệ khoan phụt vữa cao áp

- Phạm vi áp dụng rộng, thích hợp cho mọi loại đất từ bùn sét đến sỏi cuội;

- Có thể xử lý các lớp đất yếu một cách cục bộ, không ảnh hưởng đến các lớp đất tốt;

- Có thể xử lý dưới móng hoặc kết cấu hiện có mà không ảnh hưởng đến công trình;

- Thi công được trong nước;

- Mặt bằng thi công nhỏ, ít chấn động, ít tiếng ồn, hạn chế tối đa ảnh hưởng đến các công trình lân cận;

- Thiết bị nhỏ gọn, có thể thi công trong không gian có chiều cao hạn chế, nhiều chướng ngại vật

* Nhược điểm của công nghệ khoan phụt vữa cao áp

- Có thể gây ra trương nở và gây ra các chuyển vị quá giới hạn trong lòng đất Áp lực siêu cao còn có khả năng gây nên rạn nứt nền đất lân cận và tia vữa có thể lọt vào các công trình ngầm sẵn có như hố ga, tầng hầm lân cận;

- Đối với đất nền chứa nhiều túi bùn hoặc rác hữu cơ thì axít humic trong đất có thể làm chậm hoặc phá hoại quá trình ninh kết của hỗn hợp ximăng đất

Hình 1.4 Thiết bị khoan

Hình 1.5 Cánh trộn theo phương pháp trộn ướt 1.2 Giải pháp gia cố đất yếu nền đường

Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, sập khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các

sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu

1.2.1 Đặc điểm chung của nền đường

Nền đường được giới hạn bởi mặt ta luy nền đường, mặt lề đường, mặt ranh giới bố trí kết cấu áo đường và cả phạm vi liên quan cần phải áp dụng các giải pháp

xử lý để tăng cường độ và độ ổn định của nền mặt đường (xử lý thay đất, xử lý thoát nước, bố trí công trình chống đỡ và phòng hộ nền đường, xử lý nền đất yếu, xử lý chống sụt lở v.v…) Trường hợp nền đường đi qua các khu vực đất yếu thì phải có

biện pháp xử lý nền đất yếu, đảm bảo các yêu cầu sau:

1.2.1.1 Ổn định về mặt cường độ chịu lực

Trong khu vực tác dụng của nền đường (za), nội lực do tải trọng tính toán gây

ra không vượt quá nội lực cho phép của vật liệu nền đường và phải thỏa mãn điều kiện ổn định tổng thể, ổn định với nước Chiều sâu khu vực tác dụng được xác định

từ điều kiện ứng suất do tải trọng hoạt tải lớn hơn 1/10 ứng suất do tải trọng bản thân nền đất và áo đường tại độ sâu đó, đối với đường ô tô za=1,5m

1.2.2 Giải pháp gia cố nền đất yếu

Tùy theo loại đất yếu, tùy theo đối tượng trực tiếp tác động của giải pháp xử lý

mà có thể phân chia xử lý đất yếu nền đường thành hai loại:

Giải pháp tác động đến bản thân nền đắp: như đắp theo giai đoạn; xây dựng bệ phản áp; đắp gia tải trước để tăng tốc độ lún; giảm tải trọng của nền đắp, hoặc bố trí các lớp vải địa kỹ thuật ở đáy và trong thân nền đắp, Các loại xử lý này không tác động đến nền đất tự nhiên phía dưới, mà chỉ tác động đến cấu tạo và quá trình xây dựng nền đắp phía trên

Nhìn chung, các giải pháp có ưu điểm là thi công đơn giản, dễ kiểm soát chất lượng, tăng ổn định khi đắp Hạn chế là giảm lún ít, mức tăng cố kết không đáng kể; riêng với đường ô tô, do za nhỏ (1,5m) nên yêu cầu đắp nền cao trên 1,5m có thể dễ dàng giải quyết, nhưng đối với nền đường đắp cao, do chiều sâu khu vực tác dụng lớn (đến 6m), nên giải pháp đắp cao trên 6m là khó áp dụng [11]

Giải pháp tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp: như thay toàn bộ hay một phần đất yếu bằng vật liệu tốt hơn; bố trí các phương tiện thoát nước thẳng đứng như bấc thấm hay cọc cát; tăng nhanh cố kết của đất yếu bằng công nghệ điện thấm hoặc hút chân không; sử dụng cọc đóng trong đất yếu; sử dụng trụ đất xi măng, trụ đất vôi thi công theo công nghệ phun ướt hoặc khô,…

Các giải pháp gia cố trên đều có tác dụng tăng ổn định và giảm độ lún của nền đất Mỗi giải pháp được áp dụng trong từng trường hợp xử lý cụ thể, chẳng hạn khi chiều dày lớp đất yếu mỏng, thì có thể áp dụng đào thay đất toàn bộ; khi tầng đất yếu dày, loại đất dễ thấm nước thì có thể dùng giải pháp thoát nước thẳng đứng hoặc điện thấm hay hút chân không để tăng cố kết

Tuy nhiên, khi đất yếu khó thấm nước như sét mềm yếu, bùn sét,… thì trong những trường hợp nhất định nào đó, giải pháp gia cố bằng trụ đất xi măng được cho

là có hiệu quả kinh tế kỹ thuật hơn giải pháp cọc chống hay các giải pháp gia cố khác, vì hệ số thấm của đất sét gia cố có thể tăng từ 400  800 lần so với đất sét chưa được gia cố Mặt khác, hình thức gia cố này với các công nghệ mới hiện nay cho phép sử dụng linh hoạt - mềm dẻo hơn, tiết kiệm được vật liệu và năng lượng, đồng thời kết hợp linh hoạt với hình thức xử lý khác để cải tạo tính chất của đất yếu,

do đó trụ đất xi măng được sử dụng nhiều để xử lý nền đất yếu tại Việt Nam hiện nay Xử lý nền đất yếu bằng trụ đất xi măng là sử dụng phương pháp công nghệ cải tạo các tính chất cơ học các loại đất yếu, bằng cách trộn khô hay trộn ướt chúng với

xi măng để tạo ra các trụ đất xi măng (Soil - Cement Column), nhằm tạo cho nền đất gia cố có cường độ cao và ổn định lâu dài, dưới tác dụng của tải trọng của công trình và các yếu tố tác động khác (nắng, mưa, nhiệt độ,…)

Hình 1.9 Bố trí trụ trên biển

1 - Dạng khối; 2 - Dạng tường; 3 - Dạng kẻ ô; 4 - Dạng cột; 5 - Cột tiếp xúc;

6 - Tường tiếp xúc; 7 - Kẻ ô tiếp xúc; 8 - Khối tiếp xúc

Hình 1.10 Bố trí trùng nhau trộn ướt Trình tự thi công 1.4 Ứng dụng của trụ xi măng đất

Hình 1.11 Các ứng dụng trộn sâu (Terashi, 1997)

1- Đường bộ ổn định lún 2- Ổn định đê cao 3- Mố Cầu

4- Thành hố đào 5- Giảm ảnh hưởng công trình lân cận

6- Chống nâng đáy hố đào 7- Chống chuyển vị ngang móng cọc

8- Đê biển 9- Ngăn nước, chống thấm

1.5 Nhận xét chương:

Kết quả tổng quan cho thấy việc nghiên cứu ứng dụng trụ đất xi măng vào việc cải tạo, xử lý nền đất yếu đã được nghiên cứu rất lâu và ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng Nội dung nghiên cứu trụ đất xi măng ứng dụng vào

xử lý giảm lún nền đường được đảm bảo cơ sở lý thuyết; đồng thời cần quan tâm kế thừa các nội dung đã nghiên cứu trước đó và vận dụng phù hợp với điều kiện thực

tế của mỗi công trình

Do đó nội dung nghiên cứu trụ đất xi măng cần chú ý đặc điểm địa chất để bố trí lưới trụ phù hợp, điều kiện thi công thực tế cũng như mục tiêu của giải pháp và đặc điểm của tải trọng tác động lên công trình

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN TRỤ ĐẤT XI MĂNG TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

2.1 Các quan điềm và cơ sở tính toán

Hiện nay việc tính toán trụ xi măng đất có 3 quan điểm chính như sau:

- Quan điểm xem trụ xi măng đất làm việc như trụ: Sơ đồ này đòi hỏi trụ phải

có độ cứng tương đối lớn (trụ đá hoặc trụ bêtông) và các trụ phải được đưa xuống tầng đất chịu tải Nếu tính theo sơ đồ này thì lực từ móng truyền xuống sẽ chủ yếu

đi vào các trụ (đất nền dưới móng không chịu tải) Với trụ không được đưa xuống tầng chịu lực, có thể dùng phương pháp tính với trụ ma sát để tính

- Quan điểm xem các trụ và đất làm việc đồng thời: Nền trụ và đất dưới móng

được xem như nền đồng nhất với các số liệu cường độ c, φ được nâng cao (được tính từ c, φ của đất và vật liệu làm trụ) Công thức quy đổi c, φ tương đương dựa trên độ cứng của trụ, đất và diện tích đất thay thế bởi trụ (tính toán như đối với nền thiên nhiên)

- Một số nhà khoa học lại đề nghị tính toán theo cả hai quan điểm trên, nghĩa

là sức chịu tải thì tính toán như “trụ” còn biến dạng thì tính toán theo nền tương đương

Sở dĩ các quan điểm trên chưa thống nhất bởi vì bản thân vấn đề phức tạp, những nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm còn hạn chế

Với mỗi quan điểm thì lại có một phương pháp tính khác nhau Trong những năm gần đây, ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã phát triển một số phương pháp tính toán trụ đất xi măng như sau:

+ Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố trụ đất xi măng của Việt Nam; + Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố trụ đất–vôi–xi măng của Châu Âu;

+ Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố trụ xi măng đất của Thượng Hải–Trung Quốc;

+ Phương pháp tính toán theo quan điểm trụ xi măng đất làm việc như trụ; + Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp của Viện kỹ thuật Châu Á

Khi tính ổn định tổng thể của nền đất sau gia cố, các tính toán nhanh với quan điểm ứng xử tương đương của các đặc trưng cơ lý của của cả trụ và đất yếu sẽ là giải pháp thích hợp Trường hợp cần phân tích chính xác ứng xử cục bộ và tương tác giữa trụ đất xi măng và đất yếu, đặc biệt là khi trụ có mô đun đàn hồi lớn (hàm lượng xi măng nhiều) thì quan điểm trụ cứng, làm việc độc lập sẽ là sự lựa chọn hợp

lý

Các quy trình và tiêu chuẩn về thiết kế trụ đất xi măng như: Tiêu chuẩn Thượng Hải Trung Quốc, Tiêu chuẩn Nhật Bản-CDIT (2002), Quy trình châu Âu về phương pháp trộn sâu (TC 288–EU 2003) và gia cố đất yếu, hay các quy trình khác của Mỹ, Thụy Điển… đều đưa ra các công thức tính toán ổn định của nền đất yếu sau gia cố bằng hệ trụ đất xi măng nói chung và ổn định lún nói riêng Các công thức này thông thường dựa trên các phân tích giải tích hoặc kết quả trong phòng thí nghiệm được phổ quát hoá để các kỹ sư áp dụng tính toán nhanh trong thực tế Các phân tích về trạng thái ứng xử cục bộ của nền đất yếu, của trụ đất xi măng làm cơ sở cho việc lựa chọn sơ đồ bố trí hợp lý trụ đất xi măng chưa được đề cập tới

Bên cạnh các phương pháp tính theo quy trình Hiện nay với sự phát triển của công cụ máy tính và các phần mềm viết bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) dựa trên nền tảng của cơ học liên tục và cơ học đất tới hạn như Plaxis, Geos, LagaProg đã hỗ trợ rất tốt cho việc giải các bài toán địa kỹ thuật

2.1.1 Hiệu ứng vòm trong đất

Việc xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất… đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình

Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: vải địa kỹ thuật, lưới địa

kỹ thuật, đất trộn vôi, đất trộn xi măng, silicat hóa Trong trường hợp này, đất nền và đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo

điều kiện làm việc của công trình

Trên Thế giới, kỹ thuật gia cố đất bằng cọc (thường sử dụng cọc bê tông cốt thép (BTCT), cọc ống BTCT) được ứng dụng nhiều trong xây dựng nền đường sắt,

đường bộ Vải địa kỹ thuật (ĐKT) được lắp đặt trên mũ cọc như là một lớp đệm gia

cố Do có sự biến dạng khác nhau giữa các cọc nên có sự phân bố lại ứng suất trong khối đắp theo cơ chế hiệu ứng vòm, vải (ĐKT) sẽ gánh chịu một phần tải trọng thông qua sức chịu kéo Phần còn lại sẽ truyền vào cọc và chuyển lên tầng đất sâu hơn hoặc lớp đất cứng phía dưới Sự phân bố lại ứng suất trong nền đất sau khi được gia cố trụ đất xi măng là sự gia tăng ứng suất tác dụng lên đầu trụ đồng thời ứng suất tác dụng lên đất yếu xung quanh trụ sẽ giảm xuống đáng kể, điều này cũng

có nghĩa là sức chịu tải của khối đất được gia cố sẽ tăng lên đáng kể

Terzaghi là người đưa ra quan điểm hiệu ứng vòm trong quyển lý thuyết cơ học đất năm 1943 Ban đầu, áp suất thẳng đứng lên nền đất tự nhiên là bằng khả năng chịu tải của nền Sau đó do việc lún dần dần vùng đất xung quanh các cọc sẽ làm võng vật liệu đắp phía trên, sự chuyển động đó làm xuất hiện sức kháng cắt ở mặt bên giữa một khối bị lún xuống và khối trên cọc đứng yên Hậu quả là áp lực tổng cộng lên vùng bị võng sẽ giảm, trong khi vùng đứng yên trên đỉnh cọc làm tăng tải trọng lên cọc với cùng một giá trị tương ứng Khi độ võng đã đạt đến giới hạn sẽ sinh ra mặt phá hoại giữa 2 mặt trượt lên nhau hình thành theo dạng vòm, bắt đầu từ đỉnh cọc lan dần lên bề mặt [15]

Hình 2.1 Mô hình nền đất yếu được gia cố trụ đất xi măng

Hình 2.2a Bản chất của hiệu ứng vòm

Hình 2.2b Kết quả của hiệu ứng vòm

Tải trọng bản thân các khối đất của nền đường nằm giữa các trụ đất xi măng

có xu hướng di chuyển xuống do trụ đất xi măng có độ cứng lớn hơn đất yếu xung quanh Tuy nhiên, nếu sức chống cắt của vật liệu nền đường là đủ lớn, sự dịch chuyển của khối đất trên một phần được hạn chế bởi sức chống cắt của khối đất nền đường nằm bên trên đầu trụ đất xi măng Vì thế một phần áp lực của khối đất nền đường nằm giữa các trụ đất xi măng sẽ được truyền vào đầu trụ đất xi măng (hình 2.2a) Và kết quả nhận được từ hiệu ứng vòm như trong hình 2.2b, khi đó ứng suất tác dụng lên đầu trụ đất xi măng tăng lên và ứng suất tác dụng lên đất yếu xung quanh giảm xuống [22] [23]

 soil

 col



2.1.2 Các thông số diễn tả sự phân bố ứng suất

Sự phân bố ứng suất ảnh hưởng bởi nhiều hệ số, trong đó module đàn hồi của nền đường, độ cứng của trụ đất xi măng, độ cứng của đất yếu xung quanh, cũng như

tỷ diện tích thay thế là một trong những hệ số quan trọng nhất [19] [20]

Hình 2.3 Sự phân bố ứng suất trong nền được gia cố trụ đất xi măng

Bốn thông số thường được sử dụng để diễn tả mối quan hệ giữa tổng ứng suất trên nền đường, ứng suất trên đầu trụ, ứng suất trên mặt đất giữa các trụ đất xi măng:

 Hệ số giảm ứng suất ( Stress Reduction Ratio): SRR s

σ : ứng suất trung bình trên nền đường

σc : ứng suất trên đầu trụ

σs : ứng suất trên đất yếu xung quanh

a4

s

D S

2.1.3 Các phương pháp giải tích tính hệ số SRR

2.1.3.1 Phương pháp Kempfert (2003)

Theo Kempfert thì tại đỉnh vòm, ứng suất hướng tâm σr bằng với ứng suất đứng σz (hình 2.4) Từ phương trình cân bằng lực theo hướng bán kính vòm, ứng suất thẳng đứng σz tác dụng lên đất yếu xung quanh cột được tính như sau:

Hình 2.4 Mô hình hiệu quả vòm của Kempfert (2003)

Từ phương trình (2.8) thì ứng suất đứng tác dụng lên bề mặt đất yếu giữa các

trụ được xác định như sau:

' 2

.1.8

2 .s2

tan 45

2

crit d

d

d o crit

d K s

s d

s K

γ : trọng lượng riêng của đất đắp

h: chiều cao khối đắp φ: góc ma sát của vật liệu đất đắp

Sd: khoảng cách từ tâm tới tâm giữa các trụ

d : bề rộng trụ p: tải trọng ngoài 2.1.3.2 Phương pháp Guido (1987)

Theo lý thuyết của Guido (1987) và được Bell(1994) bổ sung thì hệ số giảm ứng suất được tính như sau:

Trong đó:

SRR: là hệ số giảm ứng suất tác dụng lên đất yếu s: là khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các trụ a: là bề rộng trụ

H: là chiều cao khối đắp 2.1.3.3 Phương pháp Carlsson

Tương tự như mô hình của Guido, Carlsson đưa ra mô hình đất dạng cung tròn không gian Mô hình theo Carlsson (1987) được giới thiệu từ Thụy Điển, sau đó được bổ sung bởi các tác giả Anh là Rogbeck (1998), Horgan vaf Sarsby (2002) Carlsson cũng đưa ra một chiều tới hạn của đất đắp, theo đó các áp lực phía trên chiều cao tới hạn sẽ chịu chi phối bởi hiệu ứng vòm và chỉ truyền trực tiếp lên đầu trụ và hệ số giảm ứng suất được xác định như sau:

Trong đó:

H: là chiều cao khối đắp 2.1.3.4 Phương pháp BS8006(1995) xét đến 2 trường hợp

Khi chiều cao đất đắp nhỏ hơn chiều cao tới hạn Hc= 1.4(s-a), hiệu quả vòm không xảy ra hoàn toàn và thực chất một phần tải được đặt trên nền đất giữa các trụ, phần tải còn lại và phụ tải sau khi tham gia vào hiệu quả vòm trong nền đất đắp sẽ được quy đổi thành tải đứng tác dụng lên đầu trụ Khi đó hệ số giảm ứng suất được xác định như sau:

H: là chiều cao khối đắp γ: là trọng lượng riêng của đất đắp 2.1.3.5 Phương pháp Terzaghi chỉnh sửa

Russell & Pierpoint (1997) đã bổ sung lý thuyết hiệu quả vòm của Terzaghi và

hệ số giảm ứng suất được tính như sau:

H: là chiều cao khối đắp φ: là góc ma sát của đất đắp

K = 1 2.1.3.6 Phương pháp Hewlett & Randolph (1998)

Lý thuyết tính toán áp lực đất đắp lên trụ và nền móng của Hewlett & Randolph dựa trên trạng thái cân bằng giới hạn về ứng suất trong vùng ảnh hưởng (hình cung tròn trong đất đắp phía sau trụ) Hệ số giảm ứng suất được xác định như sau:

Trong đó:

SRR: là hệ số giảm ứng suất tác dụng lên đất yếu s: là khoảng cách từ tâm đến tâm giữa các trụ a: là bề rộng trụ

Kp = là hệ số áp lực bị động của đất

Bảng 2.1 Bảng tổng hợp kết quả tính toán của các phương pháp

SRR S a H у φ tanф K Kp δ as Esoil Ecol

Hình 2.6 Biểu đồ thể hiện các phương pháp có kết quả xấp xỉ nhau

Với phương pháp của Kempfert (2003), lý thuyết vòm đưa ra rất thuyết phục, tuy nhiên Kempfert đã thiết lập công thức tính SRR cho trường hợp có gia cường thêm lớp vải địa kỹ thuật trên đầu trụ, và đó cũng là nguyên nhân dẫn đến giá trị

SRR nhỏ