Đề tài trình bày về 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. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1TẠP CHÍ KINH TÉ - CÔNG NGHIỆP số 26 - Tháng 01/2021
Sự PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT YÉU ĐƯỢC GIA CÓ
TRỤ ĐẤT TRỘN XI MĂNG Stress distribution in a weak ground reinforced with cementitious
soil pillar
Bùi Hữu Hiệp Trường Đại học Tiền Giang, Tiền Giang, Việt Nam
buihuuhiep2108@gmail.com
Tóm tắt — 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 len đầu trụ đồng thời ứng suất tác dụng lên đất yếụ xung quanh trụ sẽ giảm xuống đáng
kể, điều này cùng có nghĩa là sức chịu tải của khối đất được gia cố sẽ tăng lên đáng kể Sự phân bố lại ứng suất lên trụ và đất phụ thuộc bởi sự tác động qua lại giữa trụ, đất, khôi đăp, vải địa kỹ thuật và các lớp gia cường (trong trường hợp có sử dụng).Và sự tương tác phức tạp trên chủ yêu là do hiện tượng
“Hiẹủ ứng vòm” trong đất Trong bài báo này hệ số giảm ứng suất tác dụng lên đất yếu SRR và các thông
số ảnh hưởng đến SRR được giải quyết bàng phưong pháp giải tích và phương pháp sô thông qua phân mềm Plaxis 3D Foundation.
Abstract — The redistribution of stress in the ground after reinforcement of the cementitious pillar is the increase in the stress acting on the pillar head and the stress on the soft soil around the pillar will decrease significantly, this also means that the load capacity of the reinforced soil mass will increase significantly The redistribution of stress on the pillar and soil depends on the interaction between the pillar, soil, embankment, geotextile and reinforcement layers (in case of use) and complex interactions This is mainly due to the phenomenon of "The Dome Effect" in the soil In this paper, the stress reduction coefficients acting on soft soil SRR and parameters affecting the SRR are solved by analytical methods and numerical methods through Plaxis 3D Foundation software.
Từ khóa — ứng suất, đất trộn xi măng, phân bố tải trọng, Stress, load distribution.
1 Đặt vấn đề
Dưới ảnh hưởng của tải trọng bân 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 nên đường là đủ lớn, sự dịch chuyên của khôi đất trên một phần được hạn chế bởi sức chống cắt của khối đất nền đường năm bên trên đâu trụ đất xi măng Vì thế một phần áp lực của khối đất nền đường nằm giữa các trụ đât xi măng sẽ được truyền vào đầu trụ đất xi măng (hình 1) Và kết quả nhận được từ hiệu ứng vòm như trong hình 2, khi đó ứng suất tác dụng lên đầu trụ đất xi măng tăng lên và ứng suât tác dụng lên đât yếu xung quanh giảm xuống
Hình 1 Bán chất cùa hiệu ứng vòm trong nền được gia cố hằng các trụ đất xi măng
Trang 2TẠP CHÍ KINH TẺ - CÔNG NGHIỆP Số 26 - Thăng 01/2021
Hình 2 Kêt quả của hiệu ứng vòm
2 Các thông số liên quan đến hiệu ứng vòm
Đê đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng vòm, bốn thông số thường được sử dụng để diễn tả mối quan hệ giữa tông ứng suât trên nền đường, ứng suất trên đầu trụ, ứng suất trên mặt đất giữa các trụ đất xi măng gồm có:
ơ : ứng suất trung bình trên nền đường
Hệ sô giảm ứng suất ( Stress Reduction Ratio):
ơ
ơs
(2)
Hệ số khả năng chịu tải:
CSR- —
ơ
(3) Hiệu quả sức chịu tải:
(4)
ơc: ứng suất trên đầu trụ đất xi măng
ơs: ứng suất trên đất yếu xung quanh
as: tỷ diện tích thay thế
Ac: diện tích mặt cắt ngang trụ
As : diện tích của vùngđất ảnh hưởng bởi trụ
Diện tích vùng đât ảnh hưởng bởi trụ được xem gần đúng bằng diện tích hình tròn tương đương có đường kính là De ( phụ thuộc vào cách bố trí trụ)
De = 1,05S cho trường hợp bố trí tam giác:
60° 0.866 s
De - 1.29S cho trường hợp bố trí hình lục giác: © ĩ©
Tỷ diện tích thay thế có thể tính trực tiếp thông qua đường kinh trụ D và khoảng cách trụ S:
Bố trí hình vuông : as= -Ị
(5)
Trang 3TẠP CHÍ KINH TÉ - CÔNG NGHIỆP Số 26 - Tháng 01/2021
Bô trí tam giác : as= —— (-)
Bảng I Các phương pháp giải tích tính toán hệ số phân bố ứng suât
3 Đánh giá hệ số giảm ứng suất SRR bằng các phương pháp giải tích
BS8006 Method
SRR 2 • s ■ G« - - a) Li a4
vH
: for H < 1.4(s-a)
for H > 1 A(s-a) BS8006 (1995)
L' "I SRR 2'8'? Ts2 a2|p/
(s + a)2 -H L 1 /H
Pc _ 1 1
vH _ I H J Adapted Terzaghi’s
Method
1 f f H-a K tanự> 1 SRR = - ~a ) - : 1 - exp1- J 1
4 H a K ■ tan0 1 J
Russell and Pierpoint (1997)
Hewlett and
Randolph Method
1
Hewlett and Randolph (1988)
Kp -1 H s ) I s; d
- t
w1 + 1
Low's Method SRR = + d - ứ')ÍKp_”
2H (KP -2) 1~~7~ 2H 2H(Kp — 2)J—— Low et al (1994) Adapted Guido
Method
SRR = -d—?—
3 ■ V 2 ■ H
Guido et al
(1987) carlsson Method s — a
SRR = ——F -—
4 ■ H ■ tanl5
Swedish practice
method
Kivelo (1998)
Cho đến nay đã có rất nhiều tác giả đưa ra phương pháp giải tích để phân tích sự phân bố ứng suất thông qua hệ số SRR như trong bảng I
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
y: là trọng lượng riêng của đất đắp
Kp= (1+ sintp)/(l - sintp) là hệ số áp lực bị động của đất
cp: là góc ma sát trong của đất đắp
K=1
Tuy nhiên các phương pháp tính hệ số giảm ứng suất SRR đều khác nhau, thậm chí là khác nhau ve thông số ảnh hương, trong khi SRR phải là một hàm của rất nhiều các thông số như: chiều cao khối đắp, sức chống cắt của vật liệu đât đăp, khoảng cách bô trí trụ, độ cứng trụ, độ cứng của đất nền, Theo các nghiên cứu trước thì:
> SRR ảnh hưởng bởi khoảng cách bố trí trụ, bề rộng trụ, chiều cao khối đắp
> SRR ảnh hưởng bởi khoảng cách trụ, bề rộng trụ, góc ma sát của đất đắp
> SRR chỉ ảnh hưởng bởi độ cứng trụ, độ cứng đất nền và tỉ diện tích thay thế
Vì vậy, ta cần phải xác định phương pháp thích hợp nhất để phân tích sự phân bô ứng suât trong nền đất gia cô
Trang 4TẠP CHÍ KINH TẺ - CÔNG NGHIỆP Số 26 - Tháng 01/2021
4. Đánh giá hệ số giảm ứng suất SRR bằng các phương pháp số
Trong nghiên cứu này, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), thông qua phần mềm PLAXIS 3D FOUNDATION được ứng dụng để phân tích sự phân bố ứng suất, sự lun lệch, lún
ôn định, lún theo thời gian cũng như những ứng xử khác trong nền đất gia cố trụ đất - xi măng
5 Phân tích, tính toán vói mô hình cụ thể
Mô hình được phân tích là một khối đất đắp trên nền đất yếu được gia cố bằng các trụ đất-
xi mãng Nên đât yếu dày 15m được gia cố bằng 50 trụ đất trộn xi măng dài 10m và trên đàu trụ là lớp đât đăp cao 3m Trụ có đường kính 0.6m và được bố trí theo lưới ô vuông với khoảng cách s = 2m
Hình 3 Mô hình chia lưới phần từ 3-D trong PLAXIS
Bảng II. Thông sô và mô hình vật liệu
5.2 Các thông số và mô hình vật liệu
5.3 Kết quả tính toán theo các phương pháp
Hình 4 So sánh kết quả tinh SRR theo các phương pháp Hình 5 Lưới hiến dạng cùa mô hình 3-D Plaxis
Trang 5TẠP CHÍ KINH TẺ - CÔNG NGHIỆP Số 26-Tháng 01/2021
Phân tích, đánh giá các phương pháp: Theo biểu đồ thì các phương pháp của Ngụyễn Minh Tâm (2006) và phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D Foundation) có kết quả xấp xỉ nhau, với sai số nhỏ hơn 0.07 Thật vậy, khi nhìn lại công thức tính và lý thuyết vòm của các phương pháp này ta đều thấy được 2 điểm chung quan trọng là có xét đến độ bền chống cắt của vật liệu đất đắp và mô hình vòm đêu có dạng hình bán câu
Lý thuyết vòm đưa ra rất thuyết phục, tuy nhiên thiết lập công thức tính SRR cho trường hợp co gia cường thêm lóp vải địa kỹ thuật trên đầu trụ, và đó cũng là nguyên nhân dẫn đến giá trị SRR hơi nhỏ
Với các giá trị SRR cực kì nhỏ, có lẽ do mô hình vòm (hình tam giác cân) chưa thích hợp
và các thông số ảnh hưởng chỉ xét đến khoảng cách trụ, bề rộng trụ và chiều cao khối đắp Phương pháp thực nghiệm của Thụy Điển chỉ quan tâm đến tỉ diện tích thay thế, tỉ lệ độ cứng giữa trụ đất - xi mãng và đất yếu, và thường thì độ cứng của trụ đât xi măng lớn hơn rât nhiều so với đât yêu nên giá trị SRR nhận được tương đôi nhỏ
6 Phân tích các thông số chính ảnh hưởng đến SRR
6.1 Ảnh hưởng của việc thêm và thay đổi diện tích các mũ trên các đầu trụ
Hiện nay, phương pháp thêm các mũ trên các đầu trụ nhàm tăng khả năng chịu tải của nền gia cố trụ đất - xi măng được sử dụng rộng rãi trên thê giới, phô biên nhât là ở Nhật Bản, Thụy Điển, và ở Việt Nam trong dự án Đại lộ Đông Tây cũng đã sử dụng phương pháp này
Trong phần này để đơn giản và tiện lợi trong việc phân tích Plaxis, tác giả chỉ sử dụng mô hình như hình 6 gồm 4 trụ đất trộn xi măng (bố trí hình vuông s = 2m) được gia cô mũ vuông bằng bê tông mác 250, cạnh Im, dày 10cm
Các thông số của đất yếu, đất đắp và đất trộn xi măng được lấy theo thông số và mô hình vật liệu như bảng II
Từ biểu đồ trên hình 8 ta thấy việc thêm các mũ trên đầu trụ đã làm cho SRR giảm tương đối đáng kể Tuy nhiên như ta đã biết SRR là hiệu quả của hiệu ứng vòm nên SRR sẽ phụ thuộc chủ yếu vào diện tích của mũ
Tiếp tục phân tích ảnh hưởng của diện tích của mũ đến SRR bằng cách tính tóan các trường hợp khác nhau của bề rộng mũ d, ta thu được các kêt quả như hình 9
Hình 6 Mô hình chia lưới phần tử và bố trí cột trong Plaxis Hình 7 Mô hình bổ trí cột đất-ximãng và mũ cột Plaxis
I
Trang 6TẠP CHÍ KINH TẺ - CÓNG NGHIỆP Số 26 - Tháng 01/2021
Hình 9 Quan hệ giữa bề rộng mũ d và SRR
Hình 8. Biêu đô so sảnh SRR 2 trường hợp có và không có mũ
^ị.0^
0.5 ị 0.45
0.4 ■
Q-ẽ.2
Từ đô thị trong hình 9, rõ ràng ta thấy SRR giảm dần tương ứng với sự tăng dần của diện tích mũ trên đầu trụ Khi diện tích mũ càng lớn thì khối lượng đat ma mũ gánh dơ càng lớn dẩn tới SRR càng nhỏ Do đó việc xác định diện tích tối ưu của mũ nên dựa vào khả năng chịu tải hay cường độ của đất yếu
6.2 Anh hưởng của module đàn hồi trụ và khối đắp đến SRR
Trong phần này để phân tích sự ảnh hưởng của module đàn hồi trụ và khối đắp đến SRR tác giả cũng sử dụng mô hình 4 trụ đất trộn xi măng như trong mục 6.1 Các mô hình và thông
số vật liệu vẫn được lấy theo bảng II
Tiên hành phân tích ảnh hưởng của module đàn hồi của trụ và của khối đắp đến SRR bằng cách tính toán các trường họp khác nhau của module đàn hồi của trụ và của khối đắp, ta thu được các kết quả như hình 10 và 11
Nhận xét;
- Ta thấy đồ thị trong hình 11 chia thành 2 đoạn rõ rệt, đoạn thứ nhất khá dốc ứng với Ecoi nậm trong khoảng [20;100MPa], đoạn thứ hai gần như nằm ngang và SRR giảm không đáng
kê Điêu đó cho thây dù ta có tăng Ecoi thêm nữa thì SRR cũng sẽ giảm không đáng kể và giá trị tối ưu của module đàn hồi trụ trong trường họp này là lOOMpa
- Tuy nhiên đồ thị trong hình 10 giảm dần từ trái qua phải với độ dốc hầu như không đổi, điều này cho thấy module đàn hồi của khối đắp ảnh hưởng khá lớn đến SRR Do đó khi chọn vật liệu đât đăp ta nên chọn vật liệu có các chỉ tiêu cường độ cao
Hình 10. Anh hường cùa modul đàn hôi đât đâp đên SRR Hình ỉỉ Anh hưởng của moduỉ đàn hồi cột đến SRR
a
a
VI
♦ 0.79
♦ 0.62 ♦ 0.56
Efill
7 Ket luận và kiến nghị
9ua kết quả phân tích, tác giả nhận thấy phương pháp giải tích thích họp nhất để ước tính
hệ so SRR, đồng thời phương pháp Phần tử hữu hạn (Plaxis 3D Foundation) đáng tin cậy để tính toán hệ số SRR, cũng như để phân tích các ứng xử của đất nền
Việc thêm các mũ trên đầu trụ đã làm cho SRR giảm tương đối đáng kể so với khi không
có các mũ trụ Tuy nhiên như ta đã biết SRR là hiệu quả của hiệu ứng vòm nên SRR sẽ phụ thuộc chủ yêu vào diện tích của mũ SRR giảm dần tương ứng với sự tăng dần của diện tích mũ
Trang 7TẠP CHÍ KINH TÉ - CÔNG NGHIỆP Số 26-Tháng 01/2021
trên đầu trụ Khi diện tích mũ càng lớn thì khối lượng đất mà mũ gánh đỡ càng lớn dẫn tới SRR càng nhỏ Do đó việc xác định diện tích tối ưu của mũ nên dựa vào khả năng chịu tải hay cường
độ của đất yếu
Module đàn hồi của khối đắp ảnh hưởng khá lớn đến SRR Khi tăng module đàn hồi của khối đắp thì sẽ làm giảm hệ số SRR
Giá trị tối ưu của module đàn hồi trụ trong trường hợp phân tích là lOOMpa vì dù ta có tăng Ecoi thêm nữa thì SRR cũng sẽ giảm không đáng kể
Cần tiến hành nhiều thí nghiệm hiện trường với mô hình thực để xác định SRR, từ đó làm
cơ sở để thiết lập công thức giải tích tính SRR phù hợp nhất cho điều kiện đất nền ở Việt Nam
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] N.M.Tâm, “ The Behavior of DCM columns under Highway Embankments by Finite Element
[2] H.Bredenberg,G.Holm and B.B.Broms, Dry Mix Methods for Deep Soil Stabilization,Routledge Pub London,2010
[3] D.T Bergado, J.c Chai, M.c Alfaro,“ Những biện pháp kĩ thuật mới cải tạo đất yểu ”, 1994 [4] M.Kitazume and M.Terashi, The Deep Mixing Method, Principle, Design and Construction,
Balkema Publishers,2002
Ngày duyệt đăng: 14/01/2021