Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định và đề xuất giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển-xi măng

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ đặc điểm và phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu tuyến đường bộ ven biển từ Hải Phòng đến Nam Định; đề xuất được phương pháp xử lý nền đất yếu mới bằng cọc cát biển - xi măng phù hợp với cấu trúc nền tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định với đầy đủ cơ sở lý thuyết, cơ sở thực nghiệm và quy trình tính toán, thiết kế và thi công cọc. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định và đề xuất giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển-xi măng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------------------------ NGUYỄN THỊ DỊU NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG VEN BIỂN ĐOẠN TỪ HẢI PHÒNG ĐẾN NAM ĐỊNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC CÁT BIỂN - XI MĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------------------------ NGUYỄN THỊ DỊU NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG VEN BIỂN ĐOẠN TỪ HẢI PHÒNG ĐẾN NAM ĐỊNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC CÁT BIỂN - XI MĂNG Ngành : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CTGT Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Tạ Đức Thịnh 2. PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh HÀ NỘI - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2021 Tác giả Nguyễn Thị Dịu
ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Tạ Đức Thịnh và PGS.TS Nguyễn Đức Mạnh. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Sỹ Ngọc đã đóng góp các ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải, lãnh đạo Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Địa kỹ thuật đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường. Tôi xin trân trọng cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các nhà khoa học, chuyên gia đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện luận án. Cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp, gia đình, người thân, bạn bè đã ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2021 Tác giả Nguyễn Thị Dịu
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................... ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU .......... 8 VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ............................................................. 8 1.1. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu trên thế giới .................................. 8 1.1.1. Tổng quan nghiên cứu về đất yếu trên thế giới ..................................................... 8 1.1.2. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu trên thế giới .............................. 10 1.2. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu ở Việt Nam .................................. 13 1.2.1. Nghiên cứu về đất yếu ở Việt Nam ..................................................................... 13 1.2.2. Nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu ở Việt Nam................................................. 18 1.3. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý nền đất yếu trên thế giới.......... 21 1.3.1. Các nhóm phương pháp xử lý nền đất yếu .......................................................... 21 1.3.2. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý nông ..................................... 22 1.3.3. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý sâu ........................................ 23 1.4. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý nền đất yếu ở Việt Nam .......... 29 1.4.1. Các phương pháp xử lý nông............................................................................... 29 1.4.2. Các phương pháp xử lý sâu ................................................................................. 31 1.5. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 33 CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU TUYẾN ĐƯỜNG .............. 35 GIAO THÔNG VEN BIỂN TỪ HẢI PHÒNG ĐẾN NAM ĐỊNH .............................. 35 2.1. Khái quát đặc điểm tự nhiên vùng ven biển Hải Phòng – Nam Định .................... 35 2.1.1. Đặc điểm khí hậu ................................................................................................. 35 2.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo ................................................................................. 36 2.1.3. Đặc điểm trầm tích Đệ Tứ ................................................................................... 36 2.1.4. Đặc điểm địa chất thủy văn ................................................................................. 42 2.2. Đặc điểm đất yếu vùng ven biển Hải Phòng – Nam Định ..................................... 44 2.2.1. Tuổi và nguồn gốc ............................................................................................... 44 2.2.2. Thành phần vật chất............................................................................................. 45
iv 2.2.3. Tính năng xây dựng ............................................................................................. 46 2.2.4. Tính chất cơ lý ..................................................................................................... 50 2.3. Phân chia cấu trúc nền đất yếu tuyến đường ven biển Hải Phòng – Nam Định .... 52 2.3.1. Mục đích phân chia ............................................................................................. 52 2.3.2. Nguyên tắc phân chia .......................................................................................... 52 2.3.3. Đặc điểm các yếu tố cấu trúc nền ........................................................................ 53 2.3.4. Kết quả phân chia cấu trúc nền đất yếu ............................................................... 56 2.3.5. Phạm vi phân bố các dạng cấu trúc nền .............................................................. 60 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 61 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT BIỂN – XI MĂNG .......................................................................... 62 3.1. Cơ sở đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng ......... 62 3.1.1. Khái quát về phương pháp cọc cát biển - xi măng xử lý nền đất yếu ................ 62 3.1.2. Cơ sở đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng ...... 62 3.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng ....... 63 3.2.1. Cơ sở khoa học nâng cao sức chịu tải và giảm độ lún của nền ........................... 63 3.2.2. Xây dựng cơ sở lý thuyết phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng .............................................................................................................................. 66 3.3. Cơ sở thực nghiệm phương pháp xử lí nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng .. 72 3.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tác dụng gia tăng cường độ của cọc cát biển – xi măng .......................................................................................................................... 72 3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ cọc cát biển – xi măng . ......... 82 3.4. Nghiên cứu mô hình số mô phỏng cọc cát biển – xi măng xử lý nền đất yếu ...... 89 3.4.1. Xây dựng mô hình số .......................................................................................... 89 3.4.2. Kết quả phân tích mô hình................................................................................... 90 3.5. Đề xuất phương pháp tính toán nền đất yếu xử lý bằng cọc cát biển – xi măng.... 92 3.5.1. Phân tích cơ sở khoa học đề xuất phương pháp tính toán ................................... 92 3.5.2. Đề xuất phương pháp tính độ lún và sức chịu tải của nền đất yếu xử lý bằng cọc cát biển – xi măng .......................................................................................................... 94 3.6. Xây dựng quy trình thiết kế và thi công cọc cát biển - xi măng .......................... 102 3.6.1. Xây dựng quy trình thiết kế cọc cát biển – xi măng.......................................... 102 3.6.2. Xây dựng quy trình thi công cọc cát biển – xi măng ........................................ 108
v 3.6.3. Quy trình nghiệm thu cọc .................................................................................. 111 3.7. Kết luận chương 3 ................................................................................................ 112 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT BIỂN – XI MĂNG ..................................................... 114 4.1. Các thông số kỹ thuật tuyến đường Hải Phòng-Nam Định và đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu ......................................................................................................... 114 4.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 114 4.1.2. Một số thông số kỹ thuật chính ......................................................................... 114 4.1.3. Cấu trúc nền đất yếu .......................................................................................... 115 4.1.4. Đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu ............................................................ 115 4.2. Xây dựng mô hình số phân tích hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng ............................................................................................................................ 116 4.2.1. Lựa chọn thông số kỹ thuật để xây dựng mô hình số ........................................ 116 4.2.2. Các thông số thiết kế cọc cát biển – xi măng .................................................... 116 4.2.3. Xây dựng mô hình số 3D ................................................................................... 117 4.2.4. Xây dựng mô hình ứng xử của vật liệu và các thông số của mô hình .............. 119 4.2.5. Tải trọng tác dụng .............................................................................................. 120 4.3. Phân tích hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng ...................... 120 4.3.1. Ảnh hưởng của cọc cát biển – xi măng đến độ lún nền đất yếu ....................... 121 4.3.2. Ảnh hưởng của tải trọng ngoài đến độ lún nền đất yếu ..................................... 122 4.3.3. Ảnh hưởng của cọc cát biển – xi măng đến chuyển vị ngang của nền đường . 124 4.3.4. Ảnh hưởng của độ cứng cọc cát biển – xi măng đến độ lún, chuyển vị ngang, ứng suất tác dụng xuống nền đất yếu và xuống đầu cọc .................................................... 127 4.3.5. Ảnh hưởng của chiều dài cọc cát biển – xi măng đến độ lún của nền đường và ứng suất xuống đất yếu ....................................................................................................... 131 4.4. Kết luận chương 4 ................................................................................................ 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 136 1. Kết luận................................................................................................................... 136 2. Kiến nghị ................................................................................................................. 137 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...................................... 138 CỦA NGHIÊN CỨU SINH ........................................................................................ 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 139
vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.2. Đặc điểm nền đất yếu tại khu vực Cyberjaya, Malaysia (Omar, 2000)[72] . 11 Hình 1.3. Sự thay đổi về giới hạn Atterberg của đất yếu khu vực ven biển (Omar, 2000)[72] ....................................................................................................................... 11 Hình 1.4. Sự thay đổi hệ số nén lún của nền đất yếu theo chiều sâu (Omar, 2000) [72] ....................................................................................................................................... 12 Hình 1.5. Sự thay đổi độ ẩm của đất yếu khu vực ven biển theo chiều sâu [72] .......... 12 Hình 1.6. Thí nghiệm XRD xác định thành phần khoáng vật trong mẫu đất yếu khu vực ven biển [81] .................................................................................................................. 13 Hình 1.7. Biểu đồ thành phần khoáng vật chính trong đất yếu khu vực ven biển [81] . 13 Hình 2.1. Cột địa tầng đặc trưng tuyến đường Hải Phòng - Nam Định [1] .................. 54 Hình 2.2. Các lớp đất trong cấu trúc nền đất yếu dạng Ia (km1+250 - km1+760) [1] .... 57 Hình 2.3. Các lớp đất trong cấu trúc nền đất yếu dạng IIa (Km9+390.3 - Km9+470.3) 57 Hình 2.4. Các lớp đất trong cấu trúc nền đất yếu dạng Ib (Km16+400 - Km16+698) .. 58 Hình 2.5. Các lớp đất trong cấu trúc nền đất yếu dạng IIb (Km8+461.7 - Km8+541.7) ....................................................................................................................................... 58 Hình 2.6. Các lớp đất trong cấu trúc nền đất yếu dạng Ic (Km20+326 - Km20+406) ... 59 Hình 2.7. Các lớp đất trong cấu trúc nền đất yếu dạng IIc (Km31+255 - Km31+645) . 59 Hình 3.1. Khảo sát lấy cát biển ở Hải Phòng ................................................................ 73 Hình 3.2. Ảnh quang phổ chụp mẫu cát biển Hải Phòng ............................................. 74 Hình 3.3. Thành phần hạt của cát biển Hải Phòng ........................................................ 75 Hình 3.4. Đúc mẫu thí nghiệm xác định cường độ chịu nén (mẫu 40x40x160 mm) .... 78 Hình 3.5. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu cát biển - xi măng .......... 79 Hình 3.6. Sự phát triển cường độ của mẫu cát biển - xi măng theo thời gian .............. 79 Hình 3.7. Mối quan hệ giữa mô đun biến dạng E50 và hàm lượng xi măng .................. 80 Hình 3.8. Mối quan hệ giữa mô đun biến dạng E50 và cường độ chịu nén qu ............... 81 Hình 3.9. Tạo lỗ và trộn cát biển - xi măng .................................................................. 86 Hình 3.10. Trình tự tạo lỗ và thi công cọc cát biển - xi măng ...................................... 87 Hình 3.11. Bố trí thiết bị gia tải và đo lún ..................................................................... 88 Hình 3.12. Quan hệ giữa độ lún và tải trọng với cọc đơn (SP) và nhóm cọc (PG) ....... 88 Hình 3.13. Hình học và chia lưới mô phỏng nhóm cọc ................................................ 89 Hình 3.14. Quan hệ giữa độ lún - tải trọng thực nghiệm và mô phỏng......................... 91
vii Hình 3.15. Ứng suất truyền trong khối đắp-cọc-nền đất yếu ........................................ 92 Hình 3.16. Chiều dày lớp tương đương hs ..................................................................... 94 Hình 3.17. Sơ đồ tính lún theo phương pháp cộng lún từng lớp. .................................. 95 Hình 3.18. Các sơ đồ tính sức chịu tải của nền ............................................................. 96 Hình 3.19. Bố trí cọc theo hình tam giác đều .............................................................. 106 Hình 3.20. Lưỡi khoan guồng xoắn dùng để thi công cọc cát biển - xi măng ........... 109 Hình 3.21. Máy khoan guồng xoắn UGB-50M ........................................................... 109 Hình 3.22. Cọc cát-xi măng-vôi thi công bằng UGB-50M ......................................... 109 Hình 3.23. Hiện trường cọc cát-xi măng-vôi thi công bằng UGB-50M ..................... 110 Hình 4.1. Thông số mặt cắt ngang được tính toán thiết kế.......................................... 117 Hình 4.2. Chia lưới mô hình ........................................................................................ 118 Hình 4.3. So sánh độ lún của nền đường khi chịu tác dụng của tải trọng bản thân khối đắp nền đường ............................................................................................................. 122 Hình 4.4. Biểu diễn độ lún của nền đất yếu sau khi gia cố bằng cọc cát biển - xi măng khi chịu tác dụng của tải trọng ngoài p =15kPa. ......................................................... 123 Hình 4.5. Ảnh hưởng của tải trọng tới độ lún của nền đường trong trường hợp nền đất yếu đã gia cố và chưa gia cố. ....................................................................................... 124 Hình 4.6. So sánh chuyển vị ngang của chân taluy nền đường, khi chịu tác dụng của tải trọng bản thân khối đắp nền đường ............................................................................. 125 Hình 4.7. So sánh chuyển vị theo phương ngang của chân taluy nền đường, khi chịu tác dụng của tải trọng bản thân khối đắp nền đường và tải trọng ngoài p = 10 kPa ......... 126 Hình 4.8. Ảnh hưởng của tải trọng tới chuyển vị ngang của nền đường trong 2 trường hợp nền đất yếu đã gia cố và nền đất yếu chưa gia cố. ............................................... 127 Hình 4.9. Ảnh hưởng của tải trọng tới ứng suất tác dụng xuống nền đất yếu trong 2 trường hợp chưa gia cố và đã gia cố. ........................................................................... 128 Hình 4.10. Ảnh hưởng của cường độ cọc cát biển - xi măng đến độ lún nền đường .. 129 Hình 4.11. Ảnh hưởng của cường độ cọc cát biển - xi măng đến chuyển vị đầu cọc . 129 Hình 4.12. Ảnh hưởng của cường độ cọc cát biển - xi măng đến chuyển vị ngang của nền đường .................................................................................................................... 130 Hình 4.13. Ảnh hưởng của cường độ cọc cát biển - xi măng đến ứng suất truyền xuống nền đất yếu ................................................................................................................... 130 Hình 4.14. Ảnh hưởng của cường độ cọc cát biển - xi măng đến ứng suất truyền xuống
viii đầu cọc, ứng với cấp tải trọng p = 20kPa. ................................................................... 131 Hình 4.15. Ảnh hưởng của chiều dài cọc cát biển - xi măng đến độ lún nền đường . 132 Hình 4.16. Ảnh hưởng của chiều dài cọc cát biển - xi măng đến chuyển vị đầu cọc, ứng với cấp tải trọng p = 20kPa. ......................................................................................... 132 Hình 4.17. Ảnh hưởng của chiều dài cọc cát biển - xi măng đến chuyển vị ngang của chân ta luy nền đường.................................................................................................. 133 Hình 4.18. Ảnh hưởng của chiều dài cọc cát biển - xi măng đến ứng suất tác dụng xuống đầu cọc. ........................................................................................................................ 134 Hình 4.19. Ảnh hưởng của chiều dài cọc cát biển - xi măng đến ứng suất tác dụng xuống đầu cọc, ứng với cấp tải trọng p = 20kPa. ................................................................... 134
ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Phân loại đất yếu hệ tầng Thái Bình theo thành phần hạt .............................45 Bảng 2.2. Phân loại đất yếu hệ tầng Hải Hưng theo thành phần hạt .............................45 Bảng 2.3. Phân loại đất yếu theo hàm lượng hữu cơ .....................................................46 Bảng 2.4. Phân loại đất yếu phụ hệ tầng Thái Bình 3 (Q23tb3) theo tính năng xây dựng của đất ............................................................................................................................47 Bảng 2.5. Phân loại đất yếu phụ hệ tầng Thái Bình 1 (Q23tb1) và Thái bình 2 (Q23tb2) theo tính năng xây dựng của đất ....................................................................................48 Bảng 2.6. Phân loại đất yếu hệ tầng Hải Hưng (Q21-2hh2) theo tính năng xây dựng của đất ..................................................................................................................................49 Bảng 2.7. Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định tính chất cơ học của đất yếu ............51 Bảng 2.8. Tính chất cơ lý của các lớp đất nền tuyến đường Hải Phòng-Nam Định ....56 Bảng 3.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của xi măng Nghi Sơn PCB40 ....................................73 Bảng 3.2. Các tiêu chuẩn áp dụng để xác định chỉ tiêu cơ lý của cát biển ...................74 Bảng 3.3. Thành phần hạt của cát biển Hải Phòng........................................................74 Bảng 3.3. Thành phần hoá học của cát biển Hải Phòng . ..............................................76 Bảng 3.5. Các chỉ tiêu cơ lý của cát biển Hải Phòng ....................................................76 Bảng 3.6. Thành phần vật liệu các cấp phối cát biển - xi măng ...................................77 Bảng 3.7. Tốc độ phát triển cường độ chịu nén của các mẫu CB-XM theo thời gian ..80 Bảng 3.8. Cường độ kháng nén của các mẫu cát biển - xi măng theo thời gian ..........81 Bảng 3.9. Thành phần hạt của đất sét yếu .....................................................................85 Bảng 3.10. Tính chất cơ lý của đất sét yếu ....................................................................85 Bảng 3.11. Bảng tổng hợp các thông số của mô hình vật liệu được sử dụng trong tính toán mô phỏng. ..............................................................................................................90 Bảng 4.1. Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền tại vị trí thiết kế điển hình ..............116 Bảng 4.2. Bảng thông số của các mô hình trong tính toán mô phỏng.........................119 Bảng 4.3. Các thông số của cọc cát biển - xi măng ...................................................120
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong định hướng và qui hoạch phát triển chung của nước ta, vùng ven biển từ Quảng Ninh tới Kiên Giang được ưu tiên đặc biệt trong chiến lược an ninh biển đảo. Để kết nối nhiều trung tâm kinh tế ven biển dọc đất nước cũng như nhằm hướng tới mục tiêu bảo vệ chủ quyền biển đảo, tuyến giao thông đường bộ huyết mạch đã và đang được phân chia thành nhiều đoạn triển khai nghiên cứu, đầu tư và xây dựng. Khi hoàn thành, toàn tuyến đi qua 28 tỉnh và thành phố ven biển. Tuyến đường bộ ven biển từ Hải Phòng tới Nam Định nằm trong dự án xây dựng đường giao thông ven biển Việt Nam dài 3.041 km, từ cảng Núi Đỏ (tỉnh Quảng Ninh) đến Hà Tiên thuộc tỉnh Kiên Giang [32]. Tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định gồm hai đoạn: Hải Phòng - Thái Bình và Thái Bình - Nam Định, tổng chiều dài 64,1km (hình i). Đoạn Hải Phòng - Thái Bình dài 29,7 km, trong đó có 20,7 km nằm trong địa phận thành phố Hải Phòng với điểm đầu tại phường Minh Đức (quận Đồ Sơn) và 9,0 km nằm trong địa phận tỉnh Thái Bình, điểm cuối tại km29+700 thuộc xã Thụy Liên (huyện Thái Thụy). Đoạn Thái Bình - Nam Định dài 34,4 km, có điểm cuối tại km64+100 đấu nối với điểm đầu tuyến đường ven biển Nam Định - Ninh Bình. Tuyến đường được thiết kế theo tiêu chuẩn cấp III đồng bằng, kết cấu mặt đường loại cấp cao A1, vận tốc 80km/h. Trên tuyến đường dự kiến xây dựng 8 cầu lớn, nhỏ vượt các sông [32]. Hình i. Sơ đồ vị trí tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định (Nguồn Internet)
2 Theo các kết quả nghiên cứu chung về nền đất vùng ven biển Bắc Bộ đã được công bố, cấu trúc nền khu vực dự kiến có tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định chạy qua khá phức tạp. Trầm tích Đệ Tứ có mặt nhiều lớp đất yếu với sức chịu tải thấp, biến dạng lớn như sét, sét pha, cát pha trạng thái chảy, dẻo chảy, dẻo mềm-dẻo chảy hay bùn loại sét, thuộc hai hệ tầng Thái Bình và Hải Hưng [21]. Chúng thường có chiều dày lớn, biến đổi nhiều, phân bố ngay trên mặt hoặc gần mặt đất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng ổn định cũng như lún đối với các tuyến đường khi xây dựng trong vùng, trong đó có tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định sẽ xây dựng. Vì vậy, việc xử lý nền đất yếu khi xây dựng tuyến đường này nhằm đảm bảo yêu cầu về độ lún cũng như ổn định theo qui định hiện hành là yêu cầu cần phải tiến hành. Hiện nay, ở Việt Nam có nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu đã và đang được áp dụng, bao gồm các phương pháp xử lý nông hay dưới sâu, xử lý bằng cơ học hoặc hóa học, xử lý bằng thoát nước cố kết hoặc kết hợp .... Mỗi phương pháp xử lý đều có ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng, hiệu quả riêng. Hiệu quả xử lý nền đất yếu phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật, công nghệ, bản chất ứng xử của loại đất yếu, cấu trúc nền đất yếu, .... Đối với cấu trúc nền có lớp đất yếu bề dày nhỏ, phân bố ngay trên mặt đất thì lựa chọn phương pháp xử lý nông như thay đất, gia cố toàn khối bằng chất kết dính, hay gia tải trước là phù hợp. Khi cấu trúc nền có lớp đất yếu dày phân bố ngay trên mặt đất hoặc dưới sâu thì các phương pháp xử lý sâu thường được lựa chọn. Với tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định, nơi có cấu trúc nền gồm các lớp đất yếu chiều dày lớn, phân bố ngay trên mặt đất hoặc gần mặt đất, các phương pháp xử lý sâu như: bấc thấm, hút chân không, cọc cát, giếng cát, cọc cát đầm chặt, cọc đất - xi măng, hay cọc PF (Point Foundation) sẽ là sự lựa chọn hợp lý. Các phương pháp này, mặc dù đã được sử dụng rộng rãi, mang lại hiệu quả cả về kỹ thuật và kinh tế nhưng trong những trường hợp cụ thể vẫn có những hạn chế riêng. Chẳng hạn, với phương pháp bấc thấm, khi thi công thường xảy ra hiện tượng xáo trộn đất xung quanh bấc thấm (hiệu ứng xáo trộn), bị đứt hoặc gập bấc khi lún nhiều làm gián đoạn đường thoát nước, hay chất lượng lớp đệm thoát nước và đường thoát nước do thi công kém chất lượng, ... làm giảm khả năng cố kết của nền nên nhiều trường hợp vẫn xảy ra lún sau khi công trình được đưa vào sử dụng. Phương pháp cọc cát, giếng cát hay cọc cát đầm ngoài yêu cầu quan trọng về vật liệu cát hạt vừa giá thành cao (cát sông đủ tiêu chuẩn) còn dễ gây tiếng ồn lớn, ảnh hưởng đến môi trường và các công trình xung quanh. Hơn nữa, việc
3 khai thác cát sông hiện rất khó khăn, ngày càng khan hiếm, tác động xấu tới môi trường sinh thái. Nghị định số 23/2020/NĐ-CP ngày 24/02/2020 của Chính phủ Quy định về quản lý cát, sỏi lòng sông và bảo vệ lòng, bờ, bãi sông là cơ sở pháp lý nhằm hạn chế, thậm chí cấm khai thác cát sông, thúc đẩy tìm nguồn vật liệu khác thay thế. Với cọc đất - xi măng, khả năng mang lại hiệu quả tốt về giảm lún và gia tăng ổn định cao với nền đường đắp trên đất yếu, nhưng giá thành cao và yêu cầu khá cao về kỹ thuật cũng như thiết bị thi công cũng là những hạn chế khi áp dụng. Còn hút chân không ít phù hợp khi xử lý nền đất yếu cho các công trình dạng tuyến kéo dài với mặt cắt ngang hẹp như tuyến đường giao thông ven biển này. Xuất phát từ một số lý do trên, cần có nghiên cứu đề xuất một phương pháp xử lý nền đất yếu mới, hay cải tiến phương pháp xử lý nền đất yếu hiện có để phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam. Phương pháp cọc cát biển - xi măng với đầy đủ cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cơ bản trong phòng, quy trình thiết kế và thi công đề xuất, và đặc biệt sử dụng nguồn cát biển gần công trình làm vật liệu cọc cùng thiết bị thi công tự cải tiến ở Việt Nam, có thể đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế, góp phần hạn chế sử dụng cát sông vốn đang khan hiếm và việc khai thác chúng đang gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng sẽ là giải pháp phù hợp hơn để xử lý nền đất yếu, phục vụ xây dựng công trình hạ tầng vùng ven biển. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định và đề xuất giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển - xi măng” có ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết cao, hoàn toàn xuất phát từ thực tiễn khách quan. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài - Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm cấu trúc nền đất yếu và phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung chủ yếu nền địa chất dọc tuyến đường giao thông ven biển từ Hải Phòng đến Nam Định thuộc dự án xây dựng “Tuyến đường giao thông ven biển Việt Nam”, chiều sâu nghiên cứu đến hết chiều dày đất yếu, khoảng 30-40m kể từ mặt đất, và với nguồn cát ven biển trong phạm vi đoạn tuyến này. Sử dụng loại xi măng pooc lăng phổ biến để nghiên cứu, lựa chọn tỷ lệ phối trộn tối ưu, mô hình thực nghiệm cũng như phân tích mô hình số được xây dựng tương ứng cấu trúc nền có một lớp đất yếu điển hình trên tuyến nghiên cứu. 3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
4 - Làm sáng tỏ đặc điểm và phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu tuyến đường bộ ven biển từ Hải Phòng đến Nam Định. - Đề xuất được phương pháp xử lý nền đất yếu mới bằng cọc cát biển - xi măng phù hợp với cấu trúc nền tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định với đầy đủ cơ sở lý thuyết, cơ sở thực nghiệm và quy trình tính toán, thiết kế và thi công cọc. - Bước đầu đánh giá được hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng trên cơ sở phân tích mô hình số mô phỏng hệ nền - cọc theo cấu trúc nền đặc trưng tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định. 4. Nội dung nghiên cứu của đề tài Nội dung nghiên cứu chính của đề tài là: - Nghiên cứu tổng quan về đất yếu, cấu trúc nền đất yếu và phương pháp xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam. - Nghiên cứu đặc điểm và phân chia cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định. - Nghiên cứu đề xuất phương pháp mới xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng. - Nghiên cứu xây dựng mô hình số phân tích hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng, áp dụng cho tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu của đề tài 5.1 . Cách tiếp cận nghiên cứu Đề tài lựa chọn một số cách tiếp cận nghiên cứu sau đây: - Cách tiếp cận hệ thống: Xem xét mục tiêu, nội dung nghiên cứu của đề tài theo một hệ thống logic, nhất quán. Cụ thể, vấn đề nghiên cứu được tiếp cận theo trình tự sau: tuyến đường bộ ven biển từ Hải Phòng đến Nam Định đã được Chính phủ đồng ý và được triển khai đầu tư xây dựng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội; vùng ven biển Hải Phòng - Nam Định phân bố rộng rãi các loại đất yếu cần xử lý khi xây dựng đường giao thông; cần có phương pháp xử lý đất yếu phù hợp với điều kiện Việt Nam, sử dụng cát biển gần nguồn làm vật liệu xử lý, đảm bảo tiết kiệm tài nguyên, giảm giá thành xây dựng và bảo vệ môi trường bền vững. - Cách tiếp cận kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu đã công bố trên thế giới và ở Việt Nam để làm sáng tỏ nội dung nghiên cứu của đề tài.
5 - Cách tiếp cận lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết liên quan để giải quyết các vấn đề đặt ra trong nội dung nghiên cứu của đề tài. - Cách tiếp cận thực nghiệm: Triển khai công tác thực nghiệm để làm sáng tỏ các nội dung nghiên cứu của đề tài. - Cách tiếp cận hiện đại: Sử dụng các công cụ nghiên cứu hiện đại, các mô hình thực nghiệm, mô hình số để giải quyết các bài toán trong nội dung nghiên cứu của đề tài. 5.2 Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng tổ hợp một số phương pháp nghiên cứu chính gồm: - Phương pháp tổng hợp và hệ thống hóa tài liệu: Thu thập, phân tích, hệ thống hóa các tài liệu đã có liên quan đến đất yếu và các phương pháp xử lý nền đất yếu; đặc điểm địa chất, địa chất thủy văn và đặc điểm địa kỹ thuật tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định. - Phương pháp chuyên gia: Tổ chức các buổi tọa đàm, hội thảo khoa học để xin ý kiến các chuyên gia, nhà khoa học về các vấn đề liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết biến đổi tính chất địa chất công trình của đất đá, lý thuyết cơ học đất và các lý thuyết liên quan để phân chia cấu trúc nền đất yếu, xây dựng cơ sở lý thuyết phương pháp cọc cát biển – xi măng xử lý nền đất yếu. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành điều tra, khảo sát thực địa, lấy các loại mẫu đất; tiến hành thí nghiệm các loại mẫu đất, mẫu chế bị cọc cát biển – xi măng ở trong phòng, thí nghiệm mô hình vật lý cọc cát biển – xi măng thu nhỏ. - Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng mô hình vật lý, mô hình số mô phỏng quá trình làm việc của cọc cát biển - xi măng; tác dụng của cọc cát biển - xi măng đến giảm độ lún nền đường; ảnh hưởng của cường độ cọc, chiều dài cọc đến độ lún và chuyển vị ngang nền đường, chuyển vị của cọc…. 6. Các đóng góp khoa học mới của luận án Các đóng góp khoa học mới của luận án gồm: - Làm sáng tỏ đặc điểm cấu trúc nền và phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường ven biển từ Hải Phòng đến Nam Định làm cơ sở khoa học lựa chọn
6 giải pháp xử lý nền đất yếu thích hợp. - Đề xuất được phương pháp xử lý nền đất yếu mới bằng cọc cát biển - xi măng với đầy đủ cơ sở lý thuyết, cơ sở thực nghiệm cơ bản, căn cứ tính toán thiết kế và qui trình thi công. - Xây dựng được mô hình nghiên cứu thực nghiệm, mô hình số mô phỏng sự làm việc của hệ nền - cọc cát biển-xi măng và bước đầu đánh giá được hiệu quả của cọc cát biển - xi măng xử lý nền đất yếu. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Việc phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định góp phần bổ sung phương pháp luận nghiên cứu đất yếu cũng như về địa kỹ thuật xây dựng khu vực. - Việc đề xuất được phương pháp mới cọc cát biển - xi măng với đầy đủ cơ sở lý thuyết, cơ sở thực nghiệm, quy trình thiết kế và thi công cọc góp phần bổ sung phương pháp luận nghiên cứu xử lý nền đất yếu ở Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học quan trọng để các cơ quan quản lý, tư vấn, thiết kế, thi công có thêm lựa chọn phương pháp xử lý nền đất yếu phù hợp, phục vụ xây dựng các công trình hạ tầng ven biển nói chung, đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định nói riêng, góp phần giảm giá thành xây dựng và bảo vệ môi trường bền vững. Đồng thời còn là tài liệu phục vụ giảng dạy và đào tạo tại các trường đại học và cao đẳng có liên quan. 8. Cơ sở tài liệu thực hiện đề tài Đề tài luận án được thực hiện trên cơ sở các tài liệu chính sau đây: - Các tài liệu đã công bố về đặc điểm tự nhiên, cấu trúc địa chất, địa chất thủy văn, đặc điểm đất yếu vùng ven biển Bắc Bộ của Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, Trường Đại học Mỏ-Địa chất, các viện nghiên cứu và nhiều cơ quan, tổ chức, cá nhân khác (có trong danh mục tài liệu tham khảo kèm theo). - Các tài liệu đã được công bố của các cơ quan có thẩm quyền liên quan đến dự án “Xây dựng tuyến đường ven biển Việt Nam” đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định. - Các tài liệu khảo sát địa kỹ thuật tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định của một số đơn vị như: Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế - Kiểm định và Địa kỹ thuật; Công ty Cổ phần Tư vấn Thiết kế đường bộ (HECO - TEDI); Ban Quản lý Dự
7 án giao thông Nam Định; các công ty hay cơ quan hữu quan khác (có danh mục tài liệu tham khảo kèm theo). - Các tài liệu đã được công bố về các phương pháp xử lý nền đất yếu của các tổ chức, các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam (có danh mục tài liệu tham khảo kèm theo). - Các tài liệu do nghiên cứu sinh thực hiện trong suốt thời gian nghiên cứu, bao gồm: các kết quả khảo sát, lấy mẫu ở hiện trường; các kết quả thí nghiệm mẫu đất, mẫu cát, mẫu cọc cát biển - xi măng ở trong phòng; các kết quả xây dựng mô hình vật lý, mô hình số mô phỏng sự làm việc của hệ nền - cọc cát biển-xi măng, … 9. Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu và phương pháp xử lý nền đất yếu. Chương 2. Đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng - Nam Định. Chương 3. Nghiên cứu đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng. Chương 4. Xây dựng mô hình số phân tích hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng.
8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu trên thế giới 1.1.1. Tổng quan nghiên cứu về đất yếu trên thế giới 1.1.1.1. Khái niệm đất yếu Hiện nay, trên thế giới và ở Việt Nam có nhiều quan điểm khác nhau về đất yếu. Trong một số tiêu chuẩn xây dựng, tiêu chuẩn ngành có đưa ra định nghĩa, tiêu chuẩn phân loại đất yếu nhưng chưa có tính thống nhất và khó áp dụng khi nghiên cứu cho một khu vực cụ thể. Mặt khác, trong nhiều trường hợp, quan niệm về đất yếu chỉ mang tính tương đối, bởi trong mối quan hệ tương tác với công trình có quy mô và tải trọng khác nhau thì ứng xử của đất nền khác nhau. Một loại đất có thể là yếu đối với cấp loại công trình này nhưng lại là không yếu đối với cấp loại công trình khác. Vì vậy, có thể xem xét khái niệm đất yếu theo hai quan điểm: - Theo quan điểm địa chất công trình (mang tính tuyệt đối): Đất yếu là loại đất có độ ẩm cao, hệ số rỗng lớn, độ bền cắt thấp, tính biến dạng lớn, không có khả năng ổn định khi chịu tác dụng của tải trọng công trình. Nói một cách khái quát nhất, đất yếu là loại đất phải xử lý thì mới có thể sử dụng làm nền cho xây dựng công trình. - Theo quan điểm xây dựng (mang tính tương đối): Đất yếu phải được xem xét trong mối quan hệ tương tác với loại công trình xây dựng cụ thể. Nghĩa là, khi xây dựng công trình, đất nền được xem là đất yếu nếu sức chịu tải của đất nhỏ hơn tải trọng công trình tác dụng xuống nền và ngược lại, đất nền được xem là đất tốt nếu sức chịu tải của đất lớn hơn tải trọng công trình tác dụng xuống nền. Nói cách khác, theo quan điểm này, khái niệm đưa ra chính là nền đất yếu. Mặc dù còn những ý kiến khác nhau trong cách hiểu về đất yếu nhưng nhìn chung, các nhà khoa học đều thống nhất quan niệm về đất yếu, đó là: đất yếu là loại đất bão hòa nước, rất nhạy cảm với tải trọng ngoài và sự biến đổi môi trường địa chất, có các đặc trưng vật lý và cơ học không thuận lợi cho xây dựng công trình. Đất yếu là những loại đất có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt so với các loại đất xây dựng khác; đất thường ở trạng thái chảy, dẻo chảy, sức chịu tải thấp, sức kháng cắt nhỏ, tính biến dạng lớn và kéo dài theo thời gian tác dụng của tải trọng. Đối với đất yếu, không thể sử dụng giải pháp móng nông đặt trực tiếp trên chúng nếu không có giải pháp gia cố ngay cả khi các công trình có quy mô, tải trọng vừa và nhỏ; không thể dùng làm lớp tựa mũi cọc
9 hoặc đặt móng sâu [31]. 1.1.1.2. Nghiên cứu phân loại đất yếu trên thế giới Nghiên cứu về đất yếu trên thế giới đã được tiến hành từ rất lâu. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra, đất yếu và các đặc tính của chúng ở từng nước, từng khu vực là khác nhau. Tùy theo mục đích nghiên cứu, các nước trên thế giới có cách nhìn nhận và đánh giá về đất yếu khác nhau, thể hiện trong các tiêu chuẩn phân loại đất yếu. Tuy nhiên, hầu hết các bảng phân loại đất yếu trên thế giới đều có điểm chung là dựa vào các chỉ tiêu đặc trưng về thành phần, trạng thái và một số tính chất cơ lý của đất yếu như: thành phần hạt, hàm lượng hữu cơ, chỉ số dẻo, giới hạn chảy, hệ số rỗng, sức kháng cắt và tính biến dạng của đất. Phân loại đất yếu của một số nước trên thế giới có nhiều điểm khác nhau, chẳng hạn trong hệ thống phân loại đất của Anh (BS 5930: 1981, 1999) [45], đất yếu được phân chia dựa vào một số chỉ tiêu cơ học xác định trực tiếp ngoài hiện trường như loại đất sét (clay), bột (silt) ở trạng thái chảy (very soft), dẻo chảy (soft), có sức kháng cắt trong điều kiện không thoát nước Su< 40kPa, cường độ kháng nén một trục qu< 50kPa và trị số sức kháng xuyên tiêu chuẩn N30 < 4; hay loại đất có chứa hữu cơ từ ít tới nhiều (từ 2% đến >10% với đất loại sét, từ 1%- >5% với đất cát), đất than bùn khi có hàm lượng hữu cơ cao (30% - 50% hoặc cao hơn) hoặc than bùn. Than bùn thường xốp, chứa hữu cơ bị phân hủy với mức độ khác nhau, độ rỗng lớn, hệ số rỗng tới vài đơn vị; độ ẩm cao, có thể tới 200% - 500%, thậm chí tới 3.000%; lượng co ngót lớn, thay đổi từ 10% đến 75% so với thể tích ban đầu; khối lượng riêng nhỏ, biến đổi từ 1,1g/cm3 đến 1,8g/cm3; tính nén lún lớn, môđun tổng biến dạng nhỏ từ 3000kPa đến 5000kPa; sức kháng cắt thấp, biến đổi từ 5kPa đến 15kPa và thay đổi phụ thuộc vào mức độ phân huỷ hữu cơ. Khác phân loại của Anh, trong hệ thống phân loại đất của Mỹ (ASTM D 2487 - 2010) [50], các loại đất yếu là đất sét chứa hữu cơ hoặc than bùn. Các loại đất chứa hữu cơ là đất sét hoặc bụi, có giá trị giới hạn chảy sau khi sấy khô nhỏ hơn 75% so với trước khi sấy khô (khi sử dụng đất tự nhiên làm thí nghiệm). Than bùn là loại đất chứa các vật chất hữu cơ phân hủy ở mức độ khác nhau, màu nâu đen, đen, trạng thái xốp. Đối với các tiêu chuẩn hiện hành của Nga, đất yếu không có phân loại riêng, nằm trong hệ thống phân loại chung, kế thừa cách phân loại đất đá của Liên Xô cũ, chủ yếu theo hai trường phái: phân chia đất đá theo nguyên tắc thành hệ và phân chia đất đá theo