Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Một phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng của nền đất yếu gia cố bằng cọc đất xi măng trong xây dựng công trình giao thông

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:203

Thêm vào BST

Báo xấu

122
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án xây dựng mô hình bài toán lý thuyết sát thực tiễn để xác định trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và chuyển vị (độ lún) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng; áp dụng mô hình bài toán để nghiên cứu, đánh giá diễn biến thay đổi trạng thái ứng suất - độ bền và biến dạng của nền đất trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Một phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng của nền đất yếu gia cố bằng cọc đất xi măng trong xây dựng công trình giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ -------------------------- PHẠM VĂN HUỲNH MỘT PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ -------------------------- PHẠM VĂN HUỲNH MỘT PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 62 58 02 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGÔ HÀ SƠN HÀ NỘI - 2015
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Phạm Văn Huỳnh i
LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS.TSKH. Hà Huy Cương, PGS.TS. Ngô Hà Sơn đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều chỉ dẫn khoa học giá trị, đồng thời thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong và ngoài Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi, thường xuyên giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến để luận án được hoàn thiện Tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ giảng viên Bộ môn cầu đường sân bay, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Phòng sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ môn Đường, Khoa Công trình, lãnh đạo trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải đã tạo điều kiện, giúp đỡ NCS trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã luôn động viên khích lệ và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Phạm Văn Huỳnh ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3 5. Nội dung và bố cục của luận án ............................................................................. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG ........................................................................................................................ 5 1.1. Đất yếu và giải pháp xử lý nền đất yếu .............................................................. 5 1.1.1. Đất yếu Việt Nam .............................................................................................. 5 1.1.1.1. Đặc điểm của đất yếu ...................................................................................... 5 1.1.1.2. Phân bố đất yếu ............................................................................................... 7 1.1.2. Giải pháp xử lý đất yếu nền đường ..................................................................... 8 1.1.2.1. Yêu cầu chung của nền đường ô tô - sân bay ................................................... 8 1.1.2.2. Giải pháp xử lý nền đất yếu ............................................................................. 9 1.2. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng .......................................................... 10 1.2.1. Công nghệ và tình hình nghiên cứu áp dụng công nghệ .................................... 10 1.2.1.1. Công nghệ thi công ....................................................................................... 10 1.2.1.2. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ ................................................. 12 1.2.2. Ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau đến tính chất cơ học và cường độ của cọc đất xi măng ................................................................................................................ 15 iii
1.2.3. Tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay ............................ 19 1.2.3.1. Phương pháp tính như “cọc cứng” ................................................................. 19 1.2.3.2. Phương pháp tính như nền đồng nhất ............................................................ 22 1.2.3.3. Phương pháp tính kết hợp “nền cọc” ............................................................. 25 1.3. Một số vấn đề rút ra từ nghiên cứu tổng quan và hƣớng nghiên cứu tiếp theo .. 31 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG ........................................................................... 33 2.1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng .. 33 2.2. Xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất ............................. 41 2.3. Giải bài toán bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn ........................................ 43 2.4. Khảo sát kiểm nghiệm bài toán ........................................................................ 46 2.5. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đơn đất xi măng ................................................. 48 2.5.1. Ứng suất và độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng............................ 48 2.5.2. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng có chỉ tiêu cơ lý khác nhau ............... 51 2.5.3. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng có kích thước hình học khác nhau .... 53 2.5.4. Một số vấn đề khi lựa chọn chiều dài cọc đất xi măng đảm bảo độ bền ............ 55 2.6. Gia cố nền đất yếu bằng nhóm cọc đất xi măng .............................................. 56 2.6.1. Trường ứng suất và độ bền của hệ nền - nhóm cọc ........................................... 57 2.6.2. Lựa chọn khoảng cách giữa các cọc đất xi măng đảm bảo độ bền .................... 59 2.6.3. Ứng suất và độ bền của hệ nền - nhóm cọc khi mũi cọc đặt trên lớp đất bền hơn .. 61 2.7. Kết quả và bàn luận .......................................................................................... 62 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƢỜNG ĐỘ GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG .................................................................................. 64 3.1. Xây dựng và giải bài toán xác định cƣờng độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất ...................................... 64 3.1.1. Cơ sở xây dựng bài toán ................................................................................... 64 3.1.2. Xây dựng bài toán xác định cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng ...................................................................................................................... 69 3.2. Kiểm chứng kết quả lý thuyết - thực nghiệm của bài toán ............................. 71 iv
3.2.1. Khảo sát, đánh giá, lựa chọn kích thước ô lưới sai phân của bài toán xác định cường độ giới hạn của nền đất tự nhiên ...................................................................... 72 3.2.1.1. Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của số điểm nút lưới sai phân ......................... 72 3.2.1.2. Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của kích thước ô lưới sai phân ........................ 72 3.2.2. Khảo sát và so sánh với lời giải giải tích của Prandtl xác định tải trọng giới hạn của nền đất tự nhiên không trọng lượng ..................................................................... 75 3.2.3. Khảo sát và so sánh với bài toán xác định tải trọng giới hạn đàn dẻo của nền đất .. 76 3.2.4. Khảo sát, đánh giá bài toán xác định tải trọng giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đơn đất xi măng với một số kết quả thực nghiệm ................................................. 78 3.3. Nghiên cứu đánh giá cƣờng độ giới hạn của nền đất trƣớc và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng ............................................................................................... 83 3.3.1. Cƣờng độ giới hạn của nền đất tự nhiên ....................................................... 83 3.3.2. Ứng suất, độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng khi đạt trạng thái giới hạn ............................................................................................................................. 84 3.3.3. Tải trọng giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo các chỉ tiêu cơ lý và theo kích thước hình học của cọc đất xi măng ................................................... 86 3.3.3.1. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có lực dính đơn vị khác nhau .............. 86 3.3.3.2. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có góc ma sát trong khác nhau ............ 87 3.3.3.3. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có kích thước hình học khác nhau ....... 88 3.4. Kết quả và bàn luận .......................................................................................... 90 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG .............................................................................................. 91 4.1. Cơ sở xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng ..................................................................................................................... 91 4.2. Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng ......................................................................................................................... 93 4.2.1. Nguyên lý cực trị Gauss và xây dựng phương trình xác định chuyển vị của nền đất theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss ........................................................... 94 4.2.1.1. Nguyên lý cực trị Gauss ................................................................................ 94 v
4.2.1.2. Xây dựng phương trình xác định chuyển vị của nền đất theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss.............................................................................................. 94 4.2.2. Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của hệ nền - cọc trong nửa mặt phẳng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng ................................................................ 97 4.3. Giải bài toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn ......................................... 99 4.4. Kiểm chứng và đánh giá lý thuyết - thực nghiệm .......................................... 104 4.4.1. Kiểm chứng kết quả xác định chuyển vị của bài toán với một số lời giải giải tích 104 4.4.2. Kiểm chứng kết quả xác định chuyển vị (độ lún) của bài toán so với một số kết quả thí nghiệm hiện trường ...................................................................................... 106 4.4.3. Nhận xét chung .............................................................................................. 110 4.5. Chuyển vị của nền đất trƣớc và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng .......... 110 4.5.1. Chuyển vị của nền đất tự nhiên theo các đặc trưng đàn hồi ............................ 110 4.5.2. Chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đơn đất xi măng ................................. 112 4.5.3. Chuyển vị của nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng .............................. 116 4.5.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc đến chuyển vị (độ lún tức thời) của bề mặt nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng ................................................... 117 4.5.3.2. Xác định mô đun đàn hồi của nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng .... 118 4.6. Kết quả và bàn luận ........................................................................................ 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 122 1. Kết luận .............................................................................................................. 122 2. Hạn chế của luận án ........................................................................................... 123 3. Hƣớng tiếp tục nghiên cứu ................................................................................ 124 4. Kiến nghị ............................................................................................................ 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 126 vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT As - Diện tích đất trong phạm vi gia cố Ac - Diện tích tiết diện cọc đất xi măng gia cố ac - Tỷ lệ diện tích gia cố A.I.T - Viện Công nghệ Châu Á b - Bề rộng đặt tải ca - Lực dính đơn vi giữa cọc và đất xung quanh cọc cs - Lực dính đơn vị của đất nền cc - Lực dính đơn vị của vật liệu cọc đất xi măng cus - Độ bền cắt không thoát nước của đất sét yếu Cọc, trụ - Cọc đất xi măng, trụ đất xi măng Dc - Đường kính cọc đất xi măng Df - Chiều sâu mũi cọc tính từ mặt đất DMM - Phương pháp trộn sâu Eo - Mô đun tổng biến dạng của đất nền Ec - Mô đun đàn hồi của cọc đất xi măng Es - Mô đun đàn hồi (biến dạng) nền đất yếu Etb - Mô đun đàn hồi trung bình của hệ nền - cọc Fs - Hệ số ổn định của nền f(k) - Giá trị bền Mohr - Coulomb fs - Lực ma sát đơn vị trên đoạn dài ΔL - Mô đun trượt của hệ nền - cọc, của cọc và đất xung G, Gc, Gs quanh cọc tương ứng G, G0 - Mô đun trượt của hệ cần tính và hệ so sánh GT, GTVT - Giao thông, giao thông vận tải vii
IP, IL - Chỉ số dẻo, độ sệt i, j - Thứ tự hàng, cột trong lưới sai phân k - Hệ số thấm của đất nền KHKT - Khoa học kỹ thuật LL - Giới hạn chảy Lc - Chiều dài cọc đất xi măng m, n - Số nút lưới sai phân theo chiều z, chiều x tương ứng min ηmax - Cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất Nc, Nγ, Nq - Hệ số tải trọng giới hạn n - Hệ số tập trung ứng suất NC - Nghiên cứu nnk - Những người khác p - Cường độ tải trọng tác dụng pgh - Cường độ giới hạn, tải trọng giới hạn PL - Giới hạn dẻo PTHH - Phương pháp phần tử hữu hạn - Tải trọng giới hạn phá hoại nền, phá hoại cọc đất xi Pgh, s , Pgh,c măng ptx, ptz - Số điểm nút lưới theo chiều x, chiều z Pgh, Qgh - Lực chịu tải giới hạn qu - Cường độ kháng nén nở hông vật liệu đất xi măng Q p , Qf - Lực giới hạn chống mũi cọc, ma sát xung quanh cọc Qgh, nhom - Lực chịu tải giới hạn hệ nền - nhóm cọc Sgh - Độ lún giới hạn cho phép Sc - Khoảng cách từ tim đến tim hai cọc đất xi măng liền kề viii
SPT - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPHH - Phương pháp sai phân hữu hạn TTGH1 - Trạng thái giới hạn 1 TTGH2 - Trạng thái giới hạn 2 TCVN - Tiêu chuẩn Việt Nam U - Chu vi của cọc u, w, u0, w0 - Chuyển vị ngang (x) và đứng (z) của hệ cần tính và hệ so sánh UCS - Thí nghiệm nén nở hông VN - Việt Nam Z - Phiếm hàm Z za - Chiều sâu khu vực tác dụng của nền đường Δh1, Δh2 - Độ lún của hệ nền - cọc, độ lún của đất dưới mũi cọc Δx, Δz - Kích thước ô lưới sai phân theo chiều x, chiều z Δxc , Δxs - Kích thước ô lưới cọc, ô lưới đất theo chiều x θa - Góc ma sát giữa đất và cọc θs, θc - Góc ma sát trong của nền đất, của cọc đất xi măng βi - Hệ số phụ thuộc vào sự nở hông của lớp đất i , s - Trọng lượng thể tích của đất nền c - Trọng lượng thể tích của cọc đất xi măng k - Trọng lượng thể tích khô của đất nền ε - Biến dạng tương đối εx, εz, γxz, ε0x, - Biến dạng dãn dài theo chiều x, chiều z và góc trượt ε0z, γ0xz trong mặt phẳng xz của hệ cần tính và hệ so sánh v - Tốc độ biến dạng thể tích ix
θ, θ0 - Biến dạng thể tích của hệ cần tính và hệ so sánh δ - Biến phân Ω - Hệ cần tính chuyển vị, hệ so sánh Ω, Ωc, Ωs - Miền lấy tích phân của hệ nền - cọc, của cọc, của đất ν, νs - Hệ số Poisson của đất νc - Hệ số Poisson của cọc đất xi măng ζ, ζ1, ζ2 - Ứng suất nén, ứng suất chính tương ứng ζx, ζz - Các ứng suất nén theo phương x, phương z ζh - Ứng suất nén lên cọc theo phương nằm ngang ζ0x , ζ0z, η0xz - Các ứng suất của hệ so sánh - Ứng suất tiếp, ứng suất tiếp giới hạn, ứng suất tiếp lớn η, ηf, ηmax, nhất ηxz, ηzx - Các ứng suất tiếp x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1a. Thay đổi ζx, ζz trục tim hệ theo chiều sâu khi được gia cố cọc ................. 49 Bảng 2.1b. Độ bền f(k) theo chiều sâu khi chưa gia cố và khi được gia cố bằng......... 50 cọc đất xi măng (trục tim hệ nền - cọc) ...................................................................... 50 Bảng 2.2. Tỷ lệ tăng ứng suất ζz khi tăng trọng lượng thể tích của cọc đất xi măng ... 52 Bảng 2.3. Độ bền của tim cột đất theo chiều sâu trước và sau khi gia cố với các khoảng cách đặt cọc Sc khác nhau .......................................................................................... 60 Bảng 3.1. Đánh giá sự thay đổi tải trọng giới hạn của nền đất khi thay đổi Δz ........... 73 Bảng 3.2. Đánh giá sự thay đổi tải trọng giới hạn khi thay đổi kích thước ô lưới Δx c 73 Bảng 3.3. pgh/cs theo góc ma sát trong của nền đất ..................................................... 77 Bảng 3.4. Kết quả tính tải trọng giới hạn theo bài toán và theo công thức thực nghiệm (gia cố nền bùn sét yếu bằng cọc đất xi măng) ........................................................... 79 Bảng 3.5. Cường độ giới hạn của đất bùn theo chỉ tiêu cơ lý (một số địa phương) ..... 84 Bảng 3.6. Tải trọng giới hạn theo lực dính đơn vị của cọc đất xi măng ...................... 86 Bảng 3.7. Tải trọng giới hạn theo góc ma sát trong của cọc ....................................... 87 Bảng 3.8. Tải trọng giới hạn của cọc đất xi măng theo đường kính của cọc đất xi măng . 88 Bảng 4.1. Bảng tọa độ nút phần tử chữ nhật ............................................................. 100 Bảng 4.2. Thông số thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn đất xi măng tại Hải Phòng ............ 107 Bảng 4.3. Kết quả xác định chuyển vị của cọc đơn số 1 (Hải Phòng) ....................... 108 Bảng 4.4. Thông số thí nghiệm cọc đất xi măng (Sân bay Cần Thơ) ........................ 109 Bảng 4.5. Kết quả xác định chuyển vị của cọc đơn 1C4 (Sân bay Cần Thơ)............. 109 Bảng 4.6. Chuyển vị tại tim mặt của hệ nền - cọc theo Dc, Sc ................................... 118 Bảng 4.7. Chuyển vị tại tim mặt hệ nền - cọc theo áp lực của tải trọng tác dụng ...... 120 xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu .......................................... 11 Hình 1.2a. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ nén so với khi chưa gia cố (SDI=qu xử lý/ qu chưa xử lý) ................................................................................ 16 Hình 1.2b. So sánh ảnh hưởng chất gia cố đến cường độ nén các loại đất ở Thụy Điển .. 16 Hình 1.3a. Ảnh hưởng của thành phần hạt trong đất đến cường độ đất xi măng ......... 18 Hình 1.3b. Ảnh hưởng của vị trí, nguồn gốc đất đến cường độ nền đất gia cố xi măng ... 18 Hình 1.4. Sơ đồ tính lún của hệ nền - cọc ................................................................... 23 Hình 1.5. Quan hệ giả định giữa ứng suất (ζc) và biến dạng (εc) của cọc gia cố.......... 27 Hình 2.1a. Sơ đồ nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng dưới nền đường đắp ............... 33 Hình 2.1b. Các thành phần ứng suất của phân tố đất .................................................. 34 Hình 2.1c. Cường độ nén nở hông trung bình cọc đất xi măng tại một số tỉnh thành VN 36 Hình 2.1d. Cường độ nén nở hông theo chiều sâu của các cọc đất xi măng (Cần Thơ) ... 36 Hình 2.2. Tác dụng ứng suất của phân tố đất ............................................................ 38 Hình 2.3a. Vòng tròn Mohr ứng suất và điều kiện chảy dẻo Mohr - Coulomb ............ 40 Hình 2.3b. Bài toán xác định trạng thái ứng suất của hệ nền gia cố cọc đơn ............... 42 Hình 2.3c. Sơ đồ chia lưới sai phân bài toán hệ nền - cọc đơn.................................... 43 Hình 2.4a. Ứng suất ζz, ηxz của nền đất theo chiều sâu khi kích thước ô lưới Δx c khác nhau ........................................................................................................................... 46 Hình 2.4b. Ứng suất ζz, ηxz của nền đất theo chiều sâu khi kích thước ô lưới Δz khác nhau ........................................................................................................................... 46 Hình 2.5. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) ................................................................ 47 Hình 2.6a. Đồ thị ζx, ζz, ηxz, f(k) theo chiều sâu tại trục tim đặt tải nền đất (trục 7) khi chưa gia cố ................................................................................................................ 48 Hình 2.6b. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của nền đất chưa gia cố ......................... 48 Hình 2.7a. Đồ thị ζx, ζz, ηxz, f(k) tại các điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu .. 49 xii
Hình 2.7b. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - cọc .................................... 49 Hình 2.8a. f(k) tại các điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi cc khác nhau ... 51 Hình 2.8b. f(k) tại các điểm trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi θc khác nhau .... 51 Hình 2.9. Giá trị bền f(k) của điểm trên trục tim hệ nền - cọc theo chiều sâu khi cọc có γc khác nhau ............................................................................................................... 52 Hình 2.10. Đồ thị ứng suất (ζ x, ζz), độ bền f(k) theo chiều sâu của các điểm trên trục tim hệ nền - cọc khi Dc khác nhau .............................................................................. 53 Hình 2.11a. Ứng suất ζx, ζz, ηxz và f(k) theo chiều sâu tại các điểm trên trục tim hệ nền - cọc khi Lc khác nhau................................................................................................ 54 Hình 2.11b. Độ bền f(k) theo chiều sâu của các điểm trên trục tim nền đất trước và sau khi gia cố với bề rộng đặt tải khác nhau ..................................................................... 55 Hình 2.11c. Ảnh hưởng tăng bền của chiều dài cọc theo chiều sâu............................. 56 Hình 2.12. Sơ đồ chia lưới sai phân bài toán hệ nền - nhóm 6 cọc.............................. 57 Hình 2.13. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - nhóm cọc .......................... 58 Hình 2.14. Đồ thị ứng suất, giá trị bền theo chiều sâu của trục 5, 6, 7 ........................ 58 Hình 2.15a. Hệ số tập trung ứng suất nén ζz theo chiều sâu ....................................... 59 Hình 2.15b. Đồ thị độ bền của tim cột đất theo chiều sâu trước và sau khi gia cố với các khoảng cách đặt cọc Sc khác nhau ........................................................................ 61 Hình 2.16a. Đồ thị ứng suất, giá trị bền theo chiều sâu của trục 5, 6, 7....................... 62 Hình 2.16b. Đồ thị đường đồng mức bền f(k) của hệ nền - nhóm cọc......................... 62 Hình 3.1a. Các vùng tác dụng của khối đất khi chịu tải trọng ..................................... 67 Hình 3.1b. Sơ đồ bài toán phá hoại trượt của Prandtl ................................................. 67 Hình 3.1c. Đồ thị quan hệ giữa pgh của bài toán với tổng số điểm nút lưới (ptx.ptz) ... 72 Hình 3.2a. Đồ thị quan hệ pgh với kích thước ô lưới sai phân ..................................... 74 Hình 3.2b. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất khi Δx c= Δxs= Δz =0,3m ........................................................................................................................ 74 xiii
Hình 3.2c. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất khi Δxc= Δxs= Δz =0,4m ........................................................................................................................ 74 Hình 3.3. Đồ thị xác định tải trọng giới hạn của nền đất theo lực dính đơn vị ............ 76 Hình 3.4a. Biến đổi pgh/cs theo góc ma sát trong của đất nền θs.................................. 77 Hình 3.4b. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo giới hạn theo min η max ( θs=10o) 77 Hình 3.4c. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo bài toán giới hạn đàn dẻo (θ s=10o) 77 Hình 3.5. Đồ thị pgh(cc) .............................................................................................. 80 Hình 3.6. Đồ thị xác định đường đồng mức bền và chảy dẻo của hệ nền gia cố cọc ... 82 Hình 3.7. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo của nền đất tự nhiên ................... 83 Hình 3.8a. Đồ thị ứng suất và f(k) theo chiều sâu ....................................................... 85 Hình 3.8b. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo f(k) hệ nền - cọc ....................... 85 Hình 3.9. Tải trọng giới hạn của hệ nền - cọc thay đổi theo lực dính đơn vị của cọc .. 87 Hình 3.10. Tỷ lệ tăng tải trọng giới hạn nền đất được gia cố so với nền đất chưa gia cố theo góc ma sát trong của cọc đất xi măng ................................................................. 88 Hình 3.11. Tải trọng giới hạn của cọc đất xi măng thay đổi theo Dc ........................... 89 Hình 3.12a. Quan hệ giữa tải trọng giới hạn với chiều dài cọc đất xi măng ................ 89 Hình 3.12b. Đồ thị đường đồng mức bền và chảy dẻo f(k) của hệ nền - cọc (Lc=5m) . 89 Hình 4.1. Sơ đồ bài toán không gian chịu tác dụng của lực đơn vị đặt bên trong nền đất 92 Hình 4.2. Bài toán hệ cần tính và hệ so sánh trong nửa mặt phẳng đàn hồi ................. 95 Hình 4.3. Bài toán hệ nền - cọc cần tính và hệ so sánh trong nửa mặt phẳng đàn hồi . 98 Hình 4.4. Chia phần tử hệ nền - cọc đơn theo phương pháp PTHH .......................... 100 Hình 4.5. Phần tử chữ nhật 9 nút .............................................................................. 100 Hình 4.6a. Chuyển vị w trên mặt của nền đất theo bài toán và theo lời giải của Mindlin 105 Hình 4.6b. Chuyển vị u trên mặt của nền đất theo bài toán và theo lời giải của Mindlin 105 Hình 4.7. Chuyển vị trên mặt của khối nền đất dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng đặt trên mặt khối đất (điểm 25) ................................................................................ 106 xiv
Hình 4.8. Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng thí nghiệm ................................................... 107 Hình 4.9. Đồ thị chuyển vị trên mặt tại tim cọc 1 theo tải trọng nén P ...................... 108 Hình 4.10. Đồ thị chuyển vị tại mặt tim cọc 1C4 theo tải trọng nén P ...................... 109 Hình 4.11. Chuyển vị thẳng đứng của các điểm trong nền đất theo chiều sâu ........... 111 Hình 4.12. Chuyển vị tại các điểm bề mặt nền đất theo mô đun đàn hồi của đất nền 112 Hình 4.13. Chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo chiều ngang khi chưa gia cố và được gia cố bằng cọc có Ec khác nhau (thể hiện cho một nửa khối đất đối xứng) ..... 113 Hình 4.14. Chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo chiều ngang khi chưa gia cố và gia cố bằng cọc đất xi măng có hệ số nở hông của cọc đất xi măng khác nhau ............... 114 Hình 4.15. Chuyển vị tại tâm điểm đặt lực theo chiều dài cọc Lc ............................. 115 Hình 4.16. Chuyển vị tại tâm điểm đặt lực theo đường kính cọc D c ......................... 115 Hình 4.17. Hệ nền - nhóm cọc đất xi măng .............................................................. 116 Hình 4.18a. Đồ thị chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo Sc .................................. 117 Hình 4.18b. Đồ thị chuyển vị của bề mặt hệ nền - cọc theo Dc, Sc ............................ 118 Hình 4.19. Đồ thị độ lún tại tim mặt hệ nền - cọc theo áp lực tải trọng tác dụng....... 120 xv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Quá trình thành tạo nền đất Việt Nam sinh ra nhiều vùng trầm tích đất yếu có bề dày lớn nhỏ khác nhau trải dài từ Bắc vào Nam. Các vùng này cũng là những khu vực phát triển kinh tế, nên có nhiều công trình hạ tầng cơ sở như đường sá, sân bay,...v.v được xây dựng. Theo thống kê chưa đầy đủ, chi phí xây dựng xử lý nền móng công trình xấp xỉ 30%, một số trường hợp đặc biệt thì chi phí có thể lên tới 40% giá thành công trình [6], [19]. Trước thực trạng đất yếu thì có nhiều giải pháp xử lý được áp dụng, như bấc thấm, vải địa kỹ thuật, đệm cát, cọc cát,...v.v. Trong những năm gần đây, xử lý nền đất yếu bằng công nghệ cọc đất xi măng đã du nhập để thi công các công trình xây dựng, giao thông ...v.v tại Việt Nam. Mặc dù giải pháp đã được áp dụng trong thời gian dài, nhưng cả người nghiên cứu và người trực tiếp thiết kế vẫn rất băn khoăn. Thứ nhất là các tiêu chuẩn áp dụng trong nước còn thiếu (đặc biệt cho xử lý đất yếu nền đường ô tô, sân bay) hoặc có nhưng chỉ ở mức chỉ dẫn cơ bản và chủ yếu vẫn dựa vào các nguồn tài liệu nước ngoài như của các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, ...v.v; gần đây đã có các công trình nghiên cứu về cọc đất xi măng, song còn ít và chủ yếu nghiên cứu ở bước đầu. Thứ hai là khi tính toán cọc đất xi măng, thì vấn đề quan tâm là đánh giá ổn định về sức chịu tải và độ lún của nền đất khi được gia cố, nhưng hiện nay đưa ra khá nhiều cách tính khác nhau: Chỉ dẫn thiết kế của Châu Âu, Trung Quốc, Nhật Bản,...v.v, tính toán cho hình thức gia cố cụ thể, áp dụng cho một loại đất yếu nhất định và thông qua thí nghiệm hoặc từ giả định các mặt trượt, hoặc từ kinh nghiệm để xác định các giá trị giới hạn. TCVN 9403 - 2012 - "Gia cố nền đất yếu bằng phương pháp trụ đất xi măng”, cho rằng cường độ kháng cắt của cọc đất xi măng được xác định thông qua thí nghiệm nén ngang thành hố khoan, còn giới hạn sử dụng được xác định từ thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn khi độ lún lớn nhất đạt 10% đường kính cọc hoặc thông qua chất tải trọng thật tổ hợp cọc [11]. Tải trọng thiết kế được lấy theo giá trị nhỏ nhất của giới hạn trên chia cho hệ số an toàn. Nhìn chung, các tính toán thiết kế chủ yếu vẫn là tham khảo các chỉ dẫn thiết kế của nước ngoài và dựa vào thực nghiệm, kinh nghiệm. Tuy nhiên, khi áp dụng các công thức thực nghiệm để tính toán xử lý nền đất yếu Việt Nam gặp những hạn chế: (1) Nhiều thí nghiệm rất khó xác định, như thí nghiệm xuyên, thí nghiệm nén ngang thành hố khoan, …v.v, vì vậy hiện nay chủ yếu vẫn sử dụng thí nghiệm nén dọc trục (trong phòng hoặc hiện trường) để xác định giá trị giới hạn. Giá trị này cũng rất 1
phân tán và không phải lúc nào cũng thực hiện được, đặc biệt là với những dự án nhỏ và trong điều kiện kinh tế khó khăn của Việt Nam; (2) Chưa chỉ rõ sự phân bố ứng suất trong cọc và đất yếu xung quanh cọc theo tải trọng thiết kế, chỉ xác định được ứng suất trung bình khi chấp nhận công thức quy đổi bằng cách đưa hệ nền - cọc về nền đồng nhất (phương pháp nền - được trình bày trong chương 1), đặc biệt là chưa phân tích rõ cơ chế thay đổi ứng suất, độ bền khi đạt đến giới hạn. Hơn nữa, từ nghiên cứu của Viện Khoa học Thủy lợi và nnk cho rằng khi áp dụng công thức xác định sức chịu tải của Trung Quốc trong điều kiện xử lý nền đất yếu của Việt Nam cho kết quả có sai số rất lớn so với kết quả hiện trường [17], [19]; (3) mô đun biến dạng của vật liệu đưa ra cũng rất khác nhau trong tính toán chuyển vị, mặt khác do tính chất đất ở mỗi vùng và mỗi đất nước là khác nhau nên không thể lấy công thức thực nghiệm của nước ngoài áp dụng vào Việt Nam. Tóm lại, tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay tại Việt Nam, sẽ là chưa đủ nếu chỉ dựa vào thực nghiệm hoặc các công thức kinh nghiệm của nước ngoài, mà phải có các nghiên cứu lý thuyết đánh giá diễn biến của cả quá trình thay đổi ứng suất, độ bền đến giới hạn, giúp cho quá trình tính toán đơn giản hơn và không phải đưa ra nhiều giả thiết giả định. Chính vì vậy, luận án đặt vấn đề nghiên cứu xây dựng bài toán xác định ứng suất, chuyển vị (độ lún) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng. Bài toán xây dựng góp phần bổ sung vào các tài liệu, các tiêu chuẩn hiện hành để tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay, hơn thế nữa nó giúp người kỹ sư dễ dàng hơn để thiết kế xử lý nền đất yếu, đó chính là tính cấp thiết của đề tài cần phải nghiên cứu. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng mô hình bài toán lý thuyết sát thực tiễn để xác định trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và chuyển vị (độ lún) của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng. Áp dụng mô hình bài toán để nghiên cứu, đánh giá diễn biến thay đổi trạng thái ứng suất - độ bền và biến dạng của nền đất trước và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng, góp phần phát triển mở rộng NC sâu về cọc đất xi măng, đồng thời giúp người kỹ sư dễ dàng thiết kế xử lý đất yếu nền đường bằng cọc đất xi măng đảm bảo yêu cầu độ bền trượt và độ lún cho phép. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng. 2
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và biến dạng (chuyển vị) của nền hỗn hợp (nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng) dưới nền đường đắp. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực tiễn gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng kết hợp với lý thuyết cơ học đất, phương pháp nguyên lý cực trị Gauss để xây dựng bài toán xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của hệ nền gia cố. Sử dụng các phương pháp SPHH, phương pháp PTHH và lập trình Matlab để giải. Kết quả bài toán được kiểm chứng độ tin cậy theo các lời giải giải tích truyền thống và theo kết quả thí nghiệm hiện trường. Thông qua khảo sát số để tìm mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý của bài toán. 5. Nội dung và bố cục của luận án - Mở đầu - Chương 1: Tổng quan về gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng Luận án trình bày đặc điểm, phân bố đất yếu ở Việt Nam và các biện pháp chung xử lý nền đất yếu hiện nay. Phần tiếp theo, trình bày phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng: phân tích công nghệ trộn sâu, tình hình nghiên cứu phát triển công nghệ này trên thế giới và tại Việt Nam, quá trình hình thành cọc đất xi măng. Đặc biệt, luận án đi sâu tìm hiểu các nghiên cứu tính toán về cọc đất xi măng trong và ngoài nước, như các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, ...v.v và chỉ ra những ưu điểm cũng như những tồn tại của từng quan điểm tính, trên cơ sở đó đưa ra vấn đề phải nghiên cứu là xây dựng bài toán xác định trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn và chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng; Để nghiên cứu bài toán ứng suất - biến dạng của hệ nền gia cố, cần đi từ cơ sở lý thuyết của bài toán cơ học đất, vì vậy đưa điều kiện bổ sung cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất (viết tắt min ηmax) của các điểm trong nền đất kết hợp với điều kiện phân tích giới hạn giúp xác định được ứng suất cũng như ứng suất giới hạn phản ánh sát điều kiện làm việc của đất hơn, và đây cũng chính là cơ sở để xây dựng bài toán xác định ứng suất độ bền của hệ nền - cọc. Tóm lại, toàn bộ nội dung chương 1 chỉ rõ tính cấp thiết nghiên cứu bài toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng và xây dựng phương pháp nghiên cứu tiếp theo. - Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng Nghiên cứu cơ sở thực tiễn và lý thuyết xác định trạng thái ứng suất của nền đất 3