Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sự làm việc của cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao trong xử lý nền đất yếu cho xây dựng giao thông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu: Từ các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng, phân tích mô hình số khi chịu tải của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao có xét tới áp lực đất nền, biến dạng cọc, và biến dạng lưới, đề xuất một số công thức tính toán mới phù hợp hơn trong thiết kế hệ GRPS. Từ đó, nâng cao hiệu quả thiết kế hệ cọc ĐXM để xử lý nền đất yếu trong xây dựng giao thông. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sự làm việc của cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao trong xử lý nền đất yếu cho xây dựng giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THÁI LINH NGUYỄN THÁI LINH NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO XÂY DỰNG GIAO THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THÁI LINH NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO XÂY DỰNG GIAO THÔNG Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 - PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh 2 - PGS.TS. Phạm Hoàng Kiên HÀ NỘI - 2021
i LỜI CẢM ƠN Bằng những tình cảm chân thành nhất, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh và PGS.TS. Phạm Hoàng Kiên đã tận tình hướng dẫn và định hướng khoa học, tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong bộ môn Địa kỹ thuật, đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Nguyễn Sỹ Ngọc, PGS.TS. Nguyễn Châu Lân và ThS. Nguyễn Hải Hà trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ, các chuyên gia và các nhà khoa học đã chỉ dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để luận án được hoàn thiện. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Giao thông Vận tải, tác giả xin được trân trọng cảm ơn: Ban Giám hiệu Nhà trường, phòng Đào tạo Sau đại học, khoa Công trình đã quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tác giả xin được cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đã động viên, chia sẻ trong suốt thời gian thực hiện luận án.
ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS. Nguyễn Thái Linh
iii MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................... vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................................ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU ................................. 4 1.1 Khái quát về đất yếu, cọc đất xi măng, lưới địa kỹ thuật và các giải pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu .....................................................................................4 1.1.1 Đất yếu và phân loại đất yếu [2], [5], [6] ...........................................................4 1.1.2 Sơ lược về các giải pháp xây dựng trên nền đất yếu cho nền đường đắp ..........5 1.1.3 Cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật .................................................................8 1.2 Tổng quan về nghiên cứu cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật để xử lý nền đất yếu............................................................................................................................14 1.2.1 Mô tả giải pháp và ứng dụng............................................................................14 1.2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật ..............18 1.2.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật ở Việt Nam ...........................................................................................37 1.3 Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án .................................................................38 1.4 Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................39 CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO ............................ 41 2.1 Phương pháp phân tích số và mô hình vật liệu........................................................41 2.1.1 Khái quát các nghiên cứu hệ cọc kết hợp vật liệu Địa kỹ thuật bằng phương pháp phân tích số .......................................................................................................41 2.1.2 Các mô hình tính toán trong nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật bằng phân tích số ..................................................................................42 2.1.3 Các mô hình vật liệu sử dụng trong phân tích số hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật........................................................................................................45
iv 2.2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao .............................................................................................49 2.2.1 Các tham số phân tích và mô hình phân tích ...................................................49 2.2.2 Các trường hợp phân tích .................................................................................51 2.2.3 Phân tích kết quả ..............................................................................................54 2.3 Hệ số ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới địa kỹ thuật ....................................................................................................................62 2.4 Nhận xét chương 2...................................................................................................65 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ ............................................ 66 3.1 Mô hình thu nhỏ ......................................................................................................66 3.1.1 Các nghiên cứu mô hình thực nghiệm .............................................................66 3.1.2 Các nghiên cứu mô hình thu nhỏ hệ cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật ......68 3.2 Xây dựng mô hình hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao ....71 3.2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình ...................................................................71 3.2.2 Chuẩn bị hộp thí nghiệm, vật liệu, hệ thống gia tải .........................................74 3.2.3 Hiệu chỉnh các thiết bị thí nghiệm ...................................................................76 3.2.4 Lắp đặt mô hình thí nghiệm .............................................................................78 3.3 Kết quả thí nghiệm mô hình hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao .............................................................................................................................81 3.3.1 Quy trình thí nghiệm ........................................................................................81 3.3.2 Kết quả thí nghiệm độ lún ................................................................................81 3.3.3 Kết quả thí nghiệm đo ứng suất đầu cọc và áp lực đất nền ..............................85 3.3.4 Kết quả thí nghiệm đo biến dạng lưới địa kỹ thuật ..........................................88 3.4 Kết luận chương 3 ...................................................................................................89 CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT CÁC CÔNG THỨC TÍNH TOÁN HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO ................................ 90 4.1 Cơ sở lý thuyết xác định lực kéo lưới Địa kỹ thuật theo tiêu chuẩn BS 8006 (Anh) ..............................................................................................................................90 4.2 Độ lún của hệ cọc đất xi măng theo TCVN 9906:2014 ..........................................92 4.3 Đề xuất công thức tính toán .....................................................................................94 4.3.1 Đề xuất công thức xác định hệ số tạo vòm Cc cho cọc đất xi măng trong
v trường hợp cọc chống ................................................................................................94 4.3.2 Đề xuất công thức xác định áp lực đất nền và lực phân bố WT trên lưới địa kỹ thuật trong trường hợp cọc chống ........................................................................97 4.3.3 Đề xuất công thức tính lún hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật trong trường hợp cọc chống ....................................................................................100 4.4 Đánh giá các công thức đề xuất tính toán hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao..................................................................................................101 4.4.1 Đánh giá công thức đề xuất tính hệ số tạo vòm và áp lực đất nền trường hợp cọc chống .........................................................................................................101 4.4.2 Đánh giá công thức đề xuất tính toán độ lún hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật......................................................................................................105 4.5 Kết luận chương 4 .................................................................................................107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 108 I. KẾT LUẬN ..............................................................................................................108 II. NHỮNG HẠN CHẾ ...............................................................................................109 III. KIẾN NGHỊ ...........................................................................................................109 IV. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................................109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................ 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 111
vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT IL Độ sệt BTCT Bê tông cốt thép ĐKT Địa kỹ thuật ĐXM Đất xi măng GRPS Cọc kết hợp vật liệu Địa kỹ thuật (Geosynthetics Reinforced Pile Supported) LTP Lớp truyền tải (Load Transfer Platform) MC Mô hình đất Mohr - Coulomb DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Kí hiệu Đơn vị Giải thích ý nghĩa A m2 Diện tích mặt cắt ngang cọc AC m2 Diện tích mũ cọc hoặc đỉnh cọc (trường hợp không có mũ cọc) AE m2 Phần diện tích một ô cọc a m Kích thước mũ cọc vuông hoặc kích thước quy đổi từ mũ cọc tròn a'1 - Hệ số tương tác giữa cốt ĐKT với lớp đất phía trên cốt ĐKT a'2 - Hệ số tương tác giữa cốt ĐKT với lớp đất phía dưới cốt ĐKT Cc - Hệ số vòm ci kPa Lực dính đơn vị của phần tử tiếp xúc d m Đường kính mũ cọc hoặc đường kính quy đổi E MPa Mô đun đàn hồi vật liệu cọc Ecap - Hiệu quả truyền tải tại mũ cọc Ecr - Hiệu quả truyền tải tại đỉnh vòm Emin - Giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị Ecap và Ecr Es MPa Mô đun đàn hồi của đất nền Fmax kN Lực nén lớn nhất cho phép tại chân cọc Fpi kN/m Sức chịu tải của cọc i trên 1 m chiều dài tuyến đường fm - Hệ số vật liệu riêng phần cho cốt ĐKT fms - Hệ số riêng phần vật liệu áp dụng với tan
vii fn - Hệ số riêng phần trên phương diện thiệt hại về mặt kinh tế fp - Hệ số riêng phần của sức kháng kéo của cốt fs - Hệ số riêng phần của sức kháng trượt của cốt H m Chiều cao đất đắp Hv m Chiều cao vòm đất hi m Khoảng cách giữa các lớp lưới J1, J2 kN/m Mô đun dãn dài của cốt ĐKT theo phương 1 và 2 Jx, Jy kN/m Mô đun độ dãn dài của cốt ĐKT theo phương x và y Ka - Hệ số áp lực đất chủ động Kfoot kPa Mô đun đàn hồi của phần tử tiếp xúc cọc và nền tại chân cọc Mô đun đàn hồi chống cắt theo phương vuông góc với thân cọc Kn, Kt kPa của phần tử tiếp xúc Kp - Hệ số áp lực đất bị động Mô đun đàn hồi chống cắt theo phương dọc thân cọc của phần tử Ks kPa tiếp xúc k - Số cọc nằm trong vùng trượt ks kN/m3 Hệ số nền Chiều dài neo giữ cốt theo mặt cắt ngang cần thiết phụ thuộc vào Lb m hàng cọc ngoài cùng Li m Chiều dài đoạn cốt ĐKT lớp i Chiều dài tính toán đoạn cốt ĐKT giới hạn trong tam giác vòm Ln m đất Khoảng cách theo phương nằm ngang từ mép ngoài của mũ cọc LP m ngoài cùng đến chân taluy MD kN.m Mô men gây trượt MRP kN.m Mô men chống trượt do cọc MRR kN.m Mô men chống trượt do cốt ĐKT MRS kN.m Mô men chống trượt do đất mi m Chiều dài phân bố của ngoại lực trên mảnh thứ i n - Độ dốc taluy nền đắp
viii p'c kPa Ứng suất thẳng đứng trên mũ cọc QP kN Khả năng chịu tải của mỗi cọc trong nhóm q kPa Ngoại tải đặt trên nền đắp Rd m Bán kính cung trượt Rinter - Hệ số suy giảm s m Khoảng cách giữa hai cọc liên kề tính từ tim cọc Khoảng cách lớn nhất giữa hai cọc trong một ô lưới cọc tính từ sd m tim cọc TD kN/m Cường độ thiết kế của cốt ĐKT Ti kN/m Cường độ chịu kéo trong lớp cốt ĐKT thứ i Tr kN/m Lực kéo tính toán trên 1m chiều rộng cốt, Tr = Trp + Tds Trp kN/m Lực kéo trong cốt do tải trọng thẳng đứng trên 1m chiều rộng Trp1, kN/m Lực kéo theo phương ứng suất chính 1và 2 trên 1m chiều rộng Trp2 Tu kN/m Cường độ chịu kéo danh định của cốt ĐKT trên 1m chiều rộng tw m Chiều dầy lớp đất yếu ui m Chiều cao mực nước ngầm tính từ mặt trượt của phân tố uP m Chuyển vị của cọc us m Chuyển vị của đất Wi kN Trọng lượng của mỗi mảnh Lực thẳng đứng trên diện tích AE do tĩnh tải đất đắp và ngoại tải Wtr kN gây ra wi kPa Ứng suất trên lớp cốt thứ i y m Độ lún lệch giữa cọc và đất yếu xung quanh  độ Góc nghiêng của cạnh vòm đất  độ Góc nghiêng của mặt trượt phân tố với mặt phẳng nằm ngang  kN/m3 Trọng lượng thể tích của đất đắp  kN/m3 Trọng lượng thể tích của nước a,k độ Góc ma sát chủ động trong trường hợp nền đắp trên cọc  % Độ dãn dài tương đối của cốt ĐKT
ix c % Biến dạng tương đối của cọc theo phương thẳng đứng 1, 2 % Độ dãn dài tương đối theo phương 1 và 2 trên 1 m dài Góc đứng của phương đi qua mép ngoài của mũ cọc ngoài cùng p độ và vai đường ’v kPa Ứng suất thẳng đứng trung bình ở đáy nền đắp: ’cv độ Góc ma sát trong hữu hiệu của đất đắp ’cv1 độ Góc ma sát trong của lớp đất phía trên cốt ĐKT ’cv2 độ Góc ma sát trong của lớp đất lớp phía dưới cốt ĐKT i độ Góc ma sát trong của phần tử tiếp xúc  - Hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào độ dãn dài
x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hệ số suy giảm cường độ theo thời gian của lưới cường độ cao [64] ...........13 Bảng 1.2 Các nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật tiêu biểu .......16 Bảng 2.1 Hệ số tiếp xúc đất và kết cấu [65] ..................................................................48 Bảng 2.2 Bảng thông số vật liệu mô hình .....................................................................51 Bảng 2.3 Bảng tổng hợp các trường hợp khảo sát.........................................................51 Bảng 2.4 Ảnh hưởng của tải trọng thẳng đứng v’ đến hiệu quả truyền tải ..................54 Bảng 2.5 Ảnh hưởng của tỷ số s/D đến hiệu quả truyền tải ..........................................56 Bảng 2.6 Ảnh hưởng của tỷ số Ec/Es đến hiệu quả truyền tải ......................................58 Bảng 2.7 Ảnh hưởng số lớp lưới Địa kỹ thuật đến hiệu quả truyền tải.........................59 Bảng 2.8 Ảnh hưởng của mô đun dãn dài J của lưới đến hiệu quả truyền tải ...............61 Bảng 2.9 Tổng hợp ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hiệu quả truyền tải cọc ....63 Bảng 3.1 Tổng hợp nghiên cứu mô hình tỷ lệ thu nhỏ của các tác giả .........................71 Bảng 3.2 Quan hệ tỷ lệ giữa mô hình thực và mô hình thu nhỏ ....................................72 Bảng 3.3 Các đại lượng cơ bản trong mô hình thu nhỏ.................................................74 Bảng 3.4 Một số đặc trưng vật lý của đất yếu sử dụng nghiên cứu trên mô hình .........75 Bảng 3.5 Độ lún đỉnh cọc và đất nền theo từng cấp áp lực ...........................................82 Bảng 3.6 Ứng suất đỉnh cọc và áp lực đất nền theo từng cấp áp lực ............................85 Bảng 3.7 Biến dạng và độ dãn dài lưới Địa kỹ thuật theo các trường hợp ...................88 Bảng 4.1 Hệ số tạo vòm theo thực nghiệm và BS 8006 ................................................94 Bảng 4.2 Mức độ phù hợp của công thức đề xuất hệ số tạo vòm .................................95 Bảng 4.3 Áp lực đất nền thí nghiệm theo các cấp áp lực ..............................................97 Bảng 4.4 Mức độ phù hợp của công thức đề xuất áp lực truyền vào đất yếu ...............98 Bảng 4.5 Công thức tính ứng suất đầu cọc và áp lực đất nền theo các phương pháp .101 Bảng 4.6 Hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp (khoảng cách s = 2.5D) ................................................................................................101 Bảng 4.7 Hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) ...................................................................................................102 Bảng 4.8 R2 của hệ số tập trung ứng suất trong các trường hợp .................................104 Bảng 4.9 Độ lún hệ cọc đất xi măng theo các phương pháp (khoảng cách s = 2,5D) 105 Bảng 4.10 Độ lún hệ cọc đất xi măng theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) .105 Bảng 4.11 R2 của kết quả độ lún hệ cọc trong các trường hợp ...................................107
xi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các loại lưới địa kỹ thuật ...............................................................................13 Hình 1.2 Các lớp truyền tải LTP để tăng hiệu quả truyền tải cọc [24] .........................14 Hình 1.3 Hệ cọc kết hợp vật liệu địa kỹ thuật ...............................................................15 Hình 1.4 Thi công cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật tại Nhật Bản ..........................16 Hình 1.5 Một số ứng dụng cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật [43] .................17 Hình 1.6 Diện tích cọc (mũ cọc) phụ thuộc vào chiều cao nền đắp [47] ......................18 Hình 1.7 Trạng thái ứng suất trong khối đắp theo Terzaghi (1943) [72] ......................20 Hình 1.8 Phương thức truyền tải hệ GRPS theo Han và Gabr (2002) [43] ...................21 Hình 1.9 Vòm đất theo Guido và nnk (1986) ................................................................23 Hình 1.10 Vòm đất theo phương pháp Thụy Điển (1987) ............................................23 Hình 1.11 Giả thiết vòm đất dạng bán cầu Hewlett và Randolph (1988) .....................24 Hình 1.12 Bố trí mô hình thực nghiệm Zaeske (2001)..................................................25 Hình 1.13 Kết quả thực nghiệm Zaeske (2001) ............................................................25 Hình 1.14 Giả thiết vòm đất trong phương pháp Colin (2004) .....................................26 Hình 1.15 Vòm đất theo EBGEO ..................................................................................27 Hình 1.16 Diện tích ô cọc ..............................................................................................28 Hình 1.17 Lực thẳng đứng phân bố trên lưới Địa kỹ thuật ...........................................29 Hình 1.18 Toán đồ tra độ dãn dài lớn nhất trên lưới Địa kỹ thuật theo EBGEO 2010 .30 Hình 1.19 Trạng thái giới hạn về cường độ theo BS 8006 ............................................31 Hình 1.20 Trạng thái giới hạn sử dụng theo BS 8006 ...................................................31 Hình 1.21 Chiều cao vòm đất theo BS 8006 .................................................................32 Hình 1.22 Phân bố tải trọng theo lý thuyết vòm đất của Marston .................................32 Hình 1.23 Vòm đất theo Hewlett và Randolph 1988 ....................................................34 Hình 1.24 Sơ đồ tính lực kéo Trp do tải trọng thẳng đứng theo BS 8006 ......................35 Hình 1.25 Sơ đồ tính Tds do trượt ngang khối đắp trên lưới theo BS 8006...................35 Hình 2.1 Phân tích 2D - EA hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật mô phỏng công trình đường sau mố cầu tại sông Sippo (Hertsby, Phần Lan) [43] ................................43 Hình 2.2 Mô hình đối xứng trục hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật [70] ....44 Hình 2.3 Mô hình 3D hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật .............................45 Hình 2.4 Mô hình Mohr- Coulomb ...............................................................................46
xii Hình 2.5 Không gian ứng suất chính Mohr- Coulomb..................................................47 Hình 2.6 Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng của mô hình Mohr - Coulomb ................47 Hình 2.7 Lực kéo trong lưới Địa kỹ thuật .....................................................................48 Hình 2.8 Mô hình bài toán nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao trong xử lý nền đất yếu ...........................................................................50 Hình 2.9 Mô hình số 3D hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao .52 Hình 2.10 Chuyển vị hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao ......52 Hình 2.11 Ứng suất thẳng đứng hệ cọc đất xi măng trong phân tích số 3D .................53 Hình 2.12 Lực kéo lưới Địa kỹ thuật trong phân tích số 3D .........................................53 Hình 2.13 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng áp lực thẳng đứng ..55 Hình 2.14 Hàm hồi quy hiệu quả truyền tải do ảnh hưởng tải trọng thẳng đứng..........55 Hình 2.15 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng của tỷ số s/D ...........56 Hình 2.16 Hàm hồi quy hiệu quả truyền tải do ảnh hưởng tỷ số s/D ............................57 Hình 2.17 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng của tỷ số Ec/Es ........58 Hình 2.18 Hàm hồi quy hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới do ảnh hưởng tỷ số Ec/Es 59 Hình 2.19 Hiệu quả truyền tải cọc do ảnh hưởng của môđun dãn dài lưới địa kỹ thuật .......................................................................................................................................60 Hình 2.20 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng môđun dãn dài lưới J .......................................................................................................................................61 Hình 2.21 Hàm hồi quy hiệu quả truyền tải do ảnh hưởng môđun dãn dài của lưới ....62 Hình 2.22 Hệ số ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả truyền tải cọc .......................64 Hình 3.1 Nguyên lý của sự thay đổi áp lực địa tầng (dưới tác dụng của gia tốc trọng trường 1g) và lực ly tâm tác dụng lên mẫu [11] ............................................................67 Hình 3.2 Mô hình hệ cọc đất xi măng gia cố móng tỷ lệ 1/30 [17] ..............................68 Hình 3.3 Mô hình hệ cọc đất xi măng đường kính 20mm [30] .....................................69 Hình 3.4 Mô hình hệ cọc đất xi măng đường kính 40mm [35] .....................................69 Hình 3.5 Mô hình thu nhỏ lớp lưới Địa kỹ thuật [27] ...................................................70 Hình 3.6 Mô hình thu nhỏ thí nghiệm kéo lớp lưới Địa kỹ thuật [85] ..........................70 Hình 3.7 Mô hình thực hệ cọc kết hợp lưới ĐKT cường độ cao...................................73 Hình 3.8 Tương quan giữa mô hình thực và mô hình thu nhỏ trong bài toán hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao ..............................................73
xiii Hình 3.9 Kích thủy lực để gia tải ..................................................................................75 Hình 3.10 Các thiết bị đo chuyển vị, biến dạng ............................................................75 Hình 3.11 Mô hình thực nghiệm được chế tạo ..............................................................76 Hình 3.12 Quan hệ giữa lực kéo với biến dạng của lưới địa kỹ thuật ...........................76 Hình 3.13 Biểu đồ hiệu chỉnh đo ứng suất đầu cọc .......................................................77 Hình 3.14 Cường độ nén một trục nở hông mẫu chế bị đất xi măng ở 7 và 28 ngày ...78 Hình 3.15 Cường độ nén một trục nở hông với biến dạng mẫu chế bị đất xi măng có hàm lượng khác nhau ở 28 ngày ...........................................................................................78 Hình 3.16 Tạo hệ cọc đất xi măng D40 trong mô hình thực nghiệm ............................79 Hình 3.17 Mô hình thực nghiệm cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao sau khi lắp đặt ................................................................................................................81 Hình 3.18 Sơ đồ bố trí hệ thống các thiết bị đo chuyển vị, ứng suất ............................81 Hình 3.19 Độ lún hệ cọc ĐXM khoảng cách s = 2.5D khi không có và có lưới ĐKT .83 Hình 3.20 Độ lún hệ cọc đất xi măng khoảng cách s = 2.5D và s = 3D có lưới ĐKT ..83 Hình 3.21 Độ lún lệch giữa cọc ĐXM và đất nền trong các trường hợp thí nghiệm ....84 Hình 3.22 Độ lún hệ cọc đất xi măng trong các trường hợp và TCVN 9906:2014 ......84 Hình 3.23 Ứng suất đầu cọc, áp lực đất nền khi khoảng cách cọc 2,5D không có lưới 86 Hình 3.24 Ứng suất đầu cọc, áp lực đất nền khi khoảng cách cọc 2,5D có lưới ĐKT .86 Hình 3.25 Ứng suất đầu cọc, áp lực đất nền khi khoảng cách cọc 3D có lưới ĐKT ....87 Hình 3.26 Hệ số tập trung ứng suất trong các trường hợp thí nghiệm ..........................87 Hình 3.27 Biến dạng và độ dãn dài tương đối lưới Địa kỹ thuật theo các trường hợp .88 Hình 4.1 Các thành phần chịu tải trọng hệ cọc đất xi măng..........................................91 Hình 4.2 Sơ đồ xác định độ lún hệ cọc đất xi măng ......................................................92 Hình 4.3 Hệ số tạo vòm theo kết quả thực nghiệm và BS 8006 ...................................94 Hình 4.4 R2 của hệ số tạo vòm theo công thức đề xuất trường hợp s = 2,5D ...............96 Hình 4.5 R2 của hệ số tạo vòm theo công thức đề xuất trường hợp s = 3D ..................96 Hình 4.6 Áp lực đất nền theo kết quả thực nghiệm .......................................................97 Bảng 4.3 Áp lực đất nền thí nghiệm theo các cấp áp lực ..............................................97 Bảng 4.4 Mức độ phù hợp của công thức đề xuất áp lực truyền vào đất yếu ...............98 Hình 4.7 R2 của áp lực đất nền theo công thức đề xuất trường hợp s = 2,5D ...............99 Hình 4.8 R2 của áp lực đất nền theo công thức đề xuất trường hợp s = 3D ..................99
xiv Hình 4.9 Sơ đồ tính độ lún của hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật ...........100 Hình 4.10 Tỷ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp (khoảng cách s = 2,5D) 102 Hình 4.11 Hệ số tập trung ứng suất theo các phương pháp (khoảng cách s = 2,5D) ..103 Hình 4.12 Tỷ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) ...103 Hình 4.13 Hệ số tập trung ứng suất theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) .....104 Hình 4.14 Độ lún hệ cọc tính theo các phương pháp (khoảng cách s = 2,5D) ............106 Hình 4.15 Độ lún hệ cọc tính theo các phương pháp (khoảng cách s = 3D) ...............106
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Để phát triển kinh tế đất nước, mạng lưới đường bộ nói chung và hệ thống đường ô tô cao tốc nói riêng ngày càng được ưu tiên đầu tư xây dựng. Tất yếu, việc xây dựng công trình đường đắp qua vùng đất yếu tại đồng bằng Bắc Bộ, ven biển và Nam Bộ là không tránh khỏi. Những năm qua, nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu được giới thiệu không chỉ giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật, mà còn hướng tới việc tối ưu về thời gian thi công. Một trong số đó, việc sử dụng giải pháp cọc đất xi măng (ĐXM) kết hợp với lưới địa kỹ thuật (ĐKT) hay lưới địa kỹ thuật cường độ cao, còn được gọi là hệ nền cọc GRPS (Geosynthetics Reinforced Pile Supported) cũng được đề xuất và ngày càng được sử dụng rộng rãi. Nhờ khả năng chịu kéo lớn, lưới ĐKT cường độ cao khi trải trên đỉnh cọc tạo thành lớp truyền tải mềm, làm gia tăng tải trọng truyền vào cọc, giảm một phần áp lực truyền xuống đất yếu giữa các cọc, nhờ đó giảm được độ lún lệch giữa cọc với phần đất xung quanh. Ưu điểm của việc áp dụng hệ GRPS để xử lý nền đất yếu dưới các khối đắp vừa cho tốc độ thi công nhanh, đảm bảo ổn định tốt và chi phí hợp lý, đồng thời cho phép xử lý nền đất yếu sâu tới 50m và thân thiện với môi trường. Vì thế, đã và đang có nhiều công trình ứng dụng giải pháp này tại các vị trí đắp cao hay tải trọng lớn, yêu cầu độ lún cho phép nhỏ như đường đầu cầu, phần mở rộng của đường hiện hữu, cải tạo nền công trình nhà kho hay bãi cảng... Trên thế giới, từ những năm 1970, giải pháp cọc kết hợp vật liệu ĐKT nói chung, cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT nói riêng trong xây dựng nền đắp trên đất yếu được nghiên cứu và sử dụng trong thực tế, tiêu biểu như: Đường đắp đầu cầu tuyến A876 (Scotland) tỉ lệ diện tích cọc sử dụng so với diện tích đáy nền đắp chỉ 10.6% nhưng đã chứng minh hiệu quả giảm lún rất tốt của giải pháp; Hay đường đắp tại nút giao các tuyến I - 95 với US-1 ở Virginia (Mỹ), 59 cọc ĐXM thi công theo phương pháp trộn sâu, trên đỉnh cọc có phủ lưới ĐKT; Dự án xây dựng đường cao tốc Fuxia (Đài Loan) sử dụng cọc ĐXM dài 15m kết hợp hai lớp lưới ĐKT để giảm lún đường đắp đầu cầu cao 5m; Dự án đường sắt Buchen - Hamburg (Đức) yêu cầu độ lún nền đường rất nhỏ sử dụng cọc ĐXM đường kính 0.6m kết hợp hai lớp lưới ĐKT cường độ cao 400kN/m... Các nghiên cứu về hệ GRPS cũng được chú ý từ khá sớm, bao gồm cả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về sự làm việc độc lập hay kết hợp giữa cọc BTCT hoặc ĐXM với lưới ĐKT như cơ chế truyền tải trọng, sự phân bố lực kéo trên lưới, hiệu ứng vòm
2 ... cũng được quan tâm khá nhiều, đặc biệt trong các tiêu chuẩn của Anh (BS 8006), Đức (EBGEO), Mỹ (FHWA), Nhật Bản... Ở Việt Nam, trong lĩnh vực ứng dụng, giải pháp cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT (hoặc vải ĐKT) cũng đã bắt đầu được áp dụng cho một số công trình lớn như: Dự án cầu Bạch Đằng - Hải Phòng; Dự án mở rộng nhà máy nhiệt điện Duyên Hải; Dự án nền đường nhà máy khí Cà Mau; Dự án đường dẫn đầu cầu Trần Thị Lý - Đà Nẵng… Tuy nhiên, việc nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT hiện chỉ mới chỉ dừng lại ở việc tổng hợp nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết hoặc phương pháp số thông qua việc ứng dụng một số phần mềm ĐKT có sẵn, chưa có hoặc rất ít đánh giá thực tế bằng thực nghiệm. Qua tổng hợp các nghiên cứu công bố trong nước và trên thế giới liên quan vấn đề về hệ GRPS trên, các lý thuyết tính toán hiện nay đều bỏ qua phản lực của đất nền, không xét đến biến dạng của cọc và của lưới ĐKT. Chính điều này làm cho tải trọng truyền vào cọc và lực kéo lưới ĐKT cao hơn so với thực tế, gây lãng phí trong thiết kế. Do vậy, việc nghiên cứu cải tiến hoặc đề xuất phương pháp đạt hiệu quả cao là rất cần thiết. Xuất phát từ những đánh giá và phân tích trên, đề tài “Nghiên cứu sự làm việc của cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao trong xử lý nền đất yếu cho xây dựng giao thông” xét tới đầy đủ hơn các yếu tố tương tác trong hệ nền xử lý có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn. 2. Mục đích nghiên cứu Từ các nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng, phân tích mô hình số khi chịu tải của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao có xét tới áp lực đất nền, biến dạng cọc, và biến dạng lưới, đề xuất một số công thức tính toán mới phù hợp hơn trong thiết kế hệ GRPS. Từ đó, nâng cao hiệu quả thiết kế hệ cọc ĐXM để xử lý nền đất yếu trong xây dựng giao thông. 3. Đối tượng nghiên cứu Sự làm việc của hệ cọc ĐXM và lưới ĐKT cường độ cao dưới tác dụng tải trọng khối đắp khi xử lý nền đất yếu trong xây dựng công trình giao thông. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ứng xử hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trên mô hình số ba chiều và mô hình vật lý trọng lực đơn (1g) trong phòng thí nghiệm trên một số điều
3 kiện cụ thể thông qua ứng suất đầu cọc và áp lực đất nền, độ lún hệ nền cọc khi chịu tải trọng thẳng đứng tương ứng với một loại đất yếu có cấu tạo địa tầng cụ thể. Luận án chưa xem xét đến ảnh hưởng tải trọng ngang, tải trọng động đất, cấu tạo địa chất nhiều lớp đất, hiện tượng ma sát âm, ổn định tổng thể nền đường. 5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học của đề tài - Tổng kết tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp cọc ĐXM kết hợp với lưới ĐKT cường độ cao, góp phần đánh giá sự khả thi, tính thực tế của giải pháp trong lĩnh vực xử lý nền đất yếu trong xây dựng giao thông. Trên cơ sở tổng hợp lý thuyết, luận án phân tích được một số hạn chế của các phương pháp thiết kế được áp dụng phổ biến hiện nay khi tính toán cho hệ cọc ĐXM và lưới ĐKT. - Việc xây dựng được mô hình vật lý phục vụ nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao và đề xuất công thức tính toán hoàn thiện hơn, không chỉ làm tiền đề, làm cơ sở phương pháp luận và còn là căn cứ khoa học tin cậy phục vụ các nghiên cứu tương tự khác tại Việt Nam thời gian tới. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Việc xem xét đầy đủ hơn các yếu tố liên quan đến hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới ĐKT trong hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao khi làm việc, và đưa chúng vào trong các công thức đề xuất của tác giả không chỉ phản ánh sát thực hơn mà còn là cơ sở thiết kế đảm bảo mức độ phù hợp về kỹ thuật và giảm giá thành khi áp dụng giải pháp này trong thực tế xây dựng. - Kết quả nghiên cứu không chỉ bổ sung các cơ sở phương pháp luận hay cơ sở lý thuyết, mà còn là tài liệu chuyên môn tốt phục vụ công tác giảng dạy, đào tạo và nghiên cứu tại các đơn vị liên quan tại Việt Nam. 6. Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án bố cục thành 04 chương nội dung chính: Chương 1. Tổng quan về nghiên cứu cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật để xử lý nền đất yếu Chương 2. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao Chương 3. Nghiên cứu hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao trên mô hình vật lý Chương 4. Nghiên cứu đề xuất công thức và chương trình tính toán hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao
4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Giải pháp cọc đất xi măng (ĐXM) kết hợp lưới địa kỹ thuật (ĐKT) cường độ cao để xử lý nền đất yếu cho xây dựng giao thông, ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới và bước đầu được áp dụng tại Việt Nam. Tuy nhiên, còn tồn tại bất cập trong việc thiết kế hệ nền cọc trên đó là sử dụng cơ sở lý thuyết tính toán được xây dựng trên hệ cọc BTCT với lưới ĐKT mà chưa phải là cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao. Chương 1 có nhiệm vụ tổng quan về các lý thuyết tính toán đang được áp dụng cho cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT, phân tích các vấn đề còn tồn tại, từ đó lựa chọn nội dung nghiên cứu ở các chương tiếp theo. 1.1 Khái quát về đất yếu, cọc đất xi măng, lưới địa kỹ thuật và các giải pháp xây dựng công trình trên nền đất yếu 1.1.1 Đất yếu và phân loại đất yếu [2], [5], [6] Đất yếu thường có sức chống cắt nhỏ và tính nén lún lớn, hệ số rỗng e0 lớn, độ ẩm tự nhiên cao và thường bão hòa nước, mô đun tổng biến dạng bé (E 0 ≤ 5000 kPa). Do vậy, khi xây dựng công trình trên nền đất yếu, nếu không áp dụng các biện pháp xử lý, giải pháp móng hoặc kết cấu công trình thích hợp thì sẽ xảy ra lún nhiều, lún kéo dài hoặc mất ổn định, ảnh hưởng xấu đến việc khai thác các công trình. Đất yếu vốn rất phức tạp về thành phần, nguồn gốc và đặc tính xây dựng nên cũng vì vậy, việc phân loại chúng cũng chưa thống nhất và có nhiều quan điểm khác nhau. Đất yếu có thể được phân loại theo nguồn gốc hình thành, trạng thái tự nhiên hay chỉ số thí nghiệm. Theo nguồn gốc hình thành, đất yếu thường có nguồn gốc khoáng vật hoặc hữu cơ. Theo 22TCN 262-2000, loại đất yếu có nguồn gốc khoáng vật thường là sét hoặc sét pha trầm tích trong nước ở ven biển, vũng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu. Chúng có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lượng hữu cơ có thể tới 10-12%) nên nhiều khi có màu nâu đen, xám đen, thậm chí có mùi. Đối với loại đất yếu này, được xác định là đất yếu, nếu ở trạng thái tự nhiên mà độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng tự nhiên lớn (sét e0  1,5, sét pha e0  1), lực dính đơn vị theo kết quả cắt nhanh không thoát nước cu  15 kPa, góc ma sát trong   10o hoặc sức chống cắt từ kết quả thí nghiệm cắt cánh hiện trường Su  35 kPa. Với đất yếu loại than bùn thường có e0 vào khoảng 3 ÷ 15, lực dính đơn vị c từ 1 kPa - 4 kPa, φ