Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia sẻ: Lạc Táp | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:99

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp phần tử hữu hạn" nhằm nghiên cứu khái niệm nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng, các lý thuyết tính toán của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn khảo sát sự biến thiên khoảng cách, độ phủ mũ cọc và cường độ lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. Đề xuất ứng dụng của giải pháp này trên cơ sở kết quả khảo sát bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong thiết kế xử lý nền đất yếu ở điều kiện Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN THÀNH ĐẠT KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA NỀN LIÊN HỢP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG XI MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chuyên ngành: Xây dựng Đường ô tô & Đường thành phố Mã số: 60.58.30 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. BÙI PHÚ DOANH Hà Nội - 2012
1 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn từ lúc ý tưởng còn thai nghén cho đến ngày hoàn thành đã gặp rất nhiều khó khăn từ nguồn tài liệu tham khảo ít ỏi, phương pháp tư duy cho đến phương pháp tính toán, xử lý số liệu. Đến nay, luận văn đã hoàn thành đúng mục tiêu đề ra và thời hạn cho phép. Lời đầu tiên, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Bùi Phú Doanh, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, quan tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thiện luận văn. Cơ hội được làm việc với TS. Bùi Phú Doanh đã tạo cho tác giả một sức bật mới trong chuyên môn và nhiều kinh nghiệm trong cuộc sống. Tác giả chân thành cảm ơn các thầy trong Khoa Cầu Đường, đặc biệt là Bộ môn Đường ôtô và đường đô thị đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế trong thời gian học tập của khóa học. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Khoa đào tạo sau đại học - Đại học Xây dựng đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ để tác giả hoàn thành khóa học. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, đồng nghiệp trong Khoa Cầu Đường – Trường đại học Xây dựng đã tạo điều kiện về thời gian và hỗ trợ trong công tác giảng dạy để tác giả thuận lợi trong quá trình học tập cũng như làm tốt nghiệp. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể lớp Cao học Xây dựng đường ôtô và đường thành phố, khóa T8/2009 đã hỗ trợ rất nhiều trong suốt quá trình học tập và trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Lời cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình tác giả đã luôn bên cạnh động viên, hỗ trợ và chăm sóc chu đáo để tác giả hoàn thành khóa học. Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng, tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu có uy tín song kiến thức là vô hạn mà khả năng của tác giả lại hữu hạn nên đôi lúc khó tránh khỏi những sai sót nhất định. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, phê bình trên tinh thần xây dựng của các thầy cô trong hội đồng cũng như của độc giả. Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2012 Tác giả Nguyễn Thành Đạt
2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................5 PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................8 PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................8 1. Đặt vấn đề ........................................................................................................8 2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................12 3. Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................13 4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................13 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài ...........................................................................13 6. Bố cục đề tài ...................................................................................................13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN LIÊN HỢP ..............................................15 1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. ......................15 1.1.1 Tổng quan về nền liên hợp ..............................................................15 1.1.2 Khái niệm nền liên hợp ...................................................................26 1.2 Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. .................26 1.2.1 Nguyên lý hình thành nền liên hợp .................................................26 1.2.2 Sự làm việc của cọc (mũ cọc) .........................................................27 1.2.3 Sự làm việc của lớp đệm đầu cọc ....................................................28 1.2.4 Sự làm việc của nền liên hợp ..........................................................29 1.3 Ảnh hưởng của lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng ..............................................................................................................30 1.4 Kết luận chương 1...................................................................................30 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỀN LIÊN HỢP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG XI MĂNG.......................................32 2.1 Nguyên lý hình thành nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng .........32 2.2 Các phương pháp lý thuyết tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng ................................................................................................................33 2.2.1 Hiệu ứng vòm và cơ chế hình thành ...............................................33 2.2.2 Phương pháp tính toán hiệu ứng vòm theo Terzaghi ......................38
3 2.2.3 Phương pháp tính toán hiệu ứng vòm theo Nordic của các nước Bắc Âu .........................................................................................................40 2.2.4 Phương pháp tính toán hiệu ứng vòm theo tiêu chuẩn Anh BS8006:1995 ..................................................................................................41 2.2.5 Phương pháp tính toán hiệu ứng vòm theo tiêu chuẩn Đức cũ .......42 2.2.6 Phương pháp tính toán hiệu ứng vòm theo tiêu chuẩn EBGEO 2004 .........................................................................................................45 2.2.7 Sức chịu tải của cọc bê tông xi măng trong nền liên hợp ...............47 2.3 Tính toán độ lún nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng .................51 2.4 Kết luận chương 2...................................................................................54 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA NỀN LIÊN HỢP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG XI MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ..............................................................................................56 3.1 Giới thiệu phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus ......................................56 3.1.1 Giới thiệu phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus...............................56 3.1.2 Các bước mô hình hóa một bài toán trong chương trình Abaqus ...59 3.2 Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus khảo sát bài toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng ......................................................................61 3.2.1 Số liệu vật liệu đầu vào: ..................................................................61 3.2.2 Mô hình hóa bài toán bằng phần mềm Abaqus ...............................62 3.2.3 Khảo sát các bài toán bằng phần mềm ABAQUS...........................66 3.3 Kết luận chương......................................................................................85 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................87 4.1 Kết luận ...................................................................................................87 4.2 Kiến nghị ................................................................................................88 4.3 Hạn chế của luận văn ..............................................................................89 4.4 Hướng phát triển của luận văn ................................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................90 PHẦN PHỤ LỤC ......................................................................................................93
4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3-1: Bảng số liệu địa chất và vật liệu đắp ........................................................61 Bảng 3-2: Bảng ứng suất tại đầu cọc khi không sử dụng mũ cọc .............................70 Bảng 3-3: Tỷ diện tích bố trí cọc trong 100m2 đất nền ............................................72 Bảng 3-4: Bảng độ phủ mũ cọc so với đất nền khi khoảng cách cọc là 3m .............74 Bảng 3-5: Bảng ứng suất tại đầu cọc, đất giữa các cọc khi khoảng cách cọc là 3m.78 Bảng 3-6: Độ lún nền đất giữa hai cọc (mm) ............................................................79 Bảng 3-7: Bảng ứng suất đầu cọc khi môdul đàn hồi lớp đệm mũ cọc thay đổi ......82 Bảng 3-8: Bảng ứng suất đất giữa cọc khi Eđh lớp đệm mũ cọc là 400MPa .............83 Bảng 3-9: Bảng ứng suất đầu cọc khi môdul đàn hồi lớp đá dăm đệm thay đổi ......84 Bảng 3-10: Bảng độ lún nền đất giữa hai cọc sau thời gian 15 năm.........................85
5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng đệm cát .........................................16 Hình 1.2: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng bệ phản áp ....................................16 Hình 1.3: Nền đường sử dụng phương tiện thoát nước thẳng đứng ........................17 Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ hút chân không .............................................................17 Hình 1.5: Bố trí vải địa kỹ thuật để tăng cường chống trượt cho thân nền đường ..18 Hình 1.6: Tuyến đường sắt HamBurg - Berlin sử dụng cọc bê tông xi măng .........19 Hình 1.7: Quá trình thi công tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân ................19 Hình 1.8: Nền đường sau khi thi công cọc tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân ..................................................................................................................20 Hình 1.9: Cấu tạo nền liên hợp sử dụng cọc cứng...................................................20 Hình 1.10: Cấu tạo điển hình nền liên hợp .......… … … … … … … 23 … … … … … … … Hình 1.11: Khối đất phủ lên trên một khoảng rỗng tiềm năng (theo McKelvey,1994) ......................................................................................24 Hình 1.12: Sự hình thành của một vòm thực (khoảng rỗng dưới khối đất) (theo McKelvey, 1994).. ...................................................................................24 Hình 1.13: Khối đất lún hình thành nên một vòm giảm tải (theo McKelvey, 1994).... ....................................................................................................25 Hình 1.14: Nguyên lý hình thành nền liên hợp ........................................................27 Hình 1.15: Sự làm việc của nền liên hợp... ...............................................................30 Hình 2.1: Phân bố tải trọng đắp lên đầu cọc theo BS8006:1995... ...........................34 Hình 2.2: Cơ chế truyền tải của nền đường đắp trên cọc .........................................37 Hình 2.3: Miêu tả phân tích hiệu ứng vòm theo Terzaghi .. .....................................39 Hình 2.4 : Dạng hình nêm 2D và 3D … ...................................................................40 Hình 2.5 : Hình vòm bán cầu theo BS8006:1995…. ................................................41 Hình 2.6 : Phân tích trạng thái cân bằng tại đỉnh vòm ….. .......................................43 Hình 2.7 : Phân tích trạng thái cân bằng phía trên đầu cọc … .................................43 Hình 2.8 : Kiểu vòm nhiều lớp ….............................................................................45
6 Hình 2.9 : Phân bố ứng suất thẳng đứng của đất đắp dọc theo chiều sâu với kiểu vòm nhiều lớp ….. ...................................................................................46 Hình 2.10 : Tỷ thay thế và độ phủ mũ cọc khi bố trí cọc theo hình vuông…...........49 Hình 2.11 : Giới hạn ngoài của mũ cọc…. ...............................................................50 Hình 2.12 : Tính lún nền gia cố khi tải trọng tác dụng chưa vượt quá .....................54 Hình 3.1 : Mô hình hóa nền đất yếu gia cố bằng cọc bê tông xi măng .....................63 Hình 3.2 : Định nghĩa vật liệu các phần tử. ..............................................................64 Hình 3.3: Gán điều kiện biên cho bài toán. ...............................................................65 Hình 3.4: Mô hình chia lưới phần tử. ........................................................................66 Hình 3.5: Nền đất làm việc khi không sử dụng biện pháp gia cố .............................67 Hình 3.6: Mô hình thực nghiệm được thực hiện trên máy gia tốc ly tâm với chiều cao nền đắp là 8m, chiều dày nền đất yếu dày 15m, nền đất không sử dụng giải pháp gia cố.... ...........................................................................68 Hình 3.7: Kết quả phân tích bài toán bằng phần mềm phần tử hữu hạn. .................69 Hình 3.8: Hiệu ứng vòm hình thành trên đầu cọc. ....................................................69 Hình 3.9: Biểu đồ ứng suất nền đất trên đầu cọc khi khoảng cách cọc thay đổi ......70 Hình 3.10: Mô hình thực nghiệm được thực hiện trên máy gia tốc ly tâm với chiều cao nền đắp là 8m, chiều dày nền đất yếu dày 15m, chiều sâu cọc xử lý 15m, khoảng cách cọc là 6D và không sử dụng mũ cọc.... ......................71 Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất trên đầu cọc khi khoảng cách cọc từ 2D đến 8D ........72 Hình 3.12: Tỷ diện tích cọc thay thế .........................................................................73 Hình 3.13: Hiệu ứng vòm hình thành trên đầu cọc. ..................................................74 Hình 3.14: Nền đất trước và sau khi biến dạng. ........................................................74 Hình 3.15: Mô hình thực nghiệm được thực hiện trên máy gia tốc ly tâm với chiều cao nền đắp là 8m, chiều dày nền đất yếu dày 15m, chiều sâu cọc xử lý 15m, khoảng cách cọc là 6D và độ phủ mũ cọc là 2.5%.... .....................75 Hình 3.16: Biểu đồ ứng suất nền đất trên đầu cọc khi khoảng cách cọc là 6D, độ phủ mũ cọc thay đổi ........................................................................................76
7 Hình 3.17: Biểu đồ ứng suất nền đất giữa hai cọc khi khoảng cách cọc là 6D, độ phủ mũ cọc thay đổi ........................................................................................77 Hình 3.18: Biểu đồ ứng suất tại đầu cọc và đất nền khi khoảng cách giữa các cọc là 6D .............................................................................................................78 Hình 3.19: Biểu đồ lún nền đất trong các trường hợp sau khi thi công ....................79 Hình 3.20: Biểu đồ lún nền đất sau 15 năm khi khoảng cách cọc là 3m ..................79 Hình 3.21: Hiệu ứng vòm hình thành trên đầu cọc khi môdul lớp đệm tăng ...........81 Hình 3.22: Biểu đồ ứng suất nền đất trên đầu cọc khi khoảng cách cọc là 6D trường hợp Eđh lớp đệm là 400Mpa, độ phủ mũ cọc thay đổi ............................81 Hình 3.23: Biểu đồ ứng suất nền đất giữa hai cọc khi khoảng cách cọc là 6D trường hợp Eđh lớp đệm là 400MPa ...................................................................82 Hình 3.24: Biểu đồ ứng suất trên đầu cọc khi môdul đàn hồi lớp đệm biến đổi ......83 Hình 3.25: Biểu đồ lún nền đất khi thay đổi môdul đàn hồi lớp đệm và độ phủ mũ cọc sau thời gian 15 năm. ........................................................................84
8 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, cùng với việc phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu xây dựng các công trình cầu đường ngày càng tăng, đặc biệt là các công trình đường cao tốc. Việt Nam với diện tích khoảng 327.480 km2 đất liền, trong đó địa hình đồng bằng chiếm khoảng hơn 20%, địa hình đồi chiếm khoảng 40% và núi khoảng hơn 40%. Phần lớn diện tích đồng bằng tập trung ở đồng bằng sông Hồng với diện tích 15.000 km2 với chiều dày lớp đất yếu từ vài mét đến hơn 100m, đồng bằng sông Cửu Long với diện tích 40.000 km2 với chiều dày lớp đất yếu từ 5 đến 30m, cá biệt có khu vực từ 15 đến 300m và vùng đồng bằng ven biển miền trung. Các vùng đồng bằng này chủ yếu là đất phù sa với địa chất yếu và phức tạp. Khu vực đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long được coi là hai khu vực kinh tế trọng điểm của nước ta đòi hỏi mạng lưới giao thông đồng bộ, thông suốt, đáp ứng được nhu cầu vận tải ngày càng cao, phát huy tối đa vị trí trung tâm kinh tế của vùng. Để đảm bảo kết nối khu vực kinh tế trọng điểm với khu vực lân cận có nhu cầu vận tải lớn, tốc độ cao cần có mạng lưới đường cao tốc hoàn chỉnh, hợp lý đáp ứng được yêu cầu phát triển lâu dài. Theo quy hoạch phát triển mạng lưới đường cao tốc đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 1734/QĐ-TTg ngày 01 tháng 12 năm 2008, tổng chiều dài các tuyến đường cao tốc là 5.753km trong đó khu vực đồng bằng sông Hồng là 556km và khu vực đồng bằng sông Cửu Long là 1468km. Việc thi công xây dựng các công trình đường cao tốc đi qua hai khu vực này cần có giải pháp xử lý nền đất yếu phù hợp đảm bảo tính bền vững của công trình. Có nhiều giải pháp xử lý nền đất yếu được sử dụng tại các công trình đường cao tốc đã và đang thi công tiêu biểu như:  Dự án đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng: điểm đầu nằm trên đường vành đai 3 của Hà Nội, điểm cuối là đập Đình Vũ của Hải Phòng. Đây là công trình đường cao tốc hiện đại nhất Việt Nam cho tới thời điểm hiện nay với chiều dài 105.5km, bề rộng mặt đường từ 32.5m đến 35m với 6 làn xe chạy theo tốc độ thiết
9 kế 120km/h. Tuyến đường sử dụng các giải pháp xử lý nền đất yếu tiên tiến trên thế giới như:  Giải pháp cọc cát đầm với ưu điểm thi công nhanh, tăng độ kháng cắt của đất yếu, chiều sâu xử lý đất yếu tương đối lớn có thể lên tới 30m, dễ dàng kiểm soát về chất lượng và khối lượng. Tại gói thầu số 2 [15] đoạn km 6+739 -:- km 6+860 sử dụng giải pháp này với thời gian thi công từ 8 đến 9 tháng.  Giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước: chiều sâu xử lý đất yếu khá lớn lên đến 40m, tuy nhiên thời gian thi công dài như tại gói thầu số 2 [15] đoạn km 9+600 đến km 9+700 và km 10+860 đến km 10+740 từ 12 đến 13 tháng, làm xáo động vùng đất yếu dưới nền đắp, kiểm soát chất lượng khó khăn.  Giải pháp giếng túi cát đường kính từ 7 đến 10cm: duy trì được đường thoát nước thẳng đứng dưới tác dụng của tải trọng, tăng nhanh độ cố kết so với giếng cát thông thường, tiết kiệm hơn so với giếng cát.  Giải pháp giếng cát: chiều sâu xử lý đất yếu khá lớn, tuy nhiên thời gian thi công dài như tại gói thầu số 2 [15] đoạn km 7+880 đến km 8+220 và km 8+880 đến km 9+040 từ 14 đến 15 tháng, làm xáo động vùng đất yếu dưới nền đắp, kiểm soát chất lượng khó khăn.  Dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây: điểm đầu là nút giao An Phú - quận 2, TP Hồ Chí Minh và điểm cuối là nút giao quốc lộ 1A tại Dầu Giây tỉnh Đồng Nai. Dự án có chiều dài là 55km, mặt đường giai đoạn 1 có 4 làn xe chạy theo tốc độ thiết kế 120km/h. Tuyến đường sử dụng nhiều giải pháp gia cố hiện đại như:  Giải pháp hút chân không: thay vì thời gian sử dụng cọc cát hay bấc thấm được đề xuất trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật phải chờ 18 tháng thì sử dụng giải pháp hút chân không thì chỉ mất 5 tháng để có thể đạt cố kết 90%, làm giảm giá thành thi công và đảm bảo chất lượng. Tuy nhiên, có nhược điểm là khó làm kín khí, bị giới hạn về độ sâu gia cố, giá thành cao do phải sử dụng các biện pháp tăng độ chân không vùng gia cố. Tại gói thầu số 3 [2] đoạn km 14+100 -:- km 23+900 có
10 sử dụng giải pháp hút chân không với thời gian thi công là 8 tháng, tiết kiệm 10 đến 12 tháng nếu sử dụng giải pháp bấc thấm tại đây.  Giải pháp cọc xi măng đất: Chiều sâu xử lý khoảng 20m đến 30m, thời gian thi công ngắn, giảm độ lún của nền đường, cường độ đất nền cao, thích hợp với các loại đất yếu khác nhau, dễ dàng kiểm soát được chất lượng. Tại gói thầu số 3 [2] đoạn km 14+100 -:- km 23+900 có sử dụng giải pháp cọc xi măng đất với tổng độ lún sau 20 năm là 21cm. Nhược điểm của giải pháp này là khi hàm lượng hữu cơ trong đất yếu cao ảnh hưởng đến cường độ của cọc. Ta có thể thấy việc sử dụng giải pháp xử lý nền đất yếu ở hai dự án đường cao tốc là khác nhau. Với dự án đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng sử dụng giải pháp thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước cần thời gian để nền đất cố kết. Giải pháp này tuy giá thành thấp nhưng thời gian thi công kéo dài, kiểm soát chất lượng thi công khó khăn. Dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây đã sử dụng giải pháp thi công với công nghệ cao giá thành đắt tuy nhiên rút ngắn được thời gian thi công từ 10 đến 12 tháng, sớm đưa công trình vào khai thác, đặc biệt đối với các công trình sử dụng nguồn vốn vay. Việc xây dựng các công trình giao thông trên địa chất yếu, phức tạp luôn tồn tại những nguy cơ gây sụt trượt, lún, biến dạng công trình ảnh hưởng lớn đến khai thác sử dụng công trình. Vấn đề nền đường bị biến dạng trên nền đất yếu hiện nay rất được quan tâm giải quyết để đảm bảo khai thác bình thường và lâu dài của tuyến đường. Ở Việt Nam và các nước trên thế giới, để giải quyết bài toán thiết kế nền đường đắp trên nền đất yếu thường tiến hành theo hai nhóm giải pháp chính sau:  Nhóm 1: nhóm giải pháp cải thiện sức chịu tải của nền đất như:  Đào thay đất.  Đầm chặt bằng quả rơi tự do.  Bệ phản áp  Thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước (phương pháp cọc cát, giếng cát, bấc thấm).  Phương pháp thoát nước bằng áp lực như hút chân không.
11  Nhóm 2: nhóm giải pháp gia cường nền đất yếu như:  Sử dụng cọc tre, cọc cừ tràm.  Cọc cát đầm.  Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật  Cọc đá balát.  Cọc xi măng đất.  Cọc ống bê tông xi măng đúc sẵn, đổ tại chỗ.  Cọc bê tông xi măng cốt thép. Đối với đất có tính nén lún cao, để tăng nhanh tốc độ cố kết và giảm thiểu lún dư của nền đắp khi khai thác thì việc sử dụng các biện pháp thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải đem lại hiệu quả nhất định nhưng thời gian thi công bị kéo dài, gây tổn thất về thời gian đưa công trình vào khai thác, đặc biệt là những công trình đường cao tốc có chi phí đầu tư xây dựng lớn, và phần lớn vốn đầu tư là vốn vay nước ngoài cần sử dụng các biện pháp để rút ngắn thời gian thi công sớm đưa công trình vào khai thác. Chính vì vậy, hiện nay hình thành xu thế xử lý nền đất yếu bằng giải pháp phối hợp các biện pháp để hình thành hệ nền liên hợp làm việc tốt hơn và rút ngắn thời gian thi công. Điều này tạo nên một xu thế nghiên cứu mới trong việc kết hợp các biện pháp xử lý nền đất yếu. Trên thế giới đã có những tiêu chuẩn về việc thiết kế xử lý nền đất yếu bằng hệ cọc như BS8006:1995 của Anh; EBGEO 2004 của Đức; chỉ dẫn thiết kế của quân đội Mỹ năm 1991; tiêu chuẩn JGJ/T 213 - 2010 của Trung Quốc về thiết kế và thi công cọc PCC. Một số quốc gia đã sử dụng các biện pháp này để xây dựng các công trình như tại Hà Lan đã xây dựng tuyến đường sắt năm 2008, đường cao tốc và đường địa phương năm 2009; tuyến đường sắt Hamburg - Berlin năm 2003; tuyến đường sắt cao tốc giữa Bắc Kinh và Thiên Tân năm 2008 sử dụng cọc bê tông đúc sẵn đường kính 45cm có chiều dài tới 35m. Ở Việt Nam trong vòng 10 năm trở lại đây, việc sử dụng các công nghệ xử lý nền đất yếu ngày càng phát triển với những phương pháp khác nhau, tuy nhiên bước đầu cũng chỉ áp dụng làm cọc chống dưới sàn giảm tải tại các vị trí chuyển tiếp giữa đầu cầu và đường.
12 Một trong những giải pháp xử lý nền đất yếu là giải pháp gia cường bằng cọc bê tông xi măng đã đạt được hiệu quả nhất định ở các nước trên thế giới. Giải pháp này có thể xử lý nền đất yếu với độ sâu lớn từ 25 đến 50 m. Giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ, cọc ống bê tông xi măng, cọc bê tông cốt thép đúc sẵn theo phương pháp rung hoặc tạo lỗ đã hình thành nền đường ô tô làm việc theo nguyên tắc liên hợp (gọi tắt là nền liên hợp), trong đó cọc và nền đất giữa các cọc cùng tham gia chịu lực, khác với mô hình cọc truyền thống chỉ cọc tham gia chịu lực. Nền liên hợp có sức chịu tải cao, thỏa mãn yêu cầu nền đường đắp đầu cầu và trên nền đất yếu, rút ngắn thời gian thi công do không cần thời gian cố kết, tăng nhanh độ ổn định của đất nền. Huy động được sức chịu tải của đất yếu vào tham gia làm việc đồng thời với cọc, tùy theo sức chịu tải của đất yếu mà khoảng cách cọc có thể thay đổi để giảm giá thành. Với những ưu điểm này giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông xi măng bước đầu được nghiên cứu đưa vào xử lý nền đất yếu trong điều kiện địa chất Việt Nam, tuy nhiên mới chỉ là các giải pháp cọc trên hệ sàn, nghiên cứu hệ cọc độc lập chưa được ứng dụng vào công trình cụ thể nào. Theo các tài liệu tham khảo mà tác giả được biết thì chưa có nghiên cứu sâu để áp dụng giải pháp này ở Việt Nam. Với những ưu điểm về công nghệ thi công đơn giản, kiểm soát chất lượng trong khi thi công và sau khi thi công dễ dàng, rút ngắn thời gian thi công, sớm đưa công trình vào khai thác thì việc đưa vào bổ sung các giải pháp thiết kế xử lý nền đất yếu là cấp bách và thiết yếu. Trên cơ sở các phân tích ở trên, việc nghiên cứu chuyên sâu về phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông xi măng chưa có công trình thực tế cụ thể, kết quả thực nghiệm hay lý thuyết ở Việt Nam. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc Bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phương pháp phần tử hữu hạn” để làm đề tài nghiên cứu luận văn cuối khóa. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu khái niệm nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng, các lý thuyết tính toán của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng.
13 Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn khảo sát sự biến thiên khoảng cách, độ phủ mũ cọc và cường độ lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. Đề xuất ứng dụng của giải pháp này trên cơ sở kết quả khảo sát bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong thiết kế xử lý nền đất yếu ở điều kiện Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu  Nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng.  Nghiên cứu phần mềm phần tử hữu hạn. 4. Phương pháp nghiên cứu  Thu thập số liệu, tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu khái niệm, lý thuyết nền đường liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng.  Nghiên cứu sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn để giải các bài toán liên quan.  Vận dụng phần mềm phần tử hữu hạn khảo sát bài toán đặt ra. 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài Nêu được lý thuyết bản chất, phương pháp tính toán nền đường liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng, từ đó khảo sát sự biến thiên khoảng cách của cọc bê tông xi măng, độ phủ mũ cọc và cường độ lớp đệm đầu cọc. Ứng dụng giải pháp này trong thiết kế xử lý nền đất yếu trong điều kiện Việt Nam. 6. Bố cục đề tài Nội dung của đề tài được thể hiện trong 4 chương: Chương 1: Tổng quan về nền liên hợp 1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng 1.2 Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng 1.3 Ảnh hưởng của lớp đệm trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng 1.4 Kết luận chương 1. Chương 2: Phương pháp luận và các phương pháp tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. 2.1 Nguyên lý hình thành nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng.
14 2.2 Các phương pháp lý thuyết tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. 2.3 Tính toán độ lún nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. 2.4 Kết luận chương 2. Chương 3: Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phần tử hữu hạn. 3.1 Giới thiệu phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus. 3.2 Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus để khảo sát bài toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. 3.3 Kết luận chương 3. Chương 4: Kết luận và kiến nghị 4.1 Kết luận. 4.2 Kiến nghị. 4.3 Hạn chế của đề tài. 4.4 Hướng phát triển của luận văn.
15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN LIÊN HỢP Để đảm bảo ổn định, bằng phẳng, vận hành với vận tốc cao trong thiết kế đường cao tốc cũng như đường cấp cao khác cần phải khống chế bến dạng và tính ổn định của nền đường, nền đường có khả năng xuất hiện các nguyên nhân gây hư hỏng khác là một trong những nhân tố khống chế quan trọng đầu tiên trong việc kiểm soát chất lượng đảm bảo tiến độ của đường, chất lượng của đường cao tốc. Tuy nhiên nền đường tự nhiên khó có khả năng tiếp nhận được toàn bộ tải trọng và đảm bảo sức chịu tải hoặc các yêu cầu về độ lún, từ đó cần phải thiết kế xử lý đảm bảo ổn định của nền đường. Các giải pháp đang áp dụng như thoát nước cố kết, thay đất, cọc xi măng đất, cọc bê tông xi măng đúc sẵn hay cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ (hệ cọc cứng) tạo thành nền liên hợp. Nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng trong một số năm gần đây được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới để xử lý nền đất yếu. Giải pháp nền liên hợp với những ưu điểm thời gian thi công nhanh sau khi xử lý nền có thể tiến hành đắp trực tiếp đến cao độ thiết kế, dễ dàng quản lý chất lượng, rất thích hợp cho xử lý nền các công trình đường cao tốc. Giải pháp này đã được Ấn Độ, Trung Quốc ứng dụng nhiều vào xử lý nền đường ô tô cao tốc, đường sắt cao tốc, tuy nhiên giá thành còn cao, cần nghiên cứu thiết kế để hạ giá thành. Ở Việt Nam để giải pháp này trở thành giải pháp chính thức cần có nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm tạo thành luận chứng đầy đủ để áp dụng giải pháp này rộng rãi trong các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô cấp cao. Tác giả đã tìm hiểu các lý thuyết tính toán nền liên hợp và trong chương mục này, tác giả luận văn trình bày các nội dung cơ bản sau:  Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng.  Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng.  Ảnh hưởng của lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. 1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng. 1.1.1 Tổng quan về nền liên hợp a. Sự hình thành và phát triển của biện pháp xử lý nền đất yếu
16 Việc xây dựng đường trên nền đất yếu, địa chất phức tạp luôn là một vấn đề rất được quan tâm không chỉ riêng ở Việt Nam mà còn cả các nước trên thế giới. Từ trước tới nay đã có rất nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu được sử dụng để đảm bảo nền đường làm việc ổn định thỏa mãn yêu cầu khai thác của nền đường, tiêu biểu như:  Nhóm 1: nhóm giải pháp cải thiện sức chịu tải của nền đất như:  Đào thay đất: Sử dụng ở lớp mặt nền đất yếu có chiều dày nhỏ hơn 3m thường kết hợp với thoát nước theo chiều thẳng đứng. B 2% 2% htb=2m 1:1 .5 1:1 .5 h=2.0-3.0m .5 1:1 1:1 .5 §µo thay ®Êt h=2-3m §¾p tr¶ b»ng c¸t h¹t nhá 1 líp v¶i §KT lo¹i dÖt c-êng ®é 50 kN/m Hình 1.1: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng đệm cát  Đầm chặt bằng quả rơi tự do: áp dụng cho nền đất yếu có độ ẩm nhỏ, tận dụng được nền đất thiên nhiên, giảm khối lượng đào đắp.  Bệ phản áp: dùng để tăng độ ổn định và chống trượt trồi công trình. Không cần khống chế tiến trình đắp. Hình 1.2: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng bệ phản áp
17  Thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước (phương pháp cọc cát, giếng cát, bấc thấm): sử dụng xử lý lớp bùn đất, bùn sét, độ sâu xử lý có thể lên tới 40m. Tuy nhiên thời gian thi công kéo dài do biện pháp này cần thời gian để đất cố kết lún. Biện pháp này thường kết hợp với gia tải trước. Hình 1.3: Nền đường sử dụng phương tiện thoát nước thẳng đứng  Phương pháp thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải bằng hút chân không: sử dụng với bùn đất, nền móng thuộc lớp bùn dính. Có thể kết hợp với giếng cát hoặc bấc thấm. Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ hút chân không
18  Nhóm 2: nhóm giải pháp gia cường nền đất yếu như:  Sử dụng cọc tre, cọc cừ tràm: xử lý nền đất yếu có chiều sâu nhỏ, nền đất ở trạng thái ẩm ướt. Làm tăng sức chịu tải và giảm độ lún của nền đất.  Cọc cát đầm: chiều sâu xử lý tương đối lớn, tăng cường độ ổn định nền đắp, rút ngắn thời gian thi công.  Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật: làm tăng độ bền, tính ổn định do ma sát giữa lớp đất đắp và vải địa kỹ thuật, tạo ra lực giữ khối đất đắp cho các tuyến đường đi qua những khu vực có nền đất yếu như sét mềm, bùn, than bùn. Thường được kết hợp với các phương pháp xử lý khác để đạt được yêu cầu cao hơn. Hình 1.5: Bố trí vải địa kỹ thuật để tăng cường chống trượt cho thân nền đường  Cọc đá balát: làm tăng độ bền, sức chống cắt cho đất yếu, giảm độ lún công trình, sử dụng khi nền đất yếu mỏng, không quá 15m.  Cọc xi măng đất, cọc vôi: thay thế một phần đất yếu, tạo ra lực ma sát giữa cọc và đất từ đó cọc và đất cùng làm việc. Tăng tính kháng cắt, giảm độ lún nền móng công trình. Thích hợp với các loại đất yếu, rút ngắn thời gian thi công so với biện pháp thoát nước thẳng đứng.  Cọc ống bê tông xi măng đúc sẵn, cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ: chịu phần lớn tải trọng nền đắp, giảm độ lún nền đường. Thời gian thi công nhanh, kiểm soát chất lượng tốt, độ ổn định công trình cao, giảm chiều cao đắp. Do yêu cầu về tiến độ, độ ổn định trong quá trình khai thác nên các nước trên thế giới thường áp dụng giải pháp gia cường nền đất yếu bằng hệ thống cọc đặc biệt
19 là nhóm cọc có cường độ cao (cọc bê tông xi măng đúc sẵn, cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ) để thi công các công trình đường sắt, đường cao tốc. Giải pháp này lần đầu tiên được áp dụng rộng rãi tại Hà Lan với chiều dài nền đường gia cố là 14km vào năm 2007, đến năm 2009 đã có ít nhất 20 công trình đường cao tốc và đường sắt sử dụng giải pháp này. Tại Đức sử dụng trong tuyến đường sắt HamBurg - Berlin dài 13km năm 2003. Tuyến đường sắt cao tốc Bắc Kinh - Thiên Tân dài 115km sử dụng cọc bê tông đúc sẵn đường kính 45cm có chiều dài lên tới 35m. Tại Việt Nam sử dụng cọc xi măng đất tại dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây, dự án đại lộ Đông Tây. Hình 1.6: Tuyến đường sắt HamBurg - Berlin sử dụng cọc bê tông xi măng Hình 1.7: Quá trình thi công tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân