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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định và đề xuất giải pháp xử lý nền bằng cọc cát biển - xi măng" là làm sáng tỏ đặc điểm và phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định; Đề xuất được phương pháp xử lý nền đất yếu mới bằng cọc cát biển - xi măng phù hợp với cấu trúc nền đất tuyến đường ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định.

Chủ đề:

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

Lưu

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------------------------ NGUYỄN THỊ DỊU NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG VEN BIỂN ĐOẠN TỪ HẢI PHÒNG ĐẾN NAM ĐỊNH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC CÁT BIỂN - XI MĂNG Ngành : KỸ THUẬT XÂY DỰNG CTGT Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số : 9580205 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hường dẫn khoa học: PGS.TS. Tạ Đức Thịnh Trường Đại học Mỏ - Địa chất PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi .........giờ.......ngày ..... tháng .... năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện trường Đại học Giao thông Vận tải
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tuyến đường giao thông ven biển đoạn Hải Phòng - Nam Định dài 64,1km, nằm trong dự án xây dựng đường giao thông ven biển Việt Nam được bắt đầu từ cảng Núi Đỏ (Quảng Ninh) đến Hà Tiên (Kiên Giang). Đường được thiết kế theo tiêu chuẩn cấp III đồng bằng, kết cấu mặt đường loại cấp cao A1, vận tốc 80km/h. Cấu trúc nền đất khu vực tuyến đường ven biển đoạn Hải Phòng - Nam Định khá phức tạp. Trầm tích Đệ Tứ có mặt nhiều lớp đất yếu sức chịu tải rất thấp, biến dạng lớn thành phần chủ yếu là sét, sét pha, cát pha trạng thái chảy, dẻo chảy, dẻo mềm-dẻo chảy thuộc hai hệ tầng Thái Bình và Hải Hưng. Vì vậy, việc phải xử lý nền đất yếu khi xây dựng tuyến đường này nhằm đảm bảo yêu cầu về độ lún và ổn định theo qui định hiện hành là cần phải tiến hành. Hiện nay, ở Việt Nam có nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu đã và đang được áp dụng, gồm các phương pháp xử lý nông hay xử lý dưới sâu; xử lý bằng cơ học hoặc hóa học; xử lý bằng thoát nước cố kết hoặc kết hợp.... Mỗi phương pháp xử lý có ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng hiệu quả riêng. Hiệu quả xử lý nền đất yếu phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật, công nghệ, bản chất ứng xử của loại đất yếu và cấu trúc nền đất yếu. Tuyến đường ven biển đoạn Hải Phòng - Nam Định có cấu trúc nền gồm các lớp đất yếu chiều dày lớn, phân bố ngay trên mặt đất hoặc gần mặt đất, do đó các phương pháp xử lý sâu như: bấc thấm, hút chân không, cọc cát, giếng cát, cọc cát đầm chặt, cọc đất – xi măng sẽ là sự lựa chọn hợp lý. Tuy nhiên các phương pháp này cũng có những hạn chế riêng. Chẳng hạn, với phương pháp bấc thấm khi thi công thường xảy ra hiện tượng xáo trộn đất xung quanh bấc thấm (hiệu ứng xáo trộn), bị đứt bấc khi lún nhiều hoặc bị gián đoạn đường thoát nước do thi công kém chất lượng, giảm khả năng cố kết của nền nên nhiều trường hợp vẫn xảy ra lún sau khi đưa công trình vào sử dụng. Phương pháp cọc cát, giếng cát hay cọc cát đầm ngoài yêu cầu quan trọng về vật liệu cát sông đủ tiêu chuẩn còn dễ gây tiếng ồn lớn, ảnh hưởng đến môi trường và các công trình xung quanh, giá thành không rẻ. Hơn nữa, việc khai thác cát sông rất khó khăn, ngày càng khan hiếm, tác động xấu tới môi trường sinh thái. Với cọc đất - xi măng khả năng mang lại hiệu quả tốt về giảm lún và gia tăng ổn định tốt với nền đường đắp trên đất yếu, nhưng giá thành cao và yêu cầu khá cao về kỹ thuật cũng như thiết bị thi công cũng là những hạn chế khi áp dụng. Còn phương pháp hút chân không ít phù hợp khi xử lý nền đất yếu cho các công trình dạng tuyến kéo dài với cắt ngang hẹp như đường giao thông ven biển này. Xuất phát từ những yếu tố trên, luận án đã thực hiện nghiên cứu và phát triển phương pháp cọc cát biển - xi măng với đầy đủ cơ sở lý thuyết, thực nghiệm mô hình vật lý cơ bản trong phòng, quy trình thiết kế và thi công đề xuất, và đặc biệt sử dụng nguồn cát biển gần công trình làm vật liệu cọc góp phần hạn chế tác động biến đổi môi trường do khai thác cát sông. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Làm sáng tỏ đặc điểm và phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường giao thông ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định. - Đề xuất được phương pháp xử lý nền đất yếu mới bằng cọc cát biển - xi măng phù hợp với cấu trúc nền đất tuyến đường ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định.
2 - Bước đầu đánh giá được hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng theo cấu trúc nền đặc trưng tuyến đường ven biển đoạn từ Hải Phòng đến Nam Định. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài - Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm cấu trúc nền đất yếu và phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng. - Phạm vi nghiên cứu tập trung chủ yếu nền địa chất dọc tuyến đường giao thông ven biển từ Hải Phòng đến Nam Định, chiều sâu nghiên cứu đến hết chiều dày đất yếu, khoảng 30-40m kể từ mặt đất, và với nguồn cát ven biển trong phạm vi đoạn tuyến này. 4. Nội dung nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan về đất yếu, cấu trúc nền đất yếu và phương pháp xử lý nền đất yếu trên thế giới và ở Việt Nam. - Nghiên cứu đặc điểm và phân chia cấu trúc nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển đoạn Hải Phòng - Nam Định. - Nghiên cứu đề xuất phương pháp mới xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng. - Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý thu nhỏ trong phòng, phân tích mô hình số đánh giá hiệu quả bước đầu phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng, áp dụng cho tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu của đề tài Cách tiếp cận nghiên cứu - Cách tiếp cận hệ thống: tuyến đường giao thông ven biển đoạn Hải Phòng - Nam Định đã và đang được triển khai đầu tư xây dựng; vùng ven biển Hải Phòng - Nam Định phân bố rộng rãi các loại đất yếu cần được xử lý khi xây dựng đường giao thông; phương pháp xử lý đất yếu phù hợp với điều kiện Việt Nam, sử dụng cát biển gần nguồn làm vật liệu xử lý. - Cách tiếp cận kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu đã công bố trên thế giới và ở Việt Nam. - Cách tiếp cận lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết liên quan để giải quyết các vấn đề đặt ra trong nội dung nghiên cứu của đề tài. - Cách tiếp cận thực nghiệm: Triển khai công tác thực nghiệm. - Cách tiếp cận hiện đại: Sử dụng các mô hình thực nghiệm, mô hình số để giải quyết các bài toán trong nội dung nghiên cứu của đề tài. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp và hệ thống hóa tài liệu: Thu thập, phân tích, hệ thống hóa các tài liệu đã có liên quan đến đất yếu và các phương pháp xử lý nền đất yếu . - Phương pháp chuyên gia: Tổ chức các buổi tọa đàm, hội thảo khoa học để xin ý kiến các chuyên gia, nhà khoa học về các vấn đề liên quan đến nội dung nghiên cứu. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết biến đổi tính chất địa chất công trình của đất đá, lý thuyết cơ học đất và các lý thuyết liên quan để phân chia cấu trúc nền đất yếu, xây dựng cơ sở lý thuyết phương pháp cọc cát biển - xi măng xử lý nền đất yếu. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành điều tra, khảo sát thực địa, lấy các loại mẫu đất; tiến hành thí nghiệm ở trong phòng.
3 - Phương pháp mô hình hóa: Xây dựng mô hình vật lý, phân tích mô hình số quá trình làm việc của cọc cát biển - xi măng. 6. Các đóng góp khoa học mới của luận án - Làm sáng tỏ đặc điểm cấu trúc nền và phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường ven biển đoạn Hải Phòng - Nam Định - Đề xuất được phương pháp xử lý nền đất yếu mới bằng cọc cát biển - xi măng, quy trình tính toán thiết kế và thi công cọc. - Xây dựng được mô hình nghiên cứu thực nghiệm, mô hình số mô phỏng sự làm việc của hệ nền - cọc cát biển - xi măng và bước đầu đánh giá được hiệu quả của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Bổ sung cơ sở lý thuyết và thực nghiệm quan trọng về phương pháp xử lý nền đất yếu mới cọc cát biển - xi măng. Kết quả nghiên cứu cơ sở khoa học quan trọng để các cơ quan quản lý, tư vấn, thiết kế, thi công có thêm lựa chọn phương pháp xử lý nền đất yếu phù hợp, phục vụ xây dựng đường giao thông ven biển đoạn Hải Phòng - Nam Định nói riêng, các công trình hạ tầng ven biển nói chung, góp phần giảm giá thành xây dựng và bảo vệ môi trường bền vững. 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. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu trên thế giới Cấu trúc nền đất yếu là khái niệm chỉ sự sắp xếp trong không gian của các lớp đất nền (bao gồm cả đất yếu) với các đặc trưng về nguồn gốc, tuổi, thành phần, trạng thái, tính chất cơ lý... của chúng. Liên quan nghiên cứu nền đất yếu gắn với cấu trúc nền, đáng chú ý có Kamon và Bergado (1991) [56] với quan điểm nền đất yếu khi có mặt đất loại sét yếu phân bố ở khu vực có mực nước ngầm cao. Omar và Jaafar (2000) [68] nghiên cứu đặc điểm nền đất yếu vùng ven biển tại thị trấn Cyberjaya (Malaysia), xác định được các lớp đất bùn sét hữu cơ có chiều dày trung bình 2,0m, thậm chí có khu vực dày tới 10,0m; ngay bên dưới lớp bùn sét hữu cơ thường là lớp sét chảy đến dẻo chảy. Skempton (1953) [71] đề xuất sử dụng chỉ số hoạt hóa AI (Activity Index), theo đó đất yếu có chỉ số AI > 1,25 thường đại diện cho đất có hàm lượng khoáng vật monmorilonit cao (đây chính là thành phần khoáng vật ảnh hưởng trực tiếp đến tính trương nở của đất); đất có chỉ số AI < 1,25 là những đất chứa hàm lượng khoáng vật kaolinit cao. Các nghiên cứu của C. Ma và nnk. (2010) [42], Zeng và nnk. (2011) [60], Yadu (2013) [61], Uddin (2018) [47] , Ye và nnk (2015) [62] cho thấy, nền đất ở các khu vực ven biển chủ yếu là các lớp sét trạng thái dẻo mềm đến dẻo chảy, thành phần khoáng vật chủ yếu là kaolinit, illit, monmorilonit và clorit; các lớp đất trong nền đất yếu thường có tính nhạy cảm cao với sự thay đổi độ ẩm, trong đó thể tích của các lớp đất này thường tăng khi độ ẩm trong đất tăng. 1.2. Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc nền đất yếu ở Việt Nam
4 Nguyễn Thanh (1984) [23] quan niệm "Cấu trúc nền công trình là tầng đất được sử dụng làm nền cho công trình xây dựng, được đặc trưng bằng những quy luật phân bố theo chiều sâu của các thành tạo đất đá có liên kết kết kiến trúc, nguồn gốc, tuổi, thành phần, cấu trúc, bề dày, trạng thái và tính chất địa chất công trình không giống nhau”. Lê Trọng Thắng (1998) [24] cho ràng "Cấu trúc nền là phần tương tác giữa công trình và môi trường địa chất, được xác định bởi qui luật phân bố trong không gian, khả năng biến đổi theo thời gian của các thành tạo đất đá có tính chất địa chất công trình xác định, diễn ra trong vùng ảnh hưởng của công trình. Cấu trúc nền ở giới hạn không gian có phân bố các loại đất yếu, có thể gọi là “cấu trúc nền đất yếu”. Phạm Văn Tỵ (1999) [29] quan niệm, “cấu trúc nền được hiểu là quan hệ sắp xếp không gian của các thể địa chất (lớp đất) cấu tạo nền đất, số lượng, đặc điểm hình dạng, kích thước, thành phần, trạng thái và tính chất của các yếu tố cấu thành này”. Tạ Đức Thịnh (1990) [25] đã nghiên cứu quy luật biến đổi không gian một số chỉ tiêu cơ lý của đất yếu hệ tầng Hải Hưng trong cấu trúc nền đất yếu ở đồng bằng Bắc Bộ bằng mô hình toán học. Nguyễn Huy Phương (2004) [16] đưa ra khái niệm“Cấu trúc nền là mối quan hệ không gian của các lớp đất đá, đặc điểm thành phần, kiến trúc, cấu tạo của chúng, cũng như đặc tính địa chất công trình của các lớp đất đá nằm trong vùng nén ép của công trình". Năm 2016, Nguyễn Văn Phóng và nnk [17] đã phân chia cấu trúc nền đất yếu vùng ven biển Bắc Bộ thành 4 kiểu (I, II, III, IV), 4 dạng (a, b, c, d). 1.3. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý nền đất yếu trên thế giới 1.3.1. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý nông Phổ biến là nhóm phương pháp gia cố nền bằng chất kết dính (trộn xi măng, trộn vôi, trộn thạch cao, trộn xỉ lò cao) và nhóm gia cố nền bằng vải hay lưới hoặc túi/ bao địa kỹ thuật. Các nghiên cứu gia cố đất bằng trộn xi măng, trộn vôi tập trung chủ yếu vào việc tạo ra vật liệu gia cố, tối ưu hóa thành phần xi măng, thành phần vôi với các loại đất khác nhau (Nieminen, 1977, Vitanen, 1977); và ứng xử của hỗn hợp vôi-thạch cao với đất (Holinn và nnk, 1983); các nghiên cứu về gia cố đất bằng trộn xi măng, trộn vôi, trộn thạch cao (Kujala và Lahtinen, 1992); nghiên cứu đất bùn trộn với vôi và xi măng ở Malaysia (Bujiang B.K. Huat, Shukri Maail và Thamer Ahmed Mohamed, 2005) [39]; hay các nghiên cứu đất đất yếu trộn xi măng của Ho và Chan (2008) [64]. Nhóm phương pháp gia cố nền bằng vải, lưới hay túi địa kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để xử lý chống trượt hay ngăn cách cho khối đắp trên nền đất yếu tại nhiều nước như Mỹ, Anh, Pháp, Hà Lan, Nhật Bản, Trưng Quốc, Việt Nam... 1.3.2. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý sâu Năm 1948, Kjellman [74] bắt đầu sử dụng bấc thấm (PVD) để thoát nước và từ những năm 1970, bấc thấm thẳng đứng thường được dùng để thay thế giếng cát. Việc sử dụng hút chân không để thay thể đất đắp để gia tải khi xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm được Kjellman đề cập lần đầu năm 1952 (Griffin và Kelly, 2014) [48]. Cọc cát đầm chặt trong nền sét, sét pha làm việc theo nguyên lý nền hỗn hợp do Murayama (1958) [65] đề xuất, và với nền cát hay cát pha được nghiên cứu bởi Ezoe và nnk (2019) [37]. Năm 1995, công nghệ đầm không rung bằng thiết bị đầm tĩnh được ứng dụng xử lý nền (Harada & nnk., 2004) [58]. Công nghệ dùng tia phun cát được phát triển và đưa vào sử dụng thực tế tại Nhật Bản năm 2008 [63]. Deshpande và Vyas (1996) đã sử dụng vải địa kỹ thuật để bọc xung quanh cọc vật liệu rời
5 [45] để xử lý nền đất yếu sâu. Đến nay nhiều mô hình thực nghiệm, mô hình số phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của cọc đá dăm bọc vải địa kỹ thuật (Dutta và nnk., 2016) [72], đã chứng minh được khoảng cách tối ưu giữa các cọc đá dăm bọc vải địa kỹ thuật 0,25D. Gia cố nền đất yếu dưới sâu bằng cọc đất-xi măng, đất-vôi được triển khai phổ biến ở châu Âu từ những năm 1960 tại Thụy Điển và Phần Lan [75], [53]. Phương pháp cọc đất-xi măng được dùng phổ biến ở Nhật Bản từ năm 1970, sau đó là ở Thái Lan, Trung Quốc, Mỹ, Anh, Đức và các nước khác. Cọc đất-xi măng không chỉ được sử dụng rộng rãi trong gia cố nền đất yếu mà còn được dùng làm tường chắn hố đào sâu, ổn định bờ dốc và phòng chống hóa lỏng nền [50]. Nhiều yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc đất – măng, trong đó tỷ lệ nước/xi măng là yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến sự phát triển cường độ của cọc đất-xi măng (Horpibulsuk & nnk, 2012) [70]. 1.4. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý nền đất yếu ở Việt Nam Một số phương pháp xử lý nền đất yếu phổ biến ở nước ta gần đây như: xử lý nông bằng trộn xi măng, trộn vôi, gia tải trước; các phương pháp xử lý sâu như bấc thâm, giếng cát, cọc cát, cọc đất-xi măng, cọc đất-vôi, hút chân không. 1.4.1. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý nông Xử lý đất yếu trên bề mặt đất bằng trộn xi măng, trộn vôi dùng cho móng đường lần đầu được Bộ môn Đường, trường ĐH Bách khoa Hà Nội nghiên cứu vào năm 1967. Theo đó, với đất trộn xi măng, cường độ kháng nén của mẫu tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng xi măng, và khi còng hàm lượng xi mẫu bùn sét pha có cường độ lớn hơn so với mẫu bùn sét pha. Mẫu trộn vôi, cường độ mẫu 9% là tối ưu, ở 12% có cường độ nhỏ nhất. 1.4.2. Tổng quan nghiên cứu về các phương pháp xử lý sâu Gia cố nền nền đất yếu bằng các phương pháp xử lý sâu được tiến hành ở nước ta từ những năm 1980. Đến nay, các phương pháp được sử dụng rộng rãi như cọc đất-vôi, đất-xi măng, bấc thấm, cọc cát, cọc cát đầm, hút chân không [30], [36], [27], [28], [12], [13], [34],... Tạ Đức Thịnh (2002) [27] đã đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát-xi măng-vôi với các hàm lượng xi măng 5; 7,5; 10; 12,5 và 15% và hàm lượng vôi là 5, 7, 9 và 11% so với khối lượng cát khô. Năm 2002, viện KH Thủy lợi nghiên cứu triển khai công nghệ Jet-grouting để sửa chữa, chống thấm cho các công trình thủy lợi, thủy điện tại nước ta [9], đến nay được áp dụng cho xử lý nền đất yếu hay gia cố móng cho nhiều loại công trình khác nhau. Các phương pháp cọc cát, cọc cát đầm, bấc thấm gia tải trước hay hút chân không cũng được ứng dụng rất phổ biến trong xây dựng đường giao thông. Các tuyến đường cao tốc như Hà Nội - Cầu Giẽ, Hà Nội - Lào Cai, Hà Nội - Hải Phòng, Quốc Lộ 1A, Cao tốc Hà Nội - Hải Phòng, Trung Lương - Mỹ Thuận ... đã ứng dụng chúng để xử lý sâu nền đất yếu. Hơn thế, nhiều tiêu chuẩn về xử lý nền đất yếu được ban hành như TCVN 9403:2012, TCVN 9842:2013, TCVN 11713:2017 …, làm căn cứ pháp lý quan trọng trong công tác xử lý nền đất yếu ở nước ta. 1.5. Kết luận chương 1 - Đất yếu là các loại đất có thành phần, trạng thái và tính chất đặc biệt; có các đặc trưng độ ẩm, hệ số rỗng và tính biến dạng lớn, sức kháng cắt nhỏ. Cấu trúc nền đất yếu là khái niệm chỉ sự sắp xếp trong không gian của các lớp đất nền (bao gồm cả đất yếu) với các
6 đặc trưng về nguồn gốc, tuổi, thành phần, trạng thái, tính chất cơ lý... của chúng. - Có nhiều phương pháp xử lý nền đất yếu, mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng hiệu quả riêng. Lựa chọn phương pháp xử lý nền đất yếu phù hợp phụ thuộc nhiều yếu tố, đáng chú ý vào loại công trình xây dựng, tính chất đất yếu và đặc biệt là đặc điểm cấu trúc nền đất yếu. - Việc sử dụng các phương pháp xử lý sâu nền đất yếu như bấc thấm, hút chân không, cọc cát, giếng cát, cọc cát đầm chặt, cọc đất-xi măng để xây dựng đường giao thông ven biển đoạn Hải Phòng - Nam Định cần chú ý tới tính kinh tế, khả năng cung cấp nguồn vật liệu địa phương, đặc điểm tự nhiên và môi trường tự nhiên cần bảo vệ. CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC NỀN ĐẤT YẾU TUYẾN ĐƯỜNG GIAO THÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG – NAM ĐỊNH 2.1. Đặc điểm đất yếu vùng ven biển Hải Phòng – Nam Định 2.1.1. Tuổi và nguồn gốc Đất yếu vùng ven biển Hải Phòng - Nam Định có tuổi Holocen, hệ tầng Thái Bình và Hải Hưng thuộc trầm tích Đệ Tứ. Nguồn gốc gồm trầm tích sông (a), biển (m), sông- biển (am), sông-đầm lầy (ab), sông-biển-đầm lầy (amb), biển-gió (mv) [11]. 2.1.2. Thành phần vật chất 2.1.2.1. Thành phần hạt: Theo TCVN 9355: 2012, đất yếu vùng nghiên cứu chủ yếu thuộc loại sét, sét pha và cát pha ở trạng thái chảy và dẻo chảy. 2.2.2.2. Thành phần hữu cơ: Đất yếu trong phạm vi nghiên cứu đều thuộc loại đất chứa ít hữu cơ và đất chứa hữu cơ, hàm lượng hữu cơ 2,17% - 4,30%, phổ biến 3% - 4%. 2.2.2.3. Thành phần muối: Đất trong khu vực ven biển Hải Phòng - Nam Định thuộc loại nhiễm muối ít, hàm lượng muối 0,24% - 1%, phổ biến 0,3% - 0,6%. 2.1.3. Tính năng xây dựng Theo [19], [28], [11] cho thấy, tính năng xây dựng các loại đất yếu vùng ven biển Hải Phòng – Nam Định rất thấp. Đất yếu sét, sét pha trạng thái chảy (hoặc bùn) có sức chịu tải rất bé (Ro ≤ 50kPa), tính biến dạng lớn (Eo≤ 3000kPa). Đất yếu sét, sét pha dẻo chảy có khả năng chịu tải thấp (50 ≤ Ro 5000kPa), nguồn gốc sông-biển (am) và biển (m). Với đất cát mịn - bụi hoặc cát pha dẻo có Ro ≥ 100kPa, Eo > 5000kPa không thuộc đất yếu, nhưng được xem là loại đất nhạy cảm với tải trọng động, ít thuận lợi cho xây dựng. 2.1.4. Tính chất cơ lý 2.1.4.1. Tính chất cơ học: Áp lực tiền cố kết của đất yếu nhỏ (47Pa  84Pa), hệ số thấm bé (k = (0,3  3,9).10-7cm/s), chỉ số nén lớn (0,2  0,4). Với đất yếu sét, sét pha có cuu = 8kPa  21,6kPa, uu ≈ 1o; đất yếu cát pha cuu = 2kPa, uu = 7o26’. Chỉ số SPT đất yếu N30 = 1  5 búa; cắt cánh hiện trường có u = 10Pa  31Pa; kết quả CPTu qt = 0,36MPa  1 MPa, fs = 0,005MPa  0,01MPa, u2 = 0,02MPa  0,8MPa. Hệ số cố kết theo phương ngang và phương đứng đất yếu khu vực nghiên cứu Ch/Cv = 1,04 7,76 (bùn sét); Ch/Cv = 2,636,35 (sét dẻo chảy); Ch/Cv = 1,7  6,1 (bùn sét pha, sét pha chảy) [11].
7 2.1.4.2. Tính chất vật lý: Theo [11], đất yếu nguồn gốc đầm lầy thường là bùn sét, bùn sét pha có độ sệt lớn (1,08 ÷ 2,66); độ ẩm khá cao (40%  60%); khối lượng thể tích thấp (1,63 g/cm31,74g/cm3). Đất yếu nguồn gốc sông, biển và sông-biển thường ở trạng thái dẻo chảy (IL = 0,79 ÷ 1); độ ẩm tương đối cao (32%  50%); khối lượng thể tích tương đối thấp (1,70 g/cm31,83 g/cm3). 2.2. Phân chia cấu trúc nền đất yếu tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định Cấu trúc nền đất yếu toàn bộ tuyến đường ven biển Hải Phòng - Nam Định được phân chia thành 2 kiểu (I, II) và 6 dạng (Ia, IIa, Ib, IIb, Ic và IIc) phân bố không liên tục, theo đó: Kiểu I, đất yếu phân bố ngay trên mặt đất, phía dưới là lớp cát chặt vừa-chặt, đôi khi là trạng thái rời rạc; Kiểu II, đất yếu phân bố ngay trên mặt đất, phía dưới là các lớp sét dẻo mềm, dẻo cứng hay nửa cứng. Dạng Ia và IIa có tổng chiều dày các lớp đất yếu < 5m; Dạng Ib và IIb có tổng chiều dày các lớp đất yếu từ 5m  15m; Dạng Ic và IIc có tổng chiều dày các lớp đất yếu > 15m. Cấu trúc nền theo các khoảng chiều dày đất yếu (h < 5m, h = 5m 15m, h > 15m) phù hợp với đặc điểm địa tầng tuyến đường, làm cơ sở lựa chọn phương pháp xử lý nền phù hợp. Đối với các dạng cấu trúc nền Ia, IIa (đất yếu h < 5m) kiến nghị phương pháp xử lý nông như trộn xi măng, trộn vôi, thay thế lớp đất yếu bằng đất tốt hoặc vải địa kĩ thuật; đối với cấu trúc nền dạng Ib, IIb (h= 5m 15m) và dạng Ic, IIc (h > 15m) kiến nghị phương pháp xử lý sâu. 2.3. Kết luận chương 2 Theo tuổi và nguồn gốc, các loại đất yếu vùng ven biển trong vùng và phạm vi nghiên cứu có tuổi Holocen, hệ tầng Thái Bình và Hải Hưng, thuộc trầm tích Đệ Tứ vùng đồng bằng Bắc Bộ (Q2tb, Q2 1-2hh), với chủ yếu là nguồn gốc biển (m) hay sông-biển (am). Cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường ven biển Hải Phòng-Nam Định được chia thành 2 Kiểu (I, II), 6 Dạng (Ia, IIa, Ib, IIb, Ic, IIc), theo đó, Kiểu I có đất yếu phân bố ngay trên mặt đất, phía dưới là các lớp đất loại cát có tính năng xây dựng tốt hơn; Kiểu II có đất yếu phân bố ngay trên mặt đất, phía dưới là các lớp đất loại sét có tính năng xây dựng tốt hơn. Dạng a có chiều dày đất yếu 15m. Việc phân chia được các kiểu cấu trúc nền đất yếu dọc tuyến đường ven biển Hải Phòng- Nam Định có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn các phương pháp xử lý nền, đảm bảo hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế. Lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp với đặc điểm đất yếu, cấu trúc nền đất yếu, với điều kiện tự nhiên khu vực tuyến đường đi qua.
8 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT BIỂN - XI MĂNG 3.1. Cơ sở đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng Các dạng cấu trúc nền Ib, Ic, IIb, IIc phạm vi nghiên cứu có đất yếu dày 5-15m và lớn hơn 15m được phân chia ở chương 2, việc lựa chọn các phương pháp xử lý sâu khi xây dựng là hợp lý. Với nguồn cát sông ngày càng cạn kiệt, việc khai thác chúng đã và đang gặp nhiều khó khăn, tác động xấu tới môi trường sinh thái. Phương pháp cọc cát biển - xi măng cho phép sử dụng nguồn vật liệu cát gần công trình, với đầy đủ cơ sở lý thuyết, cơ sở thực nghiệm và quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc, giúp giảm giá thành xây dựng, hạn chế sử dụng nguồn cát sông, sẽ là phù hợp để xử lý nền đất yếu tuyến đường giao thông ven biển Hải Phòng-Nam Định. 3.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng 3.2.1. Quá trình nén chặt cơ học Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng là dùng một thiết bị chuyên dụng đưa vật liệu hỗn hợp cát biển trộn xi măng khô vào nền dưới dạng cọc tiết diện tròn và không lấy đất trong nền ra. Vật liệu cát biển - xi măng sẽ chiếm chỗ của đất trong nền, nước và khí trong đất sẽ thoát ra ngoài, thể tích lỗ rỗng giảm đi, nền được nén chặt. Sự thay đổi thể tích khối đất trước và sau khi xử lý bằng cọc cát biển - xi măng là thay đổi thể tích lỗ rỗng trong khối đất. Biến thiên thể tích đất tỷ lệ bậc nhất với biến thiên hệ số rỗng: 𝑉𝑜 ∆𝑉 = ∆𝜀 (3.1) trong đó 0 là hệ số rỗng ban đầu của đất và sau khi gia cố có hệ (1+𝜀0 ) số rỗng là . Hiệu quả nén chặt đất phụ thuộc vào khối lượng vật liệu cát biển - xi măng đưa vào nền, độ rỗng của đất cũng như lượng nước và khí từ đất thoát ra ngoài. 3.2.2. Quá trình gia tăng cường độ của cọc cát biển - xi măng và nền đất yếu xung quanh cọc * Quá trình gia tăng cường độ của cọc cát biển-xi măng: Cường độ của cọc cát biển-xi măng được hình thành bởi quá trình biến đổi hóa lý phức tạp, với hai bước ninh kết và rắn chắc, tương ứng gồm ba giai đoạn xảy ra đồng thời và đan xen như: giai đoạn hòa tan, khi xi măng phản ứng hóa học với nước, chất mới (Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O) sinh ra hòa tan được trong nước tạo thành thể dịch bao quanh mặt hạt xi măng; giai đoạn hóa keo, khi các hợp chất Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O mới sinh ra không hòa tan được nữa mà tồn tại ở thể keo. Chất silicat bicanxit (2CaO.SiO2) vốn không hòa tan sẽ tách ra ở dạng phân tán nhỏ trong dung dịch tạo thành keo phân tán; giai đoạn kết tinh, khi các hợp chất Ca(OH)2, 3CaO.Al2O3.6H2O từ thể ngưng keo chuyển sang dạng kết tinh, các tinh thể nhỏ đan chéo nhau làm cho xi măng bắt đầu có cường độ, hợp chất 2CaO.SiO2mH2O tồn tại ở thể keo rất lâu, sau đó có một phần chuyển thành tinh thể. * Quá trình gia tăng sức kháng cắt của đất nền: Cọc cát biển-xi măng còn có tác dụng gia tăng sức kháng cắt của đất nền xung quanh cọc do quá trình trao đổi ion và phản ứng puzoland xảy ra ở mặt tiếp xúc giữa cọc và đất nền. 3.2.3. Quá trình cố kết thoát nước của đất nền khi xử lý bằng cọc cát biển – xi măng R.A.Barron (1948) đã đưa ra lời giải cho bài toán cố kết của trụ đất có chứa một cọc cát ở trung tâm, phương trình vi phân có dạng: U   2U 1 U  (3.2) = Ch  2 +  t  r r r  trong đó: U là áp lực nước lỗ rỗng dư trung bình tại một điểm vào thời điểm bất kỳ; r -
9 khoảng cách hướng tâm từ điểm đang xét đến tâm trụ đất; t - thời gian sau một độ tăng tức thời của tổng ứng suất thẳng đứng; Ch - hệ số cố kết của đất theo phương ngang. Độ cố kết kết toàn phần của nền đất xử lý bằng cọc cát, xác định bằng định đề Carrillo: t = 1- (1- h) (1- v) (3.3) trong đó: t - độ cố kết toàn phần của đất nền; h - độ cố kết trung bình của đất nền theo phương ngang; v - độ cố kết trung bình của đất nền theo phương đứng. Với cọc cát biển – xi măng, áp dụng bài toán cố kết thấm theo hướng xuyên tâm của R.E. Glover, R.A.Barro là phù hợp vì sau khi đông cứng, khả năng thấm nước theo chiều thẳng đứng của cọc là không đáng kể. 3.3. Cơ sở thực nghiệm phương pháp xử lí nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng 3.3.1. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tác dụng gia tăng cường độ của cọc cát biển - xi măng Thí nghiệm hỗn hợp cát biển - xi măng (CB-XM) được thiết kế với hàm lượng xi măng khác nhau, lần lượt là 5%, 7%, 10%, 13% và 15% so với khối lượng cát biển khô. Lượng nước được giữ nguyên ở tất cả các hỗn hợp, thành phần vật liệu cho 1 m3 (bảng 3.1). Bảng 3.1. Thành phần vật liệu các cấp phối cát biển – xi măng Hỗn hợp cát biển – xi măng Thành phần 5%XM 7%XM 10%XM 13%XM 15%XM Xi măng (kg) 74 102 142 181 206 Cát biển (kg) 1478 1456 1424 1393 1373 Nước (kg) 360 360 360 360 360 Tỷ lệ X/C 0,05 0,07 0,1 0,13 0,15 Tỷ lệ N/X 4,86 3,53 2,53 1,99 1,75 Thí nghiệm nén mẫu cát biển - xi măng hình lập phương 40x40x40mm theo TCVN 9403:2012, tương ứng 3, 7, 14, 28, 56 và 90 ngày tuổi (hình 3.1, bảng 3.2). Tốc độ phát triển cường độ mẫu CB-XM không đều, tăng nhanh trong 14 ngày đầu và chậm dần sau 14 ngày. Mô đun biến dạng E50 được xác định bằng hệ số góc đường thẳng tính từ gốc tọa độ đến qu/2. Quan hệ E50 ở 28 ngày tuổi với hàm lượng xi măng của mẫu CB-XM (hình 3.2). Hình 3.1. Phát triển cường độ của mẫu cát biển - xi măng theo thời gian
10 Hình 3.2. Quan hệ giữa E50 với hàm lượng xi măn và cường độ chịu nén qu Ở 28 ngày tuổi, cường độ kháng nén của mẫu tăng dần theo hàm lượng xi măng, từ 0,65MPa (5%XM) đến 2,45MPa (15%XM). Khi tính toán cọc với mục đích cải tạo nền, lựa chọn hàm lượng xi măng nhỏ hơn 5%, khi gia cố nền nên chọn từ 10% đến 15%. Bảng 3.2. Cường độ kháng nén của các mẫu cát biển - xi măng theo thời gian Cường độ kháng nén các mẫu hỗn hợp CB-XM (R, MPa) Ngày tuổi 5%XM 7%XM 10%XM 13%XM 15%XM 3 0,44 0,49 0,67 0,94 1,27 7 0,57 0,71 0,82 1,19 1,66 14 0,65 0,91 1,13 1,67 2,23 28 0,65 1,05 1,30 1,78 2,45 56 0,70 1,15 1,39 1,97 2,62 90 0,74 1,19 1,46 2,02 2,74 3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ cọc cát biển - xi măng . Khối hộp thép có mặt kính cường lực được chế tạo nghiên cứu mô hình vật lý trong phòng LxBxH=800x500x1000mm, mô hình hóa cấu trúc nền Ia (cát dưới đất yếu). Tham khảo các nghiên cứu đã tiến hành, phù hợp điều kiện thực hiện, tỷ lệ mô hình nghiên cứu cọc cát biển - xi măng lựa chọn 1:10. Nghiên cứu cho cọc đơn và nhóm 4 cọc khoảng cách tim với tim cọc 3D. Cọc thí nghiệm mô hình được tạo với tỷ lệ 1:10, đường kính 40mm, dài 400mm, hỗn hợp cát biển - xi măng trộn ướt hàm lượng XM/CB = 15%, N/X = 1,75 (Hình 3.3). Sau 24 giờ, phủ lớp cát phía trên dày 10cm bảo dưỡng cọc, và thí nghiệm được tiến hành ở tuổi 28 ngày. (a) (b) (c) (d) Hình 3.3. Tạo cọc cát biển-xi măng (a), (b) và thí nghiệm mô hình (c), (d)
11 Kết quả nghiên cứu (hình 3.5) cho thấy, quan 0 5 Tải trọng (kN) 10 15 hệ giữa độ lún và tải trọng có ba giai đoạn: giai 0 Cọc đơn (SP) đoạn tuyến tính (nén chặt); giai đoạn 2, độ lún -10 Nhóm cọc (PG) và tải trọng không còn tuyến tính, xuất hiện -20 Độ lún (mm) vùng biến dạng dẻo, hình thành các mặt trượt, -30 đất bắt đầu bị phá hoại; giai đoạn 3, chuyển vị tăng nhanh trước khi bị phá hoại. Trường hợp -40 nhóm cọc kéo dài hơn so với cọc đơn, sức chịu -50 tải cũng tăng khoảng 4 lần. -60 3.4. Nghiên cứu mô hình số mô phỏng cọc Hình 3.4. Quan hệ giữa độ lún và tải cát biển - xi măng xử lý nền đất yếu trọng cọc đơn (SP) và nhóm cọc (PG) 3.4.1. Xây dựng mô hình số Mô hình số được xây dựng bằng phần mềm FLAC3D, theo phương pháp sai phân hữu hạn. Mô hình số 3D dựng lại thí nghiệm mô hình vật lý đã được tiến hành ở trên gồm: lớp đất sét yếu 0,4m nằm trên lớp cát biển dày 0,2m, đất yếu được xử lý bằng cọc cát biển - xi măng dài 0,4m, bên trên là lớp cát truyền lực 0,1m, trên cùng là bản thép 1,5cm. Mô hình 4 cọc, được bố trí hình vuông Dc = 4cm, khoảng cách giữa các cọc s =12cm. Các phần tử khối đa diện được sử dụng và được liên kết với nhau tại các nút, tạo thành lưới (Hình 3.5). Nền đất, cọc, lớp đệm cát và bản móng đều sử dụng các phần tử khối, cho phép quan sát ứng suất và chuyển vị của nền đất và cọc. Khối đắp bên trên và lớp đất cát phía dưới được mô hình hóa bằng mô hình đàn hồi tuyến tính, dẻo tuyệt đối kết hợp với tiêu chí phá hủy Mohr- Hình 3.5. Hình học và chia lưới mô Coulomb. phỏng nhóm cọc Đất yếu được mô phỏng bằng mô hình Camclay cải tiến, cọc cát biển – xi măng cứng, tấm thép được mô phỏng bằng mô hình đàn hồi tuyến tính. 0 5 10 15 Tải trọng (kN) 3.4.2. Kết quả mô hình hóa 0 3.4.2.1. Độ lún của khối đắp -10 Ứng xử của nền cọc-đất yếu dường như tuyến -20 Độ lún (mm) tính khi tải trọng tác dụng lên bản móng nhỏ Thực nghiệm hơn 6,5kN, sau đó ứng xử dẻo xuất hiện khi tải -30 Mô phỏng trọng lớn hơn 6,5kN và nhỏ hơn 12,4kN, khi tải -40 trọng lớn hơn 12,4kN xuất hiện ứng xử chảy -50 hoàn toàn, tại đó tải trọng hầu như không tăng nhưng biến dạng tiếp tục tăng lên. Kết quả mô -60 hình số 3D khá trùng khớp với kết quả thí Hình 3.6. Quan hệ giữa độ lún – tải nghiệm mô hình vật lý, làm cơ sở cho tính toán, trọng thực nghiệm và mô phỏng dự báo ứng xử nhóm cọc phục vụ thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển-xi măng trong thực tế.
12 3.4.2.2. Ứng suất trong lớp truyền lực - cọc - đất yếu Sự khác biệt đáng kể về độ cứng giữa cọc, đất yếu và vật liệu lớp truyền lực phía trên cọc cứng-đất yếu, ứng suất truyền xuống đầu cọc lớn hơn nhiều lần ứng suất truyền xuống nền đất yếu (hình 3.8), do đó làm giảm độ lún của nền đắp và nền đất yếu. Khi tải trọng trên tấm móng tăng, ứng suất tác dụng lên đầu cọc cũng tăng lên rõ rệt. Tương ứng cấp tải P=2,6 và 15kN, ứng suất tác dụng lên đầu cọc 3,5x105, 9 x105 và 18x105Pa. 3.5. Đề xuất phương pháp tính toán xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng 3.5.1. Cơ sở khoa học đề xuất phương pháp tính toán Xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển-xi măng được phát triển trên cơ sở các phương pháp cọc cát và cọc đất-xi măng. Cọc cát, về bản chất là phương pháp cải tạo nền, còn cọc đất- P=2kN P=6kN P=15kN xi măng là phương pháp gia cố nền đất yếu. Hình 3.7. Mô phỏng ứng suất truyền trong khối đắp-cọc-nền đất yếu Vì vậy, việc tính toán sức chịu tải và độ lún của nền đất yếu xử lý bằng cọc cát biển-xi măng có thể vận dụng phương pháp tính toán như đối với trường hợp cải tạo nền (cọc cát) và gia cố nền đất yếu (cọc đất-xi măng). 3.5.1.1. Tính toán theo trường hợp cải tạo nền (cọc cát) Ở đây chủ yếu là nén chặt cơ học và cố kết thoát nước của đất nền, cọc cát chiếm thể tích lỗ rỗng của đất nền và làm cho nước ở trong nền thoát ra ngoài, nền đất yếu được nén chặt. Phương pháp cọc cát biển - xi măng cũng có tác dụng nén chặt và thoát nước cố kết đất nền. Sau khi xử lý nền đất yếu bằng cọc cát hoặc cọc cát biển - xi măng, đất nền có thể xem là một nền đất mới, có thành phần, trạng thái, tính chất cơ lý mới. Việc tính toán sức chịu tải và độ lún của nền được xem như đối với nền tự nhiên. Sau khi cải tạo bằng cọc cát, nền đất không thay đổi nhiều về bản chất do cát đưa vào nền và đất nền sau xử lý có thể coi là môi trường tương đối đồng nhất, còn sau khi xử lý bằng cọc cát biển - xi măng, trong nền có cọc với cường độ cao hơn nhiều đất nền. Vì vậy, cần xác định hàm lượng xi măng thích hợp để sau khi xử lý, cọc cát biển – xi măng có cường độ không lớn hơn nhiều cường độ của đất nền để có thể coi nền đất yếu đã xử lý như một nền tương đối đồng nhất, giống như nền cọc cát. Nếu coi nền đất yếu được xử lý bằng cọc cát biển - xi măng như một nền tự nhiên mới thì việc tính toán sức chịu tải và độ lún của nền sẽ thực hiện theo lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính. 3.5.1.2. Tính toán theo trường hợp gia cố nền (cọc đất-xi măng) Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất-xi măng là dùng máy khoan và các thiết bị chuyên dụng nhằm đưa xi măng khô hoặc vữa xi măng xuống nền đất, nhờ các cánh mũi khoan nghiền tơi đất tại chỗ, trộn đều với xi măng tạo thành cọc đất - xi măng theo đường kính thiết kế. Cường độ cọc phụ thuộc vào hàm lượng xi măng đưa vào cọc và đặc điểm đất yếu. Khác với cọc đất xi măng, cọc cát biển-xi măng vừa đưa cát đã trộn với xi măng xuống nền đất, vừa có thể trộn cả với đất nền. Phương pháp này giống cọc đất-xi măng khi hàm lượng xi măng trong hỗn hợp cát biển - xi măng đủ lớn. Vì vậy, tính toán sức chịu tải và
13 độ lún của nền xử lý bằng cọc cát biển - xi măng tương tự như trường hợp gia cố nền đất yếu bằng cọc đất-xi măng. 3.5.2. Đề xuất phương pháp tính độ lún và sức chịu tải của nền đất yếu xử lý bằng cọc cát biển - xi măng 3.5.2.1. Tính độ lún và sức chịu tải trong trường hợp dùng cọc cát biển – xi măng để cải tạo nền Theo chỉ dẫn thiết kế của Thụy Điển, khi cường độ của cọc không lớn hơn 150kPa thì việc tính toán độ lún và sức chịu tải của hệ nền-cọc được quy đổi về nền đồng nhất (nền tương đương). Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi hàm lượng xi măng < 5%, hệ nền-cọc sau xử lý có thể được xem là nền đồng nhất bằng cách quy đổi các đặc trưng sức chống cắt, tính biến dạng của cọc và đất nền về giá trị trung bình theo tỷ diện tích thay thế (giá trị bình quân gia quyền). Khi đó, độ lún của nền cọc sau xử lý có thể tính theo các phương pháp lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tình mà phổ biến hơn cả là phương pháp “lớp tương đương” và phương pháp cộng lún từng lớp [26]. Sức chịu tải của nền sau xử lý có thể được tính theo các phương pháp dựa trên cơ sở lý luận nền biến dạng tuyến tính như : cotgφ+(φ+π) π.cotgφ Theo Puzưrevxkiy: P0 = γh 4 + (3.4) cotgφ+(φ−π) 2 cotgφ+(φ−π) 2 c πy(b.tgφ+h+γ.tgφ Theo Maxlov: Pgh = + γh (3.5) cotgφ+(φ−π) 2 π φ ( − ) c b.cotg 4 2 2 +h+γ.tgφ Theo Jaropolxkiy: Pgh = π + γh (3.6) cotgφ+(φ− 2 ) trong đó:  - góc ma sát trong trung bình của hệ nền-cọc; c - lực dính đơn vị trung bình của hệ nền-cọc;  - khối lượng thể tích trung bình của hệ nền-cọc; h - chiều sâu chôn móng; b - chiều rộng của móng. Các phương pháp tính độ lún và sức chịu tải nêu trên áp dụng cho tính toán nền tự nhiên. Khi tính toán thiết kế cọc cát biển-xi măng cần phân biệt hai trường hợp: thi công chậm và thi công nhanh. Thi công chậm là trường hợp sau khi hoàn thành xử lý nền, cần phải đợi một thời gian nhất định mới bắt đầu xây dựng công trình. Trong trường hợp này, khối lượng cát biển - xi măng đưa vào nền để xử lý đất yếu được xem như tải trọng ngoài tác dụng vào nền. Dưới tác dụng của tải trọng này, trong nền đất sẽ xuất hiện ứng suất phụ thêm z gây biến dạng nền (theo phương dọc và phương ngang), trị số được xác định: z =  + u (3.7), trong đó  - ứng suất hữu hiệu do hạt đất tiếp thu; u - ứng suất trung tính do nước tiếp thu. Theo thời gian, ứng suất hữu hiệu tăng lên, ứng suất trung tính giảm đi, nhưng ở bất kỳ thời điểm nào trong nền đất vẫn tồn tại mối tương quan trên. Trong trường hợp thi công chậm, các quá trình nén chặt cơ học, cố kết và phản ứng hóa lý giữa xi măng với môi trường đã kết thúc, toàn bộ tải trọng ngoài (khối lượng cát biển - xi măng) do hạt đất tiếp thu (z = ), ứng suất trung tính bị triệt tiêu (u = 0), các biến dạng nền đạt trị số ổn
14 định, nền được nén chặt hoàn toàn, trở thành nền mới giống như nền tự nhiên. Các phương pháp tính độ lún và sức chịu tải của nền sau xử lý theo lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính là phù hợp. Thi công nhanh là ngay sau khi hoàn thiện xử lý nền đất yếu, tiến hành xây dựng công trình ngay. Lúc này, các quá trình nén chặt cơ học, cố kết của đất nền và các phản ứng hóa lý của xi măng với đất yếu đều chưa kết thúc. Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền dùng để tính độ lún và sức chịu tải của nền vẫn đang trong quá trình biến đổi, chưa đạt tới giá trị ổn định (hằng số) nên hiển nhiên kết quả tính toán chưa chỉnh xác. Độ lún của nền tính được sẽ lớn hơn thực tế và sức chịu tải của nền tính được sẽ nhỏ hơn thực tế. Vì vậy, trong trường hợp thi công nhanh, không thể xem nền đã xử lý như một nền tự nhiên. Tuy nhiên, nếu thiên về an toàn, vẫn có thể sử dụng kết quả tính toán độ lún và sức chịu tải của nền như đối với nền tự nhiên để phục vụ thiết kế nền móng công trình. 3.5.2.2. Tính độ lún và sức chịu tải trong trường hợp dùng cọc cát biển – xi măng để gia cố nền Khi hàm lượng xi măng trong hỗn hợp cát biển - xi măng >10% thì về bản chất, phương pháp cọc cát biển - xi măng giống cọc đất-xi măng. Trường hợp này có thể tính toán độ lún và sức chịu tải của nền xử lý theo các phương pháp tính cho cọc đất-xi măng. Một số tác giả coi nền cọc gia cố như một móng khối quy ước không biến dạng và chỉ tính độ lún của nền đất dưới đáy móng khối quy ước. Một số khác tính theo phương pháp cùng biến dạng với giả thiết xem cọc và đất xung quanh cọc là một khối quy ước và biến dạng dọc trục của cọc gia cố tương ứng với độ lún của đất xung quanh cọc. Chừng nào ứng suất dọc trục còn nhỏ hơn độ bền giới hạn rão của cọc thì ứng suất dọc trục của cọc phụ thuộc vào môđun nén của vật liệu cọc và của đất xung quanh cọc và P σ được tính theo công thức: σc = c = Md (3.8) Ac ac + (1−ac ) Mc trong đó, c - ứng suất dọc trục của cọc; Pc - tổng tải trọng tác dụng lên cọc gia cố; Ac - diện tích tiết diện cọc gia cố;  - ứng suất trung bình dưới đáy móng; ac - tỷ diện tích thay thế; Md - môđun nén của đất xung quanh cọc, thường lấy bằng 150c u với cu - sức kháng cắt của đất xung quanh cọc, được xác định bằng thí nghiệm cắt cánh hoặc xuyên tĩnh; Mc - môđun nén của cọc, lấy bằng (50-100)Ccọc với C cọc - lực dính đơn vị của vật liệu cọc. Độ lún của nền được xác định bằng tổng độ lún của khối đất gia cố chiều sâu H và độ lún của nền dưới khối gia cố. Độ lún của khối đất gia cố xác định theo biểu thức: 𝜎 𝜎𝐻 S= 𝐻= (3.9) 𝑀 𝑎 𝑐 𝑀 𝑐 +(1−𝑎 𝑐 )𝑀 𝑑 Độ lún của nền dưới khối gia cố được xác định theo các phương pháp thông thường nhưng có kể đến hệ số giảm thiểu độ lún là tỷ số giữa độ lún của khối đất đã gia cố và độ lún của đất khi chưa gia cố. Với việc dự báo sức chịu tải, cọc cát biển - xi măng dùng để gia cố nền, về bản chất giống cọc đất-xi măng. Vì vậy, có thể sử dụng các phương pháp tính sức chịu tải của cọc đất-xi măng do Broms (Thụy Điển), Bergado và nhiều người khác (AIT) đề xuất, TCVN9403:2012 để tính sức chịu tải của cọc cát biển - xi măng. 3.6. Xây dựng quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc cát biển - xi măng
15 Để có thể ứng dụng phương pháp cọc cát biển - xi măng vào thực tiễn xử lý nền đất yếu, ngoài cơ sở lý thuyết, cơ sở thực nghiệm, cần phải xây dựng được quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu cọc, đảm bảo tin cậy và khả thi. 3.6.1. Xây dựng quy trình thiết kế cọc cát biển - xi măng 3.6.1.1. Thiết kế cọc cát biển - xi măng để cải tạo nền Thiết kế cọc cát biển - xi măng để cải tạo nền, nghĩa là đóng vai trò như cọc cát, vật liệu cát biển - xi măng chiếm thể tích lỗ rỗng trong đất làm tổng thể tích lỗ rỗng giảm đi, các hạt đất được sắp xếp lại, nền đất được nén chặt và sức chịu tải của nền tăng lên. Lúc này, cường độ của cọc không đáng kể, vai trò của xi măng trong hỗn hợp vật liệu cọc chỉ là chất kết dính các hạt cát biển để cọc không bị cắt, gãy và các hạt cát không di chuyển vào trong nền hoặc xuống phía dưới nền làm biến dạng cọc. Do đó, hàm lượng xi măng trong hỗn hợp vật liệu cọc cơ bản không cần quá nhiều. Quy trình thiết cọc cát biển - xi măng được tiến hành theo trình tự các bước sau: (1) Khảo sát địa kỹ thuật và phân chia cấu trúc nền khu vực xây dựng; (2) Xác định hàm lượng xi măng trong hỗn hợp vật liệu cọc (cường độ cọc mong muốn) và các thông số kỹ thuật cũng như yêu cầu kỹ thuật liện quan; (3) Xác định hệ số rỗng cũng như các tiêu chí cần tính toán yêu cầu của nền đất yếu sau cải tạo; (4) Xác định chiều dài cọc, đường kính cọc, số lượng cọc và khoảng cách giữa các cọc. 3.6.1.2. Thiết kế cọc cát biển - xi măng để gia cố nền Sử dụng cọc cát biển - xi măng để gia cố nền, nghĩa là dùng cường độ cao của bản thân cọc cát biển - xi măng, gia tăng hệ số tập trung ứng suất nhờ độ cứng của chúng để chống đỡ tải trọng công trình, trường hợp này sức chịu tải của cọc phải đủ lớn. Trình tự thiết cọc cát biển - xi măng để gia cố nền cơ bản gồm các bước như: (1) Khảo sát địa kỹ thuật và phân chia cấu trúc nền khu vực xây dựng; (2) Xác định hàm lượng xi măng trong hỗn hợp vật liệu cọc (cường độ cọc mong muốn) và các thông số kỹ thuật cũng như yêu cầu kỹ thuật liện quan; (3) Tính chiều dài cọc, đường kính cọc, tính sức chịu tải của cọc, số lượng cọc và khoảng cách giữa các cọc. 3.6.2. Xây dựng quy trình thi công cọc cát biển – xi măng Trên cơ sở các bản vẽ thiết kế, quy trình thi công cọc cát biển - xi măng được tiến hành theo trình tự các bước chính sau: (1) Lựa chọn thiết bị thi công; (2) Chuẩn bị mặt bằng thi công; (3) Thi công cọc thử; (4) Thi công đại trà; (5) Đánh giá chất lượng và hiệu quả xử lý nền đất yếu. 3.6.2.1. Lựa chọn thiết bị thi công Với công trình có tải trọng vừa và nhỏ, mặt bằng thi công hẹp, chiều dài cọc nhỏ hơn 10m-15m có thể sử dụng thiết bị UGB-50M (hình 3.9, 3.10). Đây là máy khoan đa năng, có công suất 150 mã lực, có thể khoan bằng guồng xoắn hai chiều quay xuôi, ngược với mô men xoắn rất lớn. Thiết bị này có cơ chế và trình tự thi công tương tự cọc cát-xi măng-vôi đã thử nghiệm thành công tại Quảng Ninh, Thái Bình [27].
16 Hình 3.3. Lưỡi khoan guồng Hình 3.4. Máy khoan guồng Hình 3.5. Cọc cát-xi măng- xoắn dùng để thi công cọc xoắn UGB-50M [27] vôi thi công bằng UGB- cát biển – xi măng [27] 50M [27] Khi chiều dài cọc lớn hơn 15m, mặt bằng thi công rộng rãi, không ảnh hưởng đến công trình xung quanh có thể sử dụng các thiết bị của Thụy Điển, Nhật Bản, Trung Quốc… theo nguyên lý của máy đóng cọc hoặc búa rung tạo chấn động đưa ống thép xuống nền rồi nhồi vật liệu cọc, sau đó rút ống thép lên. Các thiết bị có thể sử dụng như Hitachi PD 100, Cobelco 100P, Nippon Sharyo DH 408, DH 608, có trọng tải từ 40T đến 65T. 3.6.2.2. Chuẩn bị mặt bằng thi công Mặt bằng thi công được chuẩn bị theo quy định trong thiết kế và yêu cầu đối với môi trường, cũng như tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan hiện hành. Vật liệu cát biển, xi măng nhập vào công trường phải có chứng chỉ kiểm định đặc tính kỹ thuật đã được quy định trong thiết kế và tiêu chuẩn hiện hành. 3.6.2.3. Thi công cọc thử Số lượng cọc thử cần thi công theo quy định của cơ quan thiết kế và các tiêu chuẩn kỹ thuật về quản lý chất lượng hiện hành. Mục đích thi công cọc thử nhằm xác nhận các yêu cầu thiết kế và tạo lập các trị số kiểm soát tới hạn cho thiết bị, vật liệu, quy trình kỹ thuật cùng chủng loại khi thi công đại trà. Các vị trí của cọc trên mặt bằng phải được định vị bằng các thiết bị chuyên dụng. Nếu sử dụng thiết bị hoặc máy khoan guồng xoắn thì các thông số kiểm soát thi công gồm: tốc độ khoan xuống và rút lên; tốc độ quay của cần khoan; áp lực khí nén và lượng vật liệu cát biển, xi măng sử dụng. 3.6.2.4. Thi công đại trà Kết quả đánh giá chất lượng cọc thử đạt yêu cầu thiết kế thì tiến hành thi công đại trà với trình tự như khi thi công cọc thử. Nếu kết quả đánh giá chất lượng cọc không đạt yêu cầu, cần tính toán, điều chỉnh lại các thông số thiết kế. 3.6.2.4. Đánh giá chất lượng và hiệu quả xử lý nền đất yếu Tùy theo yêu cầu về độ lún, ổn định và sức chịu tải trong ngắn hạn cũng như dài hạn công trình xử lý nền đất yếu sẽ tiến hành công tác kiểm tra, đánh giá bằng các thí nghiệm hiện trường liện quan khác nhau. 3.6.3. Quy trình nghiệm thu cọc Sau khi hoàn thành thi công cọc, cần tiến hành đánh giá chất lượng, hiệu quả xử lý nền và tiến hành nghiệm thu. Trong khi chưa ban hành được tiêu chuẩn nghiệm thu cọc cát biển - xi măng, có thể sử dụng TCVN 9403:2012 hoặc theo các tài liệu liên quan khác đã công bố. Trình tự các bước nghiệm thu cọc bao gồm: (1) đánh giá kết quả xử lý nền (đánh giá chất lượng cọc, đánh giá chất lượng nền, xác định độ lún và sức chịu tải của nền sau xử lý); (2) và lập hồ sơ nghiệm thu xử lý nền.
17 3.7. Kết luận chương 3 - Cơ sở khoa học của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển - xi măng là các quá trình gia tăng sức chịu tải và giảm độ lún của nền gồm: nén chặt cơ học, gia tăng cường độ của cọc cát trộn xi măng và đất nền xung quanh cọc; cố kết thấm và các tác dụng hóa-lý giữa xi măng với đất nền. - Cường độ kháng nén của hỗn hợp vật liệu cát biển - xi măng phụ thuộc vào hàm lượng xi măng. Với hàm lượng xi măng 5%, 7%, 10%, 13%, 15%, cường độ kháng nén ở tuổi 28 ngày tương ứng 0,65MPa, 1,05MPa, 1,30MPa, 1,78MPa, 2,45MPa. - Nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý thu nhỏ cọc cát biển - xi măng đã chỉ ra rằng, quan hệ giữa độ lún và tải trọng trường hợp nén cọc đơn và nhóm 4 cọc gồm 3 giai đoạn: giai đoạn tuyến tính (giai đoạn nén chặt), giai đoạn phi tuyến (dưới mép đáy móng bắt đầu xuất hiện vùng biến dạng dẻo, đất bắt đầu bị phá hoại), giai đoạn chuyển vị tăng nhanh trước khi bị phá hoại, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về sự phụ thuộc giữa tải trọng và độ lún của nền tương tự như với cọc đất xi măng có cường độ cao. - Xây dựng mô hình số mô phỏng ứng xử của nền cọc cát biển - xi măng cho thấy, ứng xử của nền gia cố cọc cát biển - xi măng dường như tuyến tính khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn 6,5kN, sau đó là ứng xử dẻo khi tải trọng tác dụng từ 6,5kN đến 12,4kN, tiếp theo khi tải trọng tác dụng lớn hơn 12,4KN là ứng xử chảy hoàn toàn, tại đó tải trọng hầu như không tăng nhưng biến dạng tiếp tục tăng lên. Kết quả mô hình số 3D khá trùng khớp với kết quả thực nghiệm, làm cơ sở cho tính toán, dự báo ứng xử nhóm cọc cho mặt cắt và kích thước thực tế của cọc như trường hợp cọc đất xi măng cường độ cao. Độ lún và sức chịu tải của nền xử lý bằng cọc cát biển - xi măng tính toán theo lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính trong trường hợp thiết kế cọc để cải tạo nền (hàm lượng xi măng 10%, tạo ra cọc có cường độ >1,3 Mpa). - Thông số tính toán thiết kế cọc cát biển - xi măng gồm: đường kính; chiều dài; khoảng cách giữa các cọc; sức chịu tải và độ lún của nền cọc. Thiết bị thi công cọc có thể sử dụng các thiết bị hiện có hoặc chế tạo thiết bị mới phù hợp với điều kiện Việt Nam. CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH SỐ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT BIỂN – XI MĂNG 4.1. Các thông số kỹ thuật tuyến đường Hải Phòng-Nam Định và đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu 4.1.2. Các thông số kỹ thuật Tuyến đường ven biển Hải Phòng-Nam Định được thiết kế theo tiêu chuẩn đường cấp III đồng bằng, mặt đường loại cấp cao A1, vận tốc 80km/h. Bề rộng mặt đường 12m, làn đường 2x3,5m = 7m, lề đường 2x2,5m = 5m, lề gia cố 2x2 = 4m. Chiều cao đường đắp 3-8m tùy theo địa hình. Mái ta luy nền đắp 1:m = 1:1,5. 4.1.3. Cấu trúc nền đất yếu Dọc tuyến đường ven biển Hải Phòng-Nam Định phân bố 2 kiểu (I, II), 3 dạng (a, b, c) cấu trúc nền đất yếu (Chương 2). 4.1.4. Đề xuất phương pháp xử lý nền đất yếu Với các thông số kỹ thuật tuyến đường đã biết, việc lựa chọn phương pháp và thiết kế
18 xử lý nền đất yếu phụ thuộc cấu trúc nền đất yếu và năng lực thiết bị thi công hiện có. 4.1.4.1. Đối với cấu trúc nền đất yếu dạng Ia, IIa Có đất yếu phân bố ngay trên bề mặt đất, chiều dày nhỏ hơn 5m, kiến nghị lựa chọn các phương pháp xử lý nông như: trộn xi măng, trộn vôi, thay thế đất yếu bằng vật liệu tốt hơn, sử dụng vải hay lưới hoặc túi địa kỹ thuật hoặc gia tải trước. 4.1.4.2. Đối với cấu trúc nền đất yếu dạng Ib, IIb Có đất yếu phân bố trên bề mặt đất, chiều dày từ 5m đến 15m, kiến nghị lựa chọn phương pháp xử lý sâu bằng cọc cát biển - xi măng sẽ là phù hợp. Quy trình tính toán thiết kế, thi công, nghiệm thu cọc trình bày ở chương 3. Thiết bị thi công cọc cát biển – xi măng trong trường hợp này kiến nghị máy khoan guồng xoắn UGB-50M (hình 3.10). 4.1.4.3. Đối với cấu trúc nền đất yếu dạng Ic, IIc Có đất yếu phân bố ngay trên bề mặt đất, chiều dày lớn hơn 15m, kiến nghị lựa chọn phương pháp xử lý sâu bằng cọc cát biển - xi măng sẽ là phù hợp. Nếu phía dưới vùng hoạt động nén ép công trình phân bố đất tốt, kiến nghị thiết kế cọc để gia cố nền, còn nếu phía dưới vùng hoạt động nén ép phân bố đất yếu, kiến nghị thiết kế cọc để cải tạo nền. Thiết bị thi công đề xuất Hitachi PD 100, Cobelco 100P hoặc Nippon Sharyo DH 408 hoặc chế tạo thiết bị mới phù hợp với điều kiện Việt Nam. 4.2. Xây dựng mô hình số phân tích hiệu quả xử lý nền đất yếu bằng cọc cát biển – xi măng 4.2.1. Lựa chọn thông số kỹ thuật để xây dựng mô hình số Vị trí thiết kế điển hình có cấu trúc nền dạng Ib, gồm các lớp đất sau: Lớp 1- đất lấp (dày 1,0m); lớp 2- sét dẻo chảy (6,5m); lớp 3 - sét dẻo chảy (8,0m); lớp 4 - cát pha trạng thái chặt (5,0 m). Một số chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất được thống kê trong bảng 4.1. Bảng 4.1. Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất nền tại vị trí thiết kế điển hình  c a1-2  (độ) c TT Lớp đất Loại đất (g/cm3) (g/cm3) Ip IL e (kPa-1) (kPa) 1 Lớp 1 Đắt đắp, 1,0m 1,73 - - - - - 6o11’ 6,2 2 Lớp 2 Sét dẻo chảy, 6,5m 1,73 1,19 20,58 0,87 1,261 9,10 6o11’ 6,2 4 Lớp 4 (4a) Sét dẻo chảy, 8m 1,68 1,1 27,08 0,85 1,145 11,1 6027’ 6,7 5 Lớp 5 Cát pha, chặt, 5m 1,88 1,47 4,96 - 0,823 0,033 13o58’ 5,4 4.2.2. Các thông số thiết kế cọc cát biển - xi măng Cọc cát biển - xi măng được thiết kế có đường kính D = 0,5m, chiều dài 16,5m, bố trí mạng ô vuông, khoảng cách giữa các cọc L = 2,0m (hình 4.1). 4.2.3. Xây dựng mô hình số 3D Mô hình số 3D được xây dựng bằng phần mềm FLAC3D. Mô hình được xây dựng theo dạng dải của một nửa nền đường với 6 cọc cát biển - xi măng, cho phép xác định ảnh hưởng của nhóm cọc và hiệu ứng vòm phía trên đầu các cọc trong nền đường (hình 4.2). Trong các phân tích, nền đường đắp và các lớp đất yếu, lớp đất cát bên dưới, cọc cát biển - xi măng được lựa chọn mô hình đàn hồi tuyến tính, dẻo tuyệt đối theo mô hình phá hủy Mohr-Coulomb.