Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 6
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: Tóm tắt 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 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 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: 1. PGS.TS. Nguyễn Đức Mạnh Trường Đại học Giao thông Vận tải 2. PGS.TS. Phạm Hoàng Kiên Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Huy Phương Phản biện 2: PGS.TS. Vương Văn Thành Phản biện 3: PGS.TS. Hoàng Quốc Long 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
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Nguyen Thai Linh, Nguyen Duc Manh, Nguyen Hai Ha (2019), "Paralink technology − method of soft soil stabilization by the soil cement pile with high tensile geosynthetics", Proceedings of the IVth All-Russian symposium with participation of foreign scientists, dedicated to the 90th anniversary of Academician Nikolay Logatchev Irkutsk, pp. 120 - 123. (ISBN 978-5-9908560-7-3) 2. Nguyễn Thái Linh, Nguyễn Đức Mạnh, Phạm Hoàng Kiên (2020), "Nghiên cứu độ lún hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao trên mô hình thực nghiệm", Khoa học Giao thông vận tải, 71(2), pp. 102 - 112. (ISSN 1859-2724) 3. Nguyễn Thái Linh, Nguyễn Đức Mạnh (2020), "Thiết lập tỷ lệ mô hình thực nghiệm trong phòng hợp lý phục vụ nghiên cứu ứng xử hệ trụ đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao", Địa kỹ thuật, 1, pp. 65 - 73. (ISSN - 0868 - 279X) 4. Nguyen Thai Linh, Nguyen Duc Manh, Nguyen Hai Ha (2021), "Analysis of impacting factors for soil-cement column combined high strength geogrid", Transport and Communication Science Journal, 72(1), pp. 9-15. (ISSN 2615-9554)
1 ĐẶT VẤN ĐỀ I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 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 tối ưu về thời gian thi công và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng cọc đất xi măng (ĐXM) kết hợp với lưới địa kỹ thuật (ĐKT) hay lưới ĐKT cường độ cao, còn gọi là hệ nền cọc GRPS (Geosynthetics Reinforced Pile Supported) cũng được đề xuất và ngày càng được sử dụng rộng rãi. 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, và thân thiện với môi trường. Ngoài việc áp dụng hệ GRPS phổ biến trên thế giới từ những năm 70 của thế kỷ trước, các nghiên cứu liên quan chúng cũng được chú ý nhiều. Các nghiên cứu thường đề cập về sự làm việc độc lập hoặc đồng thời giữa cọc bê tông cốt thép (BTCT) hay cọc ĐXM với lưới ĐKT, chủ yếu gồm: cơ chế truyền tải trọng; sự phân bố lực kéo trên lưới; hiệu ứng vòm; hiệu ứng màng ... Một số nước còn được tiêu chuẩn hóa như tiêu chuẩn BS 8006 (Anh), EBGEO 2004 (Đức), FHWA-HRT-13-046 (Mỹ)... Ở Việt Nam, giải pháp cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT (hoặc vải ĐKT) cũng đã được áp dụng ở dự án cầu Bạch Đằng (Hải Phòng), nhiệt điện Duyên Hải (Trà Vinh), đường nội bộ nhà máy khí Cà Mau (Cà Mau), đường dẫn cầu Trần Thị Lý (Đà Nẵng), trung tâm thương mại Metro Mega Cần Thơ (Cần Thơ)… Tuy nhiên, các nghiên cứu về hệ GRPS còn rất khiêm tốn, chủ yếu mới chỉ là tổng hợp lý thuyết, phân tích mô hình số bằng một số phần mềm ĐKT có sẵn, hoặc thực nghiệm trên cọc BTCT khi có vải ĐKT. Mặc dù có nhiều nghiên cứu trên thế giới và trong nước, nhưng đến nay việc tính toán hệ GRPS thường vẫn bỏ qua phản lực của đất nền giữa các cọc cũng như không xét đến biến dạng của cọc và của lưới ĐKT khi làm việc. Nghĩa là coi tải trọng truyền vào cọc và lực kéo lưới ĐKT cao hơn so với thực tế, khi đó nền đất giữa cọc gần như không chịu tải, có thể gây lãng phí trong thực tế sản xuất. Xuất phát từ những đánh giá và phân tích nêu 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” tiếp cận bằng nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý kết hợp mô hình số có xét tới các yếu tố tương tác trong hệ nền cọc như áp lực đất nền ('s), biến dạng cọc (Scol), hay biến dạng lưới (Sgrid) là cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn.
2 II. 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 các công thức tính toán mới phù hợp hơn trong thiết kế hệ GRPS. III. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung luận án tập trung vào một số vấn đề sau: 1. Nghiên cứu tổng quan về giải pháp cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu cho xây dựng. 2. Phân tích số ba chiều để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao. 3. Xây dựng và nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong phòng với tỷ lệ thu nhỏ 1/25. 4. Xây dựng và đề xuất các công thức tính toán hệ GRPS dựa trên nền tảng lý thuyết tiêu chuẩn BS 8006, khi có xét đến phản lực của đất nền và biến dạng của cọc trong bài toán hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao. IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU - Ý nghĩa khoa học Trên cơ sở tổng hợp lý thuyết, phân tích mô hình số xác định được một số hạn chế của các phương pháp tính toán hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT đang áp dụng phổ biến hiện nay. Từ mô hình vật lý và mô hình số sử dụng nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao, đề xuất được công thức tính toán hoàn thiện hơn, không chỉ làm tiền đề và cơ sở phương pháp luận mà 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 Việc xem xét đủ hơn các yếu tố liên quan đến hiệu quả truyền tải, lực kéo lưới ĐKT trong hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT khi làm việc, và đưa chúng vào xem xét trong các công thức đề xuất vẫn đảm bảo độ tin cậy về chịu tải, phản ánh sát thực hơn, góp phần giảm giá thành khi áp dụng giải pháp này trong thực tế xây dựng. Kết quả nghiên cứu là tài liệu chuyên môn tốt phục vụ công tác giảng dạy, đào tạo tại các đơn vị liên quan tại Việt Nam.
3 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Chương 1 tiến hành tổng quan về các lý thuyết tính toán đang được áp dụng cho cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT hiện nay, 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 Đất yếu thường có sức chống cắt nhỏ, tính nén lún lớn với mô đun tổng biến dạng bé (E0 ≤ 5000 kPa), hệ số rỗng e0 lớn, độ ẩm tự nhiên cao và thường bão hòa nước. 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 ổn định cũng như việc khai thác các công trình. Có nhiều cách phân loại đất yếu: theo nguồn gốc hình thành; theo trạng thái của đất; hay phân loại theo các chỉ tiêu như hệ số rỗng e0, lực dính đơn vị c, góc ma sát trong φ... 1.1.2. Sơ lược về các giải pháp xây dựng trên nền đất yếu cho nền đắp Khi xây dựng đường ô tô trên nền đất yếu hay các khối đắp, các vấn đề phát sinh chính bao gồm lún nhiều và lún kéo dài, hay mất ổn định trượt. Để giải quyết vấn đề này, nền đất yếu có thể được xử lý hay cải tạo nhằm gia tăng sức chống cắt để chống mất ổn định trượt, hoặc giảm độ lún và tăng nhanh tốc độ cố kết để rút ngắn thời gian cố kết nền đất yếu dưới tải trọng đắp ngay trong quá trình thi công. Khi kiểm tra ổn định và dự báo lún của nền đường đắp trên đất yếu, tùy bài toán và cấp hạng công trình, cần phải xác định đủ các loại tải trọng tác dụng bao gồm tải trọng đất đắp nền đường, tải trọng xe cộ và tải trọng động đất... Để giải quyết vấn đề lún nhiều, lún kéo dài và mất ổn định khi xây dựng công trình trên nền đất yếu, có ba nhóm giải pháp xây dựng chính gồm: nhóm giải pháp về kết cấu công trình; nhóm giải pháp về kết cấu móng và nhóm giải pháp xử lý hay cải tạo nền đất yếu. 1.1.3. Cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật 1.1.3.1. Cọc đất xi măng và các phương pháp tính toán Cọc ĐXM được sử dụng để cải tạo nền đất từ nhiều thập kỷ trước. Mục đích của phương pháp này là cải thiện các đặc trưng của nền đất yếu như tăng sức
4 chống cắt, giảm tính thấm và tính nén lún bằng cách trộn xi măng (hoặc vữa xi măng) với đất nền, để tạo ra cọc ĐXM với khả năng chịu lực cao và biến dạng ít hơn so với đất nền ban đầu. Quá trình nghiên cứu cọc ĐXM bắt đầu tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 1970. Ban đầu vôi bột chưa tôi được sử dụng để tạo cọc đất vôi. Tuy nhiên, việc bảo quản vôi bột khó khăn và giá thành cao, những nhà nghiên cứu Thụy Điển và Nhật Bản chuyển sang sử dụng xi măng để thay thế. Từ đó, cọc ĐXM ra đời với ưu điểm vượt trội và chi phí thấp hơn cọc đất vôi. Do ứng xử phức tạp trong hệ cọc ĐXM khi xử lý nền đất yếu, hiện nay việc tính toán cọc ĐXM theo ba quan điểm sau: coi cọc ĐXM là cọc cứng; quy về nền tương đương và tính toán hỗn hợp - hệ nền cọc. Tại Việt Nam có hai tiêu chuẩn liên quan về cọc ĐXM cho xử lý nền đất yếu bao gồm: TCVN 9403:2012 "Gia cố nền đất yếu – Phương pháp trụ đất xi măng", sử dụng phương pháp nền tương đương để đánh giá ổn định tổng thể công trình, lún của hệ nền cọc và TCVN 9906:2014 "Cọc đất xi măng theo phương pháp Jet grouting - Yêu cầu thiết kế thi công và nghiệm thu cho xử lý nền đất yếu", sử dụng phương pháp tính toán hỗn hợp - hệ nền cọc khi phân tích cho hệ cọc ĐXM. 1.1.3.2. Lưới địa kỹ thuật Lưới ĐKT được sản xuất đầu tiên năm 1978 tại Anh. Lưới ĐKT là một loại cốt địa kỹ thuật, được chế tạo từ các polyme tổng hợp như PolyPropylen (PP), PolyEtylen (PE) và PolyEtylen -Terelat Hình 1.1 Các loại lưới địa kỹ thuật (PET), dạng tấm phẳng có lỗ hình vuông, chữ nhật hoặc oval, kích thước lỗ thay đổi tuỳ theo loại lưới có tác dụng cài chặt với đá, sỏi, đất… được sử dụng trong gia cố khối đắp, ổn định nền, chống xói lở... Theo khả năng chịu lực, lưới ĐKT được chia thành 3 nhóm: một trục, hai trục, và ba trục (hình 1.1). Về mặt cường độ, phổ biến loại có cường độ chịu kéo 50 đến 250kN/m. Lưới ĐKT được xếp loại cường độ cao khi có cường độ chịu kéo lớn từ 300 kN/m cho đến 1350 kN/m, có khả năng chống ăn mòn và chống hóa chất (hệ số an toàn vật liệu có tính đến độ bền FD < 1,05), khả năng chịu va chạm khi thi công cao (hệ số an toàn vật liệu có tính đến tổn thương trong
5 thi công FC < 1,03), khả năng chống suy giảm cường độ theo thời gian rất tốt. Về khả năng gia cường, lưới ĐKT cường độ cao có hiệu quả hơn so với vải ĐKT. Theo nghiên cứu của Zhang và Hurta (2008), cơ chế gia cố nền đất của lưới ĐKT và vải ĐKT là khác nhau. Vải ĐKT nâng cao khả năng chịu lực nền đất bằng cơ chế ma sát bề mặt (interface friction) với vật liệu đắp, còn với lưới ĐKT chủ yếu thông qua cơ chế cài chặt vật liệu (interlocking). Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, cơ chế cài chặt hiệu quả hơn so với cơ chế ma sát bề mặt. Ngoài ra, lưới ĐKT cường độ cao có độ cứng cao hơn nhiều lần so với vải ĐKT nên hạn chế bị chọc thủng hay rách khi rải trên đỉnh cọc. Vì thế chúng được đánh giá phù hợp hơn trong ứng dụng giải pháp cọc kết hợp cốt ĐKT để xử lý nền đất yếu. Việc thi công trải lưới ĐKT đơn giản, nhanh chóng nên tiết kiệm thời gian thi công cũng như nhân lực và máy móc, phù hợp với các công trình đòi hỏi tiến độ thi công nhanh. Do đó lưới ĐKT nói chung và lưới ĐKT cường độ cao nói riêng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông. 1.2. Tổng quan về nghiên cứu cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật để xử lý nền đất yếu 1.2.1. Mô tả giải pháp và ứng dụng Giải pháp cọc ĐXM kết hợp với lưới ĐKT xử lý nền đất yếu - hệ cọc kết hợp vật liệu ĐKT, hay còn được gọi hệ nền cọc GRPS, thường sử dụng trong các trường hợp chiều dày lớp đất yếu lớn, thời gian xây dựng và mặt bằng xây dựng bị hạn chế (hình Hình 1.3 Hệ cọc kết hợp lưới địa kỹ thuật 1.3). Khi đó, vai trò chính của cọc là chịu và truyền tải trọng nền đắp cũng như tải trọng giao thông xuống tầng đất tốt hơn ở dưới mũi cọc. Còn lưới ĐKT có khả năng chịu kéo lớn được trải trên đỉnh cọc giúp tăng phần tải trọng truyền vào cọc và gánh đỡ phần tải trọng truyền xuống phần đất yếu giữa các cọc, nhờ đó giảm được độ lún lệch giữa phần cọc và phần đất xung quanh cọc. Giải pháp này được đánh giá là đơn giản trong thi công, rút ngắn thời gian xây dựng, vật liệu ĐKT thân thiện môi trường, do đó ngày càng được sử dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng công trình giao thông. 1.2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật 1.2.2.1. Khái quát về tình hình nghiên cứu trên thế giới
6 Các nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT có thể phân chia làm ba nhóm chính: phương pháp lý thuyết; phương pháp mô hình thực nghiệm; và nhóm phương pháp số. Phương pháp lý thuyết được nghiên cứu đầu tiên và phổ biến nhất. Dựa trên các giả thiết tính toán, các kết quả nghiên cứu đã đi sâu vào phân tích sự làm việc giữa cọc và vật liệu ĐKT. Trong nghiên cứu lý thuyết tính toán hệ cọc kết hợp vật liệu ĐKT để xử lý nền đất yếu, cơ chế truyền tải trọng là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Khi chịu tải trọng, ngoài hiệu ứng vòm, hệ cọc kết hợp vật liệu ĐKT còn xảy ra hiệu ứng màng. Đối với hiệu ứng vòm, rất nhiều các nghiên cứu đã công bố: Terzaghi (1943), Hewlett và Randolph (1988), Kempfert và nnk (1997), Zaeske và Kempfert (2002), EBGEO 2004, BS 8006 ..., tuy nhiên được áp dụng phổ biến nhất là các tính toán của Hewlett và Randolph (1988) đã được đưa vào tiêu chuẩn BS 8006. Với hiệu ứng màng, theo Delmas (1979), Perrier (1983), Giroud (1990), Espinoza (1994) và Hello và Villard (2009) có đề cặp trong tính toán bằng phương pháp hình học đơn giản (mặt phẳng 2D hoặc đối xứng trục), còn khi phân tích ba chiều (3D) có các nghiên cứu của Kempton và nnk (1996), Russell và Pierpoint (1998), Rogbeck và nnk (1998)... Hạn chế của phương pháp lý thuyết là đưa ra nhiều giả thiết để đơn giản hóa bài toán, như ở đây đã bỏ qua sự làm việc của đất nền giữa các cọc, phân tích các thành phần cọc, tải trọng và vật liệu ĐKT riêng rẽ nên không có sự tương tác đồng thời trong quá trình chịu lực. Để khắc phục nhược điểm đó, các phương pháp nghiên cứu mô hình thực nghiệm và phương pháp phân tích mô hình số kiến nghị được áp dụng. Nhóm nghiên cứu mô hình thực nghiệm tiêu biểu như Hewlett và Randlph (1988), Zaeske (2001), Bergado (2002), Fang (2006), Artidteang và nnk (2013), King và nnk (2017)... Để lý giải ứng xử hệ GRPS khi chịu tải, các nghiên cứu đã tiến hành trên các mô hình vật lý tỷ lệ thực hay tỷ lệ thu nhỏ cùng với sự hạn chế về loại vật liệu và kết cấu. Kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm đã mô phỏng được nguyên lý làm việc hệ GRPS và là cơ sở tin cậy cho việc phát triển, kiểm tra đối chiếu khẳng định các tính toán giải tích theo phương pháp lý thuyết hay điều kiện biên theo phương pháp số. Phương pháp số phổ biến có hai loại: phương pháp sai phân hữu hạn (DEM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Với phương pháp số này cho phép làm nổi bật thông số ĐKT ảnh hưởng đến ứng xử của nền đắp, hệ GRPS, đánh giá với kết quả phương pháp mô hình thực nghiệm và phương pháp lý thuyết. Nhóm nghiên cứu bằng phương pháp phân tích mô hình số tiêu biểu có Jones
7 và nnk (1990), Han và Gabr (2002), Fang (2006), Tandel và nnk (2013), Ye và nnk (2016), Zhang và nnk (2016), Chai và nnk (2017)... Nhóm phương pháp này đã và đang giúp việc phân tích bài toán cọc kết hợp với vật liệu ĐKT ngày càng phổ biến. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp phân tích mô hình số phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn mô hình vật liệu, mô hình bài toán và các điều kiện biên. 1.2.2.2. Lý thuyết tính toán hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật Kể từ khi Terzaghi đưa ra quan điểm hiệu ứng vòm vào năm 1943 đến nay, phần lớn việc tính toán hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT trong xử lý nền đất yếu dựa trên cơ sở lý thuyết này. Sau đó, có nhiều lý thuyết dần hoàn thiện hơn cho tính toán hệ GRPS, điển hình như mô hình thử nghiệm trong phòng của Low và nnk (1984), phương pháp Guido và nnk (1987), theo tiêu chuẩn Thụy Điển (1987), mô hình thử nghiệm trong phòng của Hewlett và Randolph (1988), thử nghiệm Zaeske (2001), phương pháp tính toán của Colin (2004), phương pháp phân tích theo tiêu chuẩn Đức EBGEO (2004), tính toán theo tiêu chuẩn Anh BS 8006 (2015)... 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 Các nghiên cứu trong nước về giải pháp xử lý nền đất yếu bằng hệ cọc ĐXM kết hợp vật liệu ĐKT hiện đang ở dạng tổng hợp phương pháp lý thuyết theo các công thức tính giải tích hoặc phương pháp số thông qua việc ứng dụng một số phần mềm ĐKT có sẵn như: phân tích số cho nhóm cọc đất xi măng có gia cường vải địa kỹ thuật để hỗ trợ việc mở rộng nền đường đắp của Phạm Anh Tuấn và Đỗ Hữu Đạo (2015); nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả giảm lún nền đường đầu cầu đắp trên đất yếu trong đô thị bằng cọc đất xi măng có gia cường vải địa kỹ thuật của Nguyễn Xuân Quân và Nguyễn Đức Mạnh (2015); nghiên cứu tính toán lớp cốt vật liệu địa kỹ thuật sử dụng trong nền đắp có cọc hỗ trợ của Nguyễn Thị Loan (2016)... Ngoài ra, còn có một số nghiên cứu lý thuyết về gia cố nền đất yếu bằng cọc đất - xi măng, sự phân bố tải trọng lên cọc và tính toán lớp cốt ĐKT như: bàn về phương pháp tính toán gia cố nền bằng cọc ximăng - đất của Phùng Vĩnh An (2012); một số vấn đề kỹ thuật trong thiết kế khối đắp trên nền cọc của Nguyễn Quốc Dũng (2012)... Nhìn chung các nghiên cứu về vấn đề sử dụng hệ GRPS ở nước ta còn hạn chế, chủ yếu dựa vào các phương pháp lý thuyết, ngoài nghiên cứu thực nghiệm bằng cọc BTCT với vải ĐKT được công bố năm 2018 của Nguyễn Tuấn Phương, đến nay chưa có hoặc rất ít thực nghiệm đánh giá. Với thực tế sản xuất, hiện một số công trình ở Việt Nam đã bắt đầu sử dụng hệ GRPS nói
8 chung, cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT nói riêng để giảm lún lệch giữa cọc và đất nền, tăng khoảng cách cọc và giảm giá thành xây dựng, ví dụ như: phần đường dẫn cầu Trần Thị Lý (Đà Nẵng); Metro Mega (Cần Thơ); đường dẫn cầu khu đô thị Mizuki Park (Bình Chánh, Tp. Hồ Chí Minh). 1.3. Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án Luận án tập trung giải quyết những vấn đề sau: - Sử dụng phương pháp phân tích số ba chiều (3D) để phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến sự làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao bao gồm tải trọng tác dụng, khoảng cách và đường kính cọc, độ cứng của cọc và đất nền, cường độ của lưới ĐKT. - Xây dựng mô hình thực nghiệm cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong phòng với tỷ lệ thu nhỏ 1/25. Mô hình thực nghiệm là cơ sở tin cậy để đánh giá tính toán lý thuyết, đối chứng thông số vật liệu, xác định điều kiện biên của phương pháp số. - Xây dựng và đề xuất một số công thức cải tiến tính toán cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao, dựa trên cơ sở lý thuyết của tiêu chuẩn BS 8006, trong đó có xét đến phản lực của đất nền, biến dạng của cọc ĐXM và biến dạng của lưới ĐKT. 1.4. Phương pháp nghiên cứu Luận án áp dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu như tổng hợp và phân tích lý thuyết, phương pháp phân tích mô hình số, nghiên cứu mô hình thực nghiệm, phương pháp xác suất thống kê và tính toán toán học.
9 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO Chương 2 tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong xử lý nền đất yếu. Kết quả phân tích làm cơ sở và căn cứ chính để lựa chọn các kịch bản cho mô hình thực nghiệm nghiên cứu thể hiện trong chương 3 của bản luận án. 2.1. Phương pháp phân tích số và mô hình vật liệu 2.1.1. Khái quát các nghiên cứu hệ cọc kết hợp vật liệu Địa kỹ thuật bằng phương pháp phân tích số Việc tính toán cọc kết hợp với vật liệu ĐKT bằng phân tích số theo phương pháp phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn ngày càng được áp dụng rộng rãi. Các phần mềm ĐKT hiện nay được xây dựng trên cơ sở phương pháp số, có khả năng phân tích hầu hết các dạng mô hình hình học, kết cấu vật liệu và đất nền. Tuy nhiên độ chính xác của phân tích số phụ thuộc rất lớn vào việc lựa chọn mô hình phân tích, mô phỏng số mô hình bài toán, các điều kiện biên, thông số đất nền, cọc .... 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 Trong nghiên cứu cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT, các tác giả trên thế giới thường coi trọng việc sử dụng phương pháp phân tích mô hình số. Các mô hình rút gọn khác nhau thường được sử dụng để mô phỏng hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT bao gồm mô hình 2D biến dạng phẳng, mô hình đối xứng trục trên một vùng và mô hình 3D xét đủ giới hạn biên. 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 Mô hình vật liệu là một thành phần rất quan trọng quyết định mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. Các loại vật liệu liên quan tới bài toán nghiên cứu trong luận án bao gồm: đất nền; lưới ĐKT; cọc ĐXM và vật liệu cho phần tiếp xúc đất với cọc; đất với lưới ĐKT bao gồm mô hình Mohr - Coulomb, mô hình đàn hồi tuyến tính (Linear Elastic). 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 2.2.1. Các tham số phân tích và mô hình phân tích Hai tham số được đưa vào phân tích là hiệu quả truyền tải cọc Ef thể hiện tác dụng của hiệu ứng vòm và lực kéo lưới T thể hiện tác dụng của hiệu ứng màng. Mô phỏng số 3D dựa trên phần mềm Plaxis 3D theo phương pháp phần tử hữu hạn Hình 2.8 Mô hình bài toán nghiên cứu
10 (FEM) cho một nửa phần nền đường đắp đối xứng với góc dốc 1:2, chiều cao 5m được đắp bằng cát có trọng lượng thể tích =18,5kN/m3, phía trên có tải trọng xe quy đổi q =12,5kPa. Nền đất yếu được gia cố bằng hệ hai hàng cọc ĐXM đường kính D=1m, chiều dài cọc 20m. Mô hình bài toán nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp lới ĐKT cường độ cao với các thông số như trên được thể hiện tại hình 2.8. Mô hình số 3D lựa chọn với 21650 phần tử, 28105 điểm nút và chiều dày 6m để mô phỏng hai hàng cọc ĐXM. 2.2.2 Các trường hợp phân tích Phân tích sự làm việc của cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao với một số trường hợp thay đổi các yếu tố ảnh hưởng: (1) Tải trọng thẳng đứng (v’); (2) Tỷ số khoảng cách giữa tim cọc/đường kính cọc (s/D); (3) Tỷ số mô đun đàn hồi cọc ĐXM/mô đun biến dạng đất nền (Ec/Es); (4) Số lớp lưới và mô đun dãn dài của lưới ĐKT (J). 2.2.3. Phân tích kết quả 2.2.3.1. Ảnh hưởng của tải trọng thẳng đứng v’ Kết quả phân tích mô hình số cho thấy, áp lực thẳng đứng gây ra bởi chiều cao đắp và tải trọng phương tiện giao thông là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới ĐKT. Nghĩa là, khi chiều cao đắp càng lớn thì áp lực thẳng đứng càng tăng, vòm đất được hình thành và phát triển theo cơ chế hiệu ứng vòm, làm tải trọng truyền vào cọc ngày càng nhiều, tức là hiệu quả 2.13 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo truyền tải lên cọc Ef tăng. Ngoài ra, việc Hình lưới ĐKT do ảnh hưởng áp lực thẳng đứng chiều cao đất đắp tăng sẽ làm tăng áp lực đất chủ động phía trên ma sát với lưới, dẫn tới làm tăng nhanh lực kéo trong lưới. 2.2.3.2. Ảnh hưởng của tỷ số khoảng cách cọc/đường kính cọc (s/D) Kết quả phân tích mô hình số cho thấy tỷ số s/D ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới ĐKT. Khi s/D tăng, lực kéo lưới tăng lên rõ rệt, trong khi đó hiệu quả truyền tải cọc giảm mạnh. Nghĩa là, khi khoảng cách cọc tăng, độ lún chênh lệch giữa cọc ĐXM và đất yếu tăng lên, làm lực kéo lưới tăng và tải trọng truyền nhiều hơn vào cọc. Tuy nhiên, mức tăng tải trọng Hình 2.15 Hiệu quả truyền tải lên cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng tỷ số s/D
11 vào cọc đó không đủ để đảo ngược việc hạ thấp hiệu quả truyền tải cọc khi tăng s. Ngoài ra, khi tỷ số s/D > 3, lực kéo lưới ĐKT có xu hướng tăng không đáng kể do việc hình thành vòm đất ổn định. 2.2.3.3. Ảnh hưởng của tỷ số mô đun đàn hồi cọc đất xi măng/mô đun biến dạng đất nền (Ec/Es) Khảo sát bằng mô hình số cũng chỉ ra rằng, ảnh hưởng khá lớn của tỷ số Ec/Es đến hiệu quả truyền tải lên cọc. Ứng suất trên đỉnh cọc tăng theo sự gia tăng của môđun đàn hồi cọc, độ cứng cọc càng cao càng tăng sự tập trung ứng suất. Với cọc ĐXM đủ cứng (khi Ec/Es > 150 lần) sẽ tạo thành vòm đất ổn định. Sự thay đổi tỷ lệ của mô đun đàn hồi Ec/Es dường như không Hình 2.17 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng tỷ số Ec/Es ảnh hưởng đến lực kéo của lưới ĐKT. 2.2.3.4. Ảnh hưởng mô đun dãn dài J của lưới Địa kỹ thuật Để so sánh hiệu quả của lưới ĐKT cường độ cao so với lưới ĐKT thông thường, trường hợp một lớp lưới ĐKT J=8000 kN/m (tương đương cường độ chịu kéo 600kN/m), hoặc hai lớp lưới ĐKT J=4000 kN/m (tương đương cường độ 300 kN/m), hoặc ba lớp lưới ĐKT J=2000 kN/m (tương đương cường độ 200kN/m) được khảo sát và phân tích. Hình 2.19 Hiệu quả truyền tải cọc do ảnh hưởng mô đun dãn dài lưới J Kết quả thấy là khi sử dụng 1 lớp lưới ĐKT cường độ cao, mô đun dãn dài J thay đổi từ 2000 kN/m đến 10000 kN/m, hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới ĐKT thay đổi như hình 2.20. Khi môđun dãn dài của lưới J tăng, lực kéo lưới ĐKT cũng tăng do chúng tỷ lệ thuận với môđun dãn dài. Đồng thời, do hiệu ứng màng - độ căng của lưới ĐKT làm giảm nhẹ ứng suất đầu cọc, khiến hiệu quả truyền tải lên cọc giảm Hình 2.20 Hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới do ảnh hưởng mô đun dãn dài lưới J nhẹ.
12 2.3. Hệ số ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới địa kỹ thuật Xây dựng hệ số ảnh hưởng của các yếu tố tham chiếu đến các trường hợp cơ bản: J = 8000 kN/m; Ec = 150 MPa; Es = 1 MPa; H = 5m; q = 12,5 kPa. Sử dụng công thức tính hiệu quả truyền tải cọc trường hợp bố trí 1 lớp lưới ĐKT cường độ cao (Ef = 0,44) và nhân với các hệ số kể tới sự ảnh hưởng của các yếu tố: tải trọng tác dụng (a1); tỉ số khoảng cách cọc/đường kính cọc (a2); tỷ số mô đun đàn hồi cọc ĐXM/mô đun biến dạng đất nền (a3); môđun dãn dài lưới ĐKT (a4). Kết quả xác định hệ số ảnh hưởng thể hiện tại hình 2.22. Hình 2.22 Hệ số ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu quả truyền tải cọc 2.4. Kết luận chương 2 - Khi sử dụng một lớp lưới ĐKT cường độ cao cho hiệu quả truyền tải xuống cọc và phát huy lực kéo trong lớp lưới cao hơn trường hợp sử dụng nhiều lưới ĐKT thông thường. - Đã phân tích ảnh hưởng của các yếu tố chính đến hiệu quả truyền tải vào cọc Ef và lực kéo lưới ĐKT trong hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao, và xây dựng được hệ số ảnh hưởng của các yếu tố: (1) tải trọng thẳng đứng tác dụng (v'); (2) tỷ số khoảng cách cọc/đường kính cọc (s/D); (3) tỷ số mô đun đàn hồi cọc/mô đun biến dạng đất nền (Ec/Es); (4) môđun dãn dài của lưới ĐKT (J), kết quả chỉ rõ:
13 + Tải trọng tác dụng (v') và tỷ số (s/D) là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải và lực kéo lưới ĐKT cường độ cao khi làm việc. Khi tải trọng thẳng đứng tác dụng tăng, hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo cũng tăng nhanh. Còn khi tỷ số s/D tăng, lực kéo lưới tăng lên rõ rệt, trong khi đó hiệu quả truyền tải cọc giảm mạnh. + Khi kết hợp với lưới ĐKT cường độ cao, với tỷ số s/D từ 2,5 - 3,5 vẫn đảm bảo hiệu quả truyền tải cọc so với trường hợp sử dụng nhiều lớp lưới ĐKT thông thường. + Khi tỷ số Ec/Es > 150 hoặc J > 8000 kN/m, hiệu quả truyền tải cọc và lực kéo lưới có xu hướng ít thay đổi. + Xây dựng hệ số ảnh hưởng của các yếu tố đến sự làm việc của hệ GRPS này.
14 NGHIÊN CỨU HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ Chương 3 nghiên cứu thực nghiệm hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trên mô hình vật lý theo các kịch bản khác nhau. 3.1. Mô hình thu nhỏ 3.1.1. Các nghiên cứu mô hình thực nghiệm Việc xây dựng các mô hình để nghiên cứu các bài toán ĐKT là rất phổ biến trên thế giới. Mô hình vật lý bao gồm mô hình tỷ lệ thực (full scale), mô hình trọng lực đơn (1g) và mô hình ly tâm (centrifuge). Với những hạn chế của các nghiên cứu tiêu biểu trong nước về việc nghiên cứu sự làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong xử lý nền đất yếu là không có thực nghiệm đánh giá, thì việc xây dựng và nghiên cứu dựa trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ trong phòng thí nghiệm sẽ là cơ sở tin cậy cho việc phát triển lý thuyết, kiểm tra đối chiếu các phương pháp tính toán giải tích hay các phương pháp số về cơ chế làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong xử lý nền đất yếu. 3.1.2. Các nghiên cứu mô hình thu nhỏ hệ cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật Trong nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT, mô hình thí nghiệm được ưu tiên sử dụng nhằm phân tích các ứng xử phức tạp bao gồm phân tích sự tập trung ứng suất, hiệu ứng vòm, khả năng chịu tải của cọc ĐXM, tiêu biểu trong số đó như Kitazume và nnk (2000), M.Bouassida và A.Porbaha (2004), Fang (2006), Artidteang và nnk (2013), Xing (2014), Zhang và nnk (2016)... 3.2. Xây dựng mô hình hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao 3.2.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình 3.2.1.1.Tỷ lệ mô hình Mô hình thu nhỏ phục vụ nghiên cứu thường yêu cầu tuân theo định luật tỷ lệ như: - Tỷ lệ hình dạng: n = Lm/Lp (3.1) trong đó: Lm - kích thước trong mô hình thu nhỏ; Lp - kích thước trong mô hình thực. - Tỷ lệ ứng suất: N = 'm/'p (3.2) trong đó: 'm - ứng suất tại điểm phân tích trong mô hình thu nhỏ; 'p - ứng suất tại điểm phân tích trong mô hình thực. - Tỷ lệ gradien ứng suất: I = I'm/I'p (3.3) trong đó: I'm - gradient ứng suất trong mô hình thu nhỏ; I'p - gradien ứng suất trong mô hình thực. Trong mô hình ly tâm, I là tỷ lệ giữa gia tốc hướng tâm và gia tốc trọng trường. Ở mô hình trọng lực đơn (1g), I = 1.
15 3.2.1.2. Lựa chọn tỷ lệ mô hình thu nhỏ hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới địa kỹ thuật cường độ cao Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng mô hình trọng lực đơn (1g) tỷ lệ n = 1/25, vật liệu trong mô hình thu nhỏ giống mô hình thực, áp lực gia tải trong mô hình thu nhỏ giống mô hình thực, tức là I = N = 1. Tương quan giữa mô hình thực và mô hình thu nhỏ được giới thiệu ở Hình 3.8 Tương quan giữa mô hình thực và mô hình hình 3.8. thu nhỏ lựa chọn nghiên cứu 3.2.2. Chuẩn bị vật liệu, hệ thống gia tải Để thực hiện thí nghiệm, mô hình được xây dựng bao gồm đất yếu, mô hình cọc ĐXM thu nhỏ, thùng chứa đất trong phòng thí nghiệm, hệ thống gia tải và hệ thống thiết bị đo ứng suất, biến dạng (hình 3.10). Hình 3.10 Các thiết bị đo chuyển vị, biến dạng Kết quả thử nghiệm, lựa chọn sử dụng lưới ĐKT có cường độ chịu kéo lớn nhất 600 kN/m (hình 3.12); hàm lượng xi măng 300 kg/m3 (hình 3.14), tỷ lệ nước/xi măng 80% để tạo cọc ĐXM cho mô hình thí nghiệm. Hình 3.12 Quan hệ giữa lực kéo với biến dạng Hình 3.14 Cường độ nén một trục nở hông mẫu của lưới địa kỹ thuật chế bị đất xi măng ở 7 và 28 ngày
16 3.2.3. Lắp đặt mô hình thí nghiệm Mô hình thực nghiệm được lắp đặt theo các bước chính: (1) cho đất vào thùng chứa và cố kết sơ bộ; (2) tạo cọc ĐXM theo tỉ lệ xi măng đã xác định bên trên; (3) lắp đặt hệ thống gia tải, thiết bị đo biến dạng và đo áp lực nước lỗ rỗng. Mô hình được thể hiện trên hình 3.16 đến hình 3.18. Hình 3.16 Tạo hệ cọc đất xi măng D40 trong mô hình thực nghiệm Hình 3.17 Mô hình thực nghiệm cọc Hình 3.18 Sơ đồ bố trí hệ thống ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ các thiết bị đo chuyển vị, ứng suất cao sau khi lắp đặt 3.3. Kết quả thí nghiệm mô hình hệ cọc đất xi măng kết hợp lưới Địa kỹ thuật cường độ cao 3.3.1. Quy trình thí nghiệm Trong phạm vi nghiên cứu, các thí nghiệm được thực hiện theo TCVN 9393:2012. 3.3.2. Kết quả thí nghiệm độ lún Kết quả theo dõi lún tại đỉnh cọc ĐXM và điểm nền đất giữa hai cọc, tương ứng các cấp tải, các khoảng cách cọc khác nhau. Kết quả đo độ lún ở các trường hợp khi không có lưới ĐKT, có lưới ĐKT cường độ cao được thể hiện tại các hình 3.19 đến hình 3.22. Với cùng khoảng cách cọc 2,5D, độ lún của đất nền giữa các cọc giảm từ 60% đến 67%, sức chịu tải (áp lực) thẳng đứng tăng 19% so với trường hợp không
17 có lưới. Kết quả này được giải thích do hiệu ứng màng của lớp lưới ĐKT: lưới căng ra đỡ tải trọng phía trên tạo thành lớp truyền tải mềm, phân phối lại tải trọng làm giảm tải trọng truyền vào trong đất nền nên độ lún đất nền giảm xuống, tăng tải trọng truyền vào cọc dẫn đến độ lún đầu cọc tăng lên. Hình 3.19 Độ lún hệ cọc ĐXM khoảng cách Hình 3.20 Độ lún hệ cọc đất xi măng khoảng s = 2.5D khi không có và có lưới ĐKT cách s = 2.5D và s = 3D có lưới ĐKT Hình 3.21 Độ lún lệch giữa cọc ĐXM và đất Hình 3.22 Độ lún hệ cọc đất xi măng trong nền trong các trường hợp thí nghiệm các trường hợp và TCVN 9906:2014 3.3.3. Kết quả thí nghiệm đo ứng suất đầu cọc và áp lực đất nền Kết quả đo ứng suất đỉnh cọc, áp lực đất nền giữa các cọc các trường hợp khi không có lưới ĐKT với có lưới ĐKT cường độ cao được thể hiện trong các hình 3.23 đến hình 3.25. Kết quả cho thấy hệ số tập trung ứng suất n khi không có lưới ĐKT khoảng 7,5. Còn khi có lưới ĐKT cường độ cao, hệ số tập trung ứng suất n khoảng 13,5 (hình 3.26). Điều này được giải thích do ảnh hưởng của hiệu ứng màng của lớp lưới ĐKT cường độ cao, làm tăng ứng suất đầu cọc, giảm áp lực đất nền.