Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật

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

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật" nhằm kiểm chứng lại mô hình số, phân tích hiệu quả của giải pháp xử lý, độ tin cậy kết quả tính toán lý thuyết và mô hình số.

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 ứng xử của nền đường đầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGÔ BÌNH GIANG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số ngành: 9580211 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2024
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. MAI DI TÁM Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. TRỊNH MINH THỤ Phản biện 1: TS. Nguyễn Tiếp Tân - Viện Khoa học Thuỷ Lợi Phản biện 2: PGS. TS. Lê Văn Hùng - Hội Thuỷ lợi Việt Nam Phản biện 3: PGS. TS. Ngô Trí Thường - Đại học Thuỷ Lợi Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Trường Đại học Thuỷ Lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội; vào lúc giờ ngày tháng năm 2024 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi.
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trước thực trạng nhiều tuyến đường xảy ra tình trạng lún lệch tại chỗ tiếp giáp giữa đường và cầu, gây ra nguy cơ mất an toàn giao thông. Giải pháp kỹ thuật công nghệ cho đoạn đường chuyển tiếp giữa đường và cầu có thể là sàn giảm tải (trên hệ móng cọc); hoặc kết hợp xử lý nền đất yếu với các phương án trên. Trụ xi măng đất (XMĐ) là một giải pháp gia cường nền đất yếu, để tăng hiệu quả, đỉnh trụ XMĐ thường bố trí lớp truyền tải nhằm tăng tải trọng truyền vào trụ và giảm tải trọng truyền xuống đất yếu giữa các cọc. Trên thế giới, các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ nền cọc đã được tiêu chuẩn hóa để áp dụng như BS 8006-1:2010, EBGEO:1995 … Tại Việt Nam, các kết quả nghiên cứu mới dừng ở nghiên cứu lý thuyết, hoặc mô hình vật lý thu nhỏ trong phòng thí nghiệm. Trụ xi măng đất trong các mô hình số và mô hình vật lý mới chỉ xét ở dạng cọc chống (mũi cọc nằm tại tầng đất tốt), chưa xét tới bài toán với mô hình cọc treo/ ma sát (mũi cọc vẫn nằm trong tầng đất yếu có chiều dày lớn). Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật” thông qua phân tích số với mô hình cọc treo và kiểm chứng với kết quả thí nghiệm hiện trường là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mô hình số nghiên cứu sự phân bố ứng suất và độ lún của trụ xi măng đất (dạng cọc treo) và đất nền xung quanh trụ trên đoạn đường đầu cầu xây dựng trên nền đất yếu được gia cường bằng trụ xi măng đất kết hợp với lưới địa kỹ thuật (ĐKT). - Thông qua thí nghiệm hiện trường kiểm chứng lại mô hình số, phân tích hiệu quả của giải pháp xử lý, độ tin cậy kết quả tính toán lý thuyết và mô hình số. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đường đầu cầu xây dựng trên nền đất yếu có chiều dày lớn (≈30m) được gia cường bằng trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật. 1
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phân bố ứng suất, độ lún của trụ xi măng đất và nền đất yếu xung quanh trụ, lực kéo lưới địa kỹ thuật thông qua mô hình số và thí nghiệm hiện trường. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: thu thập và phân tích các tài liệu cũng như các kết quả nghiên cứu đã có liên quan đến vấn đề nền đường đầu cầu được gia cường bằng trụ xi măng đất kết hợp với lưới địa kỹ thuật. - Phương pháp sử dụng mô hình số: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (thông qua phần mềm Plaxis) để thiết lập mô hình vật liệu cho nền đắp, trụ xi măng đất, nền đất yếu, lưới địa kỹ thuật để xác định trạng thái ứng suất, biến dạng của nền đường gia cường. - Phương pháp thí nghiệm hiện trường: quan trắc áp lực đất, biến dạng của lưới ĐKT, áp lực nước lỗ rỗng và độ lún theo chiều sâu để đánh giá hiệu quả của giải pháp xử lý, độ tin cậy của kết quả tính toán lý thuyết và mô hình số. - Phương pháp chuyên gia: thông qua các hội thảo để lấy ý kiến đóng góp của các chuyên gia trong và ngoài nước về cách tiếp cận, nghiên cứu, các luận cứ khoa học và các giải pháp. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Thông qua việc tổng kết tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp trụ XMĐ kết hợp với lưới ĐKT, luận án phân tích ưu điểm và chỉ ra các điểm còn tồn tại của các phương pháp thiết kế được áp dụng phổ biến hiện nay. - Xây dựng mô hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn 3D nghiên cứu sự phân bố ứng suất và độ lún của trụ xi măng đất và đất nền xung quanh trụ trên đoạn đường dẫn đầu cầu trên nền yếu được gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật. - Thiết lập hệ thống quan trắc và quy trình quan trắc hiện trường, kết quả quan trắc khẳng định được việc sử dụng trụ XMĐ dạng cọc treo kết hợp lưới ĐKT là giải pháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, phù hợp với đoạn đường đầu cầu, đồng thời bổ sung các đánh giá phân tích, so sánh giữa mô hình số và thực tế công trình. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về đất yếu 1.1.1. Khái niệm về đất yếu Theo tiêu chuẩn khảo sát, thiết kế nền đường ôtô trên nền đất yếu TCCS 41:2022/TCĐBVN và 22TCN 262 – 2000, đất yếu là đất có sức kháng cắt nhỏ và tính biến dạng (nén lún) lớn. 1.1.2. Cách nhận biết đất yếu 1.1.2.1. Nhận biết đất yếu theo hệ số rỗng và cường độ kháng cắt Đất sét hoặc sét pha, được xem là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm gần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét có e ≥ 1,5, sét pha có e ≥ 1,0), sức kháng cắt ≤ 15 kPa, góc nội ma sát φ < 10° hoặc Su ≤ 35 kPa; có sức kháng mũi xuyên tĩnh qc ≤ 0,1 MPa; có chỉ số xuyên tiêu chuẩn Nspt < 5. 1.1.2.2. Nhận dạng đất yếu theo trạng thái tự nhiên Đất yếu được nhận dạng theo độ sệt (B), đất có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, có hàm lượng hữu cơ chiếm tới (20 ÷ 80)%. 1.1.3. Công nghệ xử lý nền đất yếu cho đường giao thông 1.1.3.1. Phân loại các công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu a. Loại chỉ tác động đến bản thân nền đắp Các giải pháp công nghệ này chỉ tác động đến cấu tạo và quá trình xây dựng nền đắp phía trên: xây dựng nền đắp theo giai đoạn, bệ phản áp … b. Giải pháp tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp Thay toàn bộ hay một phần đất yếu bằng vật liệu đắp tốt, bố trí các phương tiện thoát nước thẳng đứng: giếng cát, bấc thấm, hút chân không … c. Các nguyên tắc lựa chọn công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu Khả năng thực hiện tại chỗ như điều kiện về vật liệu, thiết bị, tay nghề; tác động của quá trình thi công đến môi trường xung quanh; thời hạn thi công tối đa; đáp ứng các yêu cầu khai thác sử dụng lâu dài hay không; chi phí. 1.1.3.2. Phạm vi sử dụng giải pháp công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu Theo kinh nghiệm trên thế giới, thường kết hợp sử dụng 2, 3 giải pháp công nghệ để đạt được mục tiêu xử lý: gia tải trước kết hợp với thoát nước đứng; cọc cứng kết hợp lưới ĐKT … 3
1.2. Tổng quan về đường đầu cầu 1.2.1. Khái niệm về đường đầu cầu Đoạn đường yêu cầu sự chuyển tiếp một cách hài hòa, êm thuận trên toàn bộ mặt cắt ngang từ đường đến vị trí tiếp giáp công trình cầu trên đường ô tô. 1.2.2. Yêu cầu kỹ thuật 1.2.2.1. Yêu cầu về độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường Nhằm đảm bảo sự chuyển tiếp êm thuận, độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường (i) của đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu được quy định trong TCVN 5729 và TCVN 4054. 1.2.2.2. Xác định chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu a. Trường hợp xây dựng ở nơi đất yếu Chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu được xác định từ mép về phía đường của tường đỉnh mố cầu về mỗi phía nền đường tính theo công thức: 𝐿𝑐𝑡 ≥ 𝐿1 + 𝐿2 (1.1) Hình 1.2. Phạm vi đường đầu cầu 1.2.3. Giải pháp công nghệ đảm bảo êm thuận đoạn chuyển tiếp 1.2.3.1. Tăng chiều dài cầu để hạ thấp chiều cao đất đắp sau mố cầu Chiều cao đất đắp sau mố cầu nên chọn nhỏ hơn 6m đối với vị trí không có đất yếu và nhỏ hơn 4m tại vị trí đất yếu. 1.2.3.2. Xử lý nền đất yếu dưới nền đắp trong phạm vi đoạn chuyển tiếp Khi xây dựng đường đầu cầu trên nền đất yếu, thường xem xét đến giải pháp: thay đất, làm chặt hoặc xử lý nền đất yếu bằng các phương pháp gia cường như: cọc đất gia cố chất liên kết vô cơ (xi măng hoặc vôi), cọc vật liệu hạt (cát …). 4
1.2.3.3. Sử dụng các giải pháp kỹ thuật khác Sử dụng vật liệu nhẹ để đắp nền đường đầu cầu; hoặc kết cấu đất có cốt và tường chắn đất có cốt. Hệ thống cốt trong kết cấu đất có cốt chủ yếu bao gồm cốt thép (thép nhẹ, thép mạ hay epoxy) và cốt vải, lưới ĐKT (vật liệu polypropylen …). 1.3. Tổng quan về trụ xi măng đất và lưới địa kỹ thuật 1.3.1. Trụ xi măng đất 1.3.1.1. Khái niệm Trụ xi măng đất có dạng hình trụ được chế tạo bằng cách trộn xi măng hoặc vữa xi măng với đất tại chỗ (có thể kèm thêm phụ gia) nhằm cải thiện các đặc trưng của đất, như tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún, bằng cách trộn xi măng (vữa xi măng) với đất nền để chúng tương tác với nhau. 1.3.1.2. Phương pháp tính toán trụ xi măng đất Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán trụ xi măng đất, tuy nhiên có thể xếp chúng vào một trong ba quan điểm sau: coi trụ XMĐ là cọc cứng (TTGH1, TTGH2); nền tương đương; hoặc hỗn hợp (hệ nền cọc). 1.3.2. Lưới địa kỹ thuật Lưới địa kỹ thuật (ĐKT) là một loại cốt địa kỹ thuật, 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, đất … được sử dụng trong gia cố cơ bản, ổn định nền … 1.3.3. Giải pháp trụ XMĐ và lưới ĐKT trong xử lý nền đất yếu 1.3.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Giải pháp trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu ngày càng được áp dụng rộng rãi trên thế giới. Các nghiên cứu hệ trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu có thể chia làm ba nhóm chính: nhóm phương pháp giải tích, nhóm phương pháp mô hình thực nghiệm và nhóm phương pháp số. 1.3.3.2. Phương pháp giải tích Đối với hiệu ứng vòm, rất nhiều các nghiên cứu đã công bố: Terzaghi (1943), Hewlett và Randolph (1988), tiêu chuẩn BS 8006-1:2010 (Anh), quy chuẩn EBGEO (Đức) ... Hạn chế của phương pháp lý thuyết là đưa ra nhiều giả thiết để đơn giản hóa bài toán (bỏ qua sự làm việc của đất nền), phân tích các thành phần trụ, tải trọng và vật liệu ĐKT riêng rẽ, không có sự tương tác … 5
1.3.3.3. Nhóm nghiên cứu mô hình thực nghiệm Tiêu biểu như Hewlett và Randolph (1988); Bergado (2002); King (2017) ... Các nghiên cứu đã tiến hành trên các mô hình vật lý tỷ lệ thực và mô hình vật lý tỷ lệ thu nhỏ nhưng gặp hạn chế về loại vật liệu và kết cấu. Việc mô phỏng được nguyên lý làm việc hệ nền cọc và là cơ sở tin cậy cho việc đối chiếu các tính toán giải tích theo phương pháp lý thuyết hay phương pháp số. 1.3.3.4. Phương pháp số Những năm gần đây, phần mềm Plaxis 3D thường được dùng trong mô tả, phân tích hiệu ứng màng và hiệu ứng vòm khi trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu như trong các nghiên cứu của Chai và cộng sự (2017), Kitazume (2017), Manasi Wijerathna (2019), Sujata Fulambarkar (2021) … 1.3.3.5. Tình hình nghiên cứu giải pháp trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT ở Việt Nam Một số nghiên cứu tiêu biểu trong nước về giải pháp hệ nền cọc của các tác giả như Phạm Anh Tuấn và Đỗ Hữu Đạo (2015), Nguyễn Thị Loan (2016), Nguyễn Thái Linh (2021) … Các nghiên cứu về vấn đề sử dụng hệ nền cọc trên còn hạn chế, chủ yếu dựa vào các phương pháp lý thuyết. 1.4. Những vấn đề còn tồn tại và các vấn đề luận án tiếp tục giải quyết Qua tổng hợp các nghiên cứu công bố trong nước và trên thế giới cho thấy: - Giải pháp sử dụng trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu dưới nền đắp dù đã có nhiều nghiên cứu tuy nhiên chưa có sự thống nhất về kết quả cũng như nguyên lý tính toán. Phần lớn các tính toán thường đưa ra các giả thiết đơn giản hóa tham số sử dụng, chưa phản ánh sát thực tế làm việc. Điều này dẫn đến việc phần trụ và lưới chịu tải trọng nhiều hơn thực tế, gây lãng phí trong thiết kế. - Do có các quan điểm khác nhau về vòm đất dẫn tới sự sai khác khá lớn trong cách tính tải trọng truyền xuống trụ, lưới ĐKT và đất yếu giữa các phương pháp, kích thước vòm đất chỉ phụ thuộc vào kích thước mũ trụ, chiều cao đất đắp mà bỏ qua loại đất đắp cũng như tải trọng, độ cứng trụ, phản lực của đất nền giữa trụ. Hiệu ứng màng của lớp lưới ĐKT cũng mới được phân tích chủ yếu qua phương pháp số mà chưa có nhiều đánh giá thực tế và thực nghiệm. 6
- Ở Việt Nam, các kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở nghiên cứu lý thuyết, hoặc mô hình vật lý thu nhỏ trong phòng thí nghiệm. Trụ XMĐ trong các mô hình số và mô hình vật lý mới chỉ xét ở dạng cọc chống, chưa xét tới bài toán với mô hình cọc treo (cọc ma sát). Từ những tồn tại của các nghiên cứu và lý thuyết tính toán hệ trụ XMĐ kết hợp với lưới ĐKT, tác giả luận án lựa chọn các vấn đề nghiên cứu như sau: - Sử dụng phương pháp số để nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu được gia cường trụ XMĐ kết hợp với lưới ĐKT với mô hình cọc treo. - Thí nghiệm hiện trường trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để đánh giá lý thuyết tính toán của phương pháp giải tích, kiểm chứng mô hình số và hiệu chỉnh số liệu đầu vào. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỀ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG HỆ NỀN CỌC GIA CƯỜNG LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT 2.1. Giới thiệu chung Terzaghi là người đưa ra quan điểm hiệu ứng vòm năm 1943, sau đó các tác giả khác cũng lần lượt đánh giá việc phân bố ứng suất dựa trên lý thuyết này như: Duncan (1970), Kramer (1980), Croce (1990), Sampaio (2000) … Hình 2.2. Cơ chế truyền tải hệ GRPS theo Han và Gabr (2002) 7
2.2. Lý thuyết tính toán hệ trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật 2.2.1. Lý thuyết của Terzaghi (1943) Dựa trên các thí nghiệm màn trập, Terzaghi (1936) đề xuất mô hình lý thuyết dựa trên điều kiện biến dạng phẳng hai chiều để mô tả hiện tượng hiệu ứng vòm. 2.2.2. Tính theo tiêu chuẩn BS 8006-1:2010 Tiêu chuẩn Anh BS 8006-1:2010 sử dụng 2 phương pháp để tính cơ chế truyền tải của nền. Các phương pháp này được đề xuất bởi Jones (1990) và Hewlett và Randolph (1988). Những tải trọng không tập trung theo hiệu ứng vòm sẽ được phân bố trên lưới ĐKT tại vị trí giữa các trụ xi măng đất, WT. Tải trọng này được sử dụng để tính toán cường độ chịu kéo của lưới địa kỹ thuật. 2.2.3. Lý thuyết của Guido et al. (1987) Theo Guido, tải trọng lan ra theo một góc tương ứng với đất rời gia cố lưới địa kỹ thuật là 450 theo phương đứng. Bell và cộng sự (1994) sử dụng những nghiên cứu của Guido và cộng sự (1987) cho việc thiết kế nền đường gia cố bằng trụ đá xi măng kết hợp 2 lớp lưới địa kỹ thuật. 2.2.4. Lý thuyết theo tiêu chuẩn Thụy Sĩ Trong phương pháp này, nêm 2 chiều hình tam giác của đất dưới hiệu ứng vòm giữa 2 trụ với góc nội ma sát bằng 300, cơ bản bằng với khoảng cách trụ (s-a), đã được xem xét để xác định ứng suất đứng trên lưới địa kỹ thuật. 2.2.5. Lý thuyết của Collin (2004, 2007) Trong phương pháp này, lưới ĐKT gánh lượng lớn đất có hình dạng như kim tự tháp với góc nghiêng 450, thay vì hình chóp được sử dụng trong mô hình của Guido. Phương pháp này sử dụng tối thiểu 3 lớp lưới ĐKT trong nền đất đắp. 2.2.6. Lý thuyết theo phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.6.1. Lý thuyết về chuyển vị Lý thuyết chuyển vị được nêu trong luận án là lý thuyết chuyển vị của khối đất trong cơ học liên tục, tính liên tục được mô tả theo phương pháp PTHH. Phương trình cân bằng tĩnh học liên tục có dạng như sau: 𝐿𝑇 𝜎 + 𝑝 = 0 (2.18) 8
Theo phương trình cân bằng được xây dựng, ta suy ra được phương trình vi phân không gian bậc hai trong chuyển vị u. Phương trình được xem xét cho một trạng thái thực tế i, ứng suất chưa biết có thể loại bỏ, ta có: ∫ 𝛿𝜀 𝑇 ∆𝜎𝑑𝑉 = ∫ 𝛿𝑢𝑇 𝑝𝑖 𝑑𝑉 + ∫ 𝛿𝑢𝑇 𝑡 𝑖 𝑑𝑆 − ∫ 𝛿𝜀 𝑇 𝜎 𝑖−1 𝑑𝑉 (2.27) 2.2.6.2. Sự rời rạc hóa phần tử hữu hạn Chuyển vị u phần tử thu được từ chuyển vị tại các nút rời rạc trong véc tơ v kết hợp với hàm nội suy trong ma trận N: 𝑢 =𝑁𝑣 (2.28) Mối quan hệ giữa sự gia tăng ứng suất và gia tăng biến dạng luôn luôn không tuyến tính. Do đó sự gia tăng ứng suất không thể tính toán trực tiếp và sẽ dùng phương pháp tính lặp được trình bày trong phần dưới “Quy tắc tính lặp” để tính cho tất cả các điểm. 2.2.6.3. Hàm ẩn tích hợp của mô hình vi phân dẻo Ứng suất gia tăng ∆𝜎 đạt được bởi phép lấy tích phân của ứng suất. Đối với mô hình vi phân dẻo, sự gia tăng ứng suất có thể được viết theo công thức: ∆𝜀 𝑝 ∆𝜎 = 𝐷 𝑒 (∆𝜀 − ∆𝜀 𝑝 ) (2.38) Đối với mô hình hoàn toàn dẻo hoặc mô hình tuyến tính, sự gia tăng của số nhân dẻo có thể viết như sau: 𝜎 𝑡𝑟 𝑖 𝑓(𝜎 𝑡𝑟 ) 𝜕𝑓 𝑒 𝜕𝑔 ∆𝜆 = =0; 𝑑 =( ) 𝐷 ( ) (2.43) 𝑑+ℎ 𝜕𝜎 𝜕𝜎 trong đó: h là một tham số độ cứng, tham số này sẽ bằng 0 cho mô hình hoàn toàn dẻo và không đổi cho mô hình cứng tuyến tính. Trong trường hợp cuối cùng, các trạng thái ứng suất mới có thể viết như sau: 𝑖 𝑖 𝑡𝑟 〈𝑓(𝜎 𝑡𝑟 )〉 𝑒 𝜕𝑔 𝜎 =𝜎 − 𝐷 ( ) (2.44) 𝑑+ℎ 𝜕𝜎 Dấu ngoặc có thể tham khảo Mccauley như sau: 〈𝑥〉 = 0 𝑣ớ𝑖 𝑥 ≤ 0 𝑣à 〈𝑥〉 𝑣ớ𝑖 𝑥 > 0 (2.45) 9
2.2.6.4. Quy tắc tính lặp Thay thế quan hệ giữa gia tăng ứng suất và gia tăng biến dạng ∆𝜎 = 𝑀∆𝜀 vào phương trình cân bằng sẽ có dạng: 𝐾 𝑖 ∆𝜈 𝑖 = 𝑓 𝑖 − 𝑓 𝑖 𝑒𝑥 𝑖𝑛 (2.46) Quy tắc tính lặp có thể được viết như sau: 𝐾𝑗 ∆𝜈 𝑗 = 𝑓 𝑖 − 𝑓 𝑗 (2.47) 𝑒𝑥 𝑖𝑛 Số liệu j tham khảo từ số lặp 𝛿𝜈 là vec tơ chứa chuyển vị gia tăng phụ, đóng góp vào sự gia tăng chuyển vị của bước i: 𝑛 ∆𝜈 = ∑ 𝛿𝜈 𝑖 𝑗 (2.48) 𝑗=1 Ma trận độ cứng 𝐾 được sử dụng trong phương trình () đại diện cho ứng xử của vật liệu trong phương pháp gần đúng. Trong trường hợp này ma trận độ 𝐾 = ∫ 𝐵𝑇 𝐷 𝑒 𝐵𝑑𝑉 (2.49) 2.3. Kết luận chương 2 Giải pháp sử dụng trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu dưới nền đắp dù đã có nhiều nghiên cứu từ thực nghiệm đến lý thuyết, và có một số tiêu chuẩn thiết kế bằng phương pháp tính toán giải tích. Tuy nhiên, chưa có sự thống nhất về kết quả cũng như nguyên lý tính toán. Hạn chế của phương pháp giải tích là đưa ra nhiều giả thiết để đơn giản hóa bài toán (đặc biệt bỏ qua sự làm việc của đất nền), phân tích các thành phần trụ, tải trọng và vật liệu ĐKT riêng rẽ nên không có sự tương tác trong quá trình chịu lực. Để khắc phục các nhược điểm đó, phương pháp số được kiến nghị áp dụng. Phương pháp số chủ yếu là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng khi nghiên cứu hệ trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT phức tạp. Các nghiên cứu bằng phương pháp số đã kể tới được sự làm việc của lớp đất yếu và mối tương tác của đất với các loại kết cấu trong đất, ảnh hưởng này vốn bị bỏ qua trong các phương 10
pháp phân tích giải tích. Plaxis là một trong số phần mềm ĐKT có khả năng phân tích số trên hầu hết các dạng mô hình hình học, kết cấu vật liệu và đất nên được sử dụng phổ biến trong sản xuất và nghiên cứu. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp số phụ thuộc rất lớn vào việc lựa chọn mô hình phân tích, mô phỏng số mô hình bài toán, các điều kiện biên, mô phỏng sự tiếp xúc của vật liệu với kết cấu và đặc biệt là mô hình vật liệu lựa chọn. CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG BẰNG TRỤ XMĐ KẾT HỢP LƯỚI ĐKT 3.1. Giới thiệu chung Ttác giả phân tích ứng xử của nền đường đầu cầu được gia cường bằng hệ trụ XMĐ kết hợp với lưới ĐKT bằng phương pháp giải tích BS 8006-1:2010 và phương pháp số. Mặt khác để quan trắc ngoài hiện trường được chính xác hiệu quả, phương pháp số sử dụng phần mềm Plaxis 3D được dùng để xây dựng mô hình tính toán. Công trình nghiên cứu: tuyến đường chính D1, kết nối đường Nguyễn Văn Linh phía Bắc, lộ giới 25m (lòng đường 14m, vỉa hè 4,5mx2 và dải phân cách 2m) tại khu đô thị Mizuki Park tại xã Bình Hưng, huyện Bình Chánh, Tp. Hồ Chí Minh quy mô 37,4 ha, bao gồm 2 khu, tiếp giáp xung quanh là các kênh, rạch. 3.2. Điều kiện về địa hình, thủy văn Trước đây là vùng đầm lầy và ao hồ, có nhiều rạch xen kẽ, toàn bộ mặt bằng đã được san lấp đến cao độ +2,64m, cao độ mực nước ngầm từ 1,9 – 2,5m. 3.3. Điều kiện về địa chất Chiều sâu hố khoan: 57m. Các thí nghiệm thực hiện: thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT), thí nghiệm cắt cánh (VST); thí nghiệm trong phòng. Mặt cắt địa chất được thể hiện trên hình 3.4. Địa tầng khu vực nghiên cứu được phân chia thành các lớp đất mô tả theo thứ tự từ trên xuống dưới như sau: - Lớp 1: Đất san lấp, chiều dày 3,3m, SPT từ 6 - 7; - Lớp 2: Bùn sét, màu xám xanh, trạng thái chảy, độ sâu từ 3,3m - 31,5m, chiều dày trung bình 29,05m, SPT từ 1 - 6; 11
- Lớp 3: Sét, sét pha, màu xám xanh, xám nâu, trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng, độ sâu từ 31,5 - 39,0m, chiều dày 7,5m; SPT từ 4 - 12; - Lớp 4: Sét pha kẹp cát, màu xám xanh, trạng thái dẻo cứng, độ sâu từ 39,0m - 43,6m, chiều dày 4,6m, SPT là 9; - Lớp 5: không xuất hiện trong hố khoan tại vị trí khảo sát; - Lớp 6: Sét, sét pha, màu nâu đỏ loang xám trắng, trạng thái nửa cứng đến cứng, độ sâu từ 43,6m – 56,6m, chiều dày 13,0m, STP từ 15 – 43. Hình 3.4 Mặt cắt địa chất 3.4. Giải pháp thiết kế Phạm vi xem xét ứng xử của nền đường trên nền gia cường trụ xi măng đất và lưới ĐKT cường độ cao tập trung tại đường đầu cầu số 2. Gia cường nền đất yếu đường đầu cầu bằng trụ XMĐ đường kính D1000, dài 25m, khoảng cách giữa các trụ bằng 2m. Chiều sâu xử lý chưa hết chiều dày lớp đất yếu (lớp 2 - bùn sét), chân trụ còn cách lớp 3 một khoảng bằng 4m. Đỉnh trụ rải 2 lớp lưới ĐKT cường độ cao Paralink loại 600L (Rk=600kN/m) trực giao. Chiều cao đắp tính từ mặt lớp lưới ĐKT khoảng 3,5 - 4m. 3.5. Tính toán theo phương pháp giải tích Sử dụng phương pháp tính toán theo BS8006-1:2010, tính toán tải trọng bản thân của đất nền không truyền lên cọc. - Kiểm tra điều kiện xuất hiện vòm giữa chiều cao nền đắp và khoảng cách trụ: 12
𝐻 = 4,0𝑚 > 0,7(𝑠 − 𝑎) = 0,78𝑚 (3.1) - Hệ số vòm 𝐶𝑐 𝐻 𝐶𝑐 = 1,5 − 0,07 = 7,38 (3.5) 𝑎 - Tải trọng phân bố lên lưới ĐKT (giữa 2 trụ XMĐ) Với 𝐻 = 4,0𝑚 > 1,4(𝑠 − 𝑎) = 1,56 (𝑚) (3.6) 𝑊𝑇 = 44,64 (𝐾𝑁/𝑚) (3.7) Kiểm tra cường độ chịu kéo và độ giãn dài của lưới ĐKT - Chiều cao nền 𝐻 = 4,0𝑚 > 3,0𝑚, do đó được phép sử dụng lưới ĐKT có độ giãn dài tối đa 5% 𝑇𝑟𝑝 = 58,43 (𝐾𝑁/𝑚) (3.9) - Chọn lưới ĐKT Paralink 600L có cường độ tương ứng với độ biến dạng 5%: 𝑇 ′ = 305,0 (𝐾𝑁/𝑚) - Cường độ lưới ĐKT thỏa mãn điền kiện thi công và sử dụng 𝑇 ′ > 𝑇𝑟𝑝 - Kiểm tra ứng suất thẳng đứng trên đỉnh trụ sau khi lắp đặt Paralink: 𝑃𝑐′ = 307,61 (𝐾𝑁/𝑚2 ) (3.13) 𝐹𝑠 = 1,6 > [𝐹𝑠 ] = 1,2 (3.14) Bảng 3.1 Bảng tính toán độ lún tổng thể sau khi xử lý nền (BS8006-1:2010) Thông số Cầu số 1 Cầu số 2 Chiều cao đắp nền (m) 4,34 6,11 Tải trọng do nền đắp (kPa) 89,1 124,1 Lớp truyền tải (lớp đệm đầu cọc) - Chiều dày (m) 0,4 0,4 - Cường độ (kPa)  2.000  2.000 Trụ XMĐ - Chiều dài (m) 23,0 25,0 - Bố trí cọc D.1000@2.000 - Tỷ lệ gia cố (%) 19,63% - Cường độ cọc (kPa) 𝑞𝑢𝑐𝑘 = 500 - Mô đun biến dạng (kPa) 𝐸 = 250. 𝑞𝑢𝑐𝑘 Tổng độ lún S trong vòng 20 năm (cm) 14,35 18,37 13
3.6. Tính toán theo phương pháp số 3.6.1. Các phần mềm hiện nay sử dụng để nghiên cứu ứng xử hệ GRPS 3.6.1.1. Phần mềm Plaxis 3D Được sử dụng rộng rãi cho nghiên cứu hệ nền cọc GRPS, cho phép tạo các mô hình ba chiều, thể hiện chính xác kích thước hình học hệ GRPS phức tạp. 3.6.1.2. Các phần mềm khác: Sigma/W, Abaqus, FLAC3D, MIDAS GTS Các phần mềm này cung cấp các khả năng nâng cao để mô hình hóa tương tác cấu trúc đất phức tạp, ứng xử vật liệu phi tuyến, và điều kiện biên. 3.6.2. Lựa chọn phần mềm để nghiên cứu bài toán Luận án này tập trung nghiên cứu mô hình ĐKT tổng hợp và phân tích tương tác trụ XMĐ và đất nền xung quanh trụ nên ưu tiên lựa chọn Plaxis 3D. 3.6.2.1. Mô hình hoá và điều kiện biên Khi phân tích các bài toán địa kỹ thuật hiện nay với lớp 2 (bùn sét) là đất yếu thông thường sử dụng mô hình Soft Soil. Tuy nhiên với hệ GRPS, độ lún tổng thể nhỏ, tức là biến dạng của nền đất nhỏ nên sử dụng mô hình vật liệu Mohr – Coulomb (đàn hồi - dẻo lý tưởng) cho đất đắp và các lớp đất nền tự nhiên là phù hợp. Trụ XMĐ sử dụng mô hình đàn hồi tuyến tính. Lưới ĐKT được mô phỏng bằng phần tử Geogrid. Tương tác bề mặt giữa trụ XMĐ và đất yếu được mô phỏng thông qua vật liệu tiếp xúc với hệ số suy giảm cường độ Rinter (< 1). Do đó, vật liệu tiếp xúc có cùng mô hình vật liệu với đất – mô hình Mohr – Coulomb. Tuy nhiên, các chỉ tiêu cơ lý bị giảm đi một lượng là Rinter như sau: 𝑡𝑎𝑛𝜑𝑖 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 𝑡𝑎𝑛𝜑 (3.15) 𝑐𝑖 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟 𝑐 (3.16) Mô hình nền đường đầu có chiều rộng hai bên tính từ mép cọc ngoài cùng lớn hơn 3 lần bề rộng xử lý nền bằng trụ XMĐ, chiều sâu đảm bảo lớn hơn phạm vi tính lún đảm bảo điều kiện biên không làm ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất biến dạng của hệ GRPS. Gia tải từng bước tương ứng với chiều cao đắp mỗi giai đoạn là 1m để khảo sát sự thay đổi trạng thái ứng suất biến biến dạng của nền đường được gia cường bằng hệ GRPS. 14
3.6.2.2. Kết quả tính toán Hình 3.9 Chuyển vị nền đường đầu cầu Hình 3.10 Phân bố ứng suất thẳng đứng Hình 3.11 Biểu đồ phân bố ứng suất đỉnh trụ XMĐ và nền 15
Hình 3.12 Lưới phân bố biến dạng của lưới ĐKT Bảng 3.4 Hệ số tập trung ứng suất và lực kéo lưới ĐKT Chiều cao Ứng suất đỉnh Ứng suất đất Hệ số tập Lực kéo trong đắp trụ XMĐ p’c nền giữa các trụ trung ứng suất lưới ĐKT (m) (kPa) XMĐ ’s (kPa) (n=p’c/’s) (kN/m) 1 33,06 15,29 2,16 0,75 2 64,60 26,08 2,48 1,47 3 90,22 34,87 2,59 2,07 4 116,27 43,80 2,65 2,65 4+q 183,49 66,82 2,75 3,99 (q là tải trọng xe quy đổi tính theo TCCS 41:2022, 𝑞 = 16 𝑘𝑃𝑎) Bảng 3.4 cho thấy ứng suất tại phạm vi trụ XMĐ lớn hơn nhiều so với đất nền xung quanh trụ, đặc biệt tại mép trụ. Hệ số tập trung ứng suất tăng dần theo từng bước gia tải, tương ứng lực kéo trong lưới ĐKT cũng tăng lên. 3.7. Kết luận chương 3 Kết quả tính toán cho thấy trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT là giải pháp khả thi để xử lý nền đất yếu đường đầu cầu khi chân trụ nằm trong tầng đất yếu (cọc treo). Kết quả tính toán theo phương pháp giải tích lớn hơn so với phương pháp số do đã sử dụng các giả thiết làm đơn giản hóa bài toán (bỏ qua sự làm việc của đất nền, tải trọng và vật liệu ĐKT riêng rẽ, không có sự tương tác …). Kết quả phân tích số cho thấy có sự tập trung ứng suất tại phạm vi trụ XMĐ, hệ số tập trung ứng suất tăng dần theo từng bước gia tải và tương ứng với sự gia tăng lực kéo trong lưới ĐKT. Lớp lưới ĐKT có tác dụng phân bố áp lực lên đỉnh trụ XMĐ, giảm áp lực truyền xuống đất nền dẫn đến giảm lún lệch trong phạm vi nền gia cường. 16
CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT 4.1. Vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc Tiến hành lắp đặt thiết bị quan trắc áp lực đất, biến dạng của lưới địa kỹ thuật, áp lực nước lỗ rỗng, quan trắc mực nước ngầm, quan trắc lún bề mặt và độ lún theo chiều sâu tại đường đầu cầu bên mố M1 cầu số 2. Thiết bị đo áp lực đất EA1 và EA8 đặt dưới lớp lưới ĐKT, các thiết bị đo áp lực đất còn lại đặt trên lưới. Hình 4.2 Mặt bằng bố trí thiết bị quan trắc 4.2. Các thiết bị thí nghiệm 4.2.1. Thiết bị đo biến dạng lưới ĐKT (strain gage), đầu đo GeoSense Mục đích xác định độ giãn dài của lưới địa kỹ thuật trong quá trình chất tải, kết hợp với các biện pháp quan trắc khác để xác định hiệu ứng vòm do ảnh hưởng của độ cứng lưới ĐKT. Hình 4.5 Lắp đặt thiết bị đo biến dạng lưới ĐKT tại hiện trường Sơ đồ quy trình lắp đặt: 12 cảm biến quan trắc cho 02 vùng, vị trí đo tại tim đường và hàng trụ XMĐ thứ 5 (tính từ mố cầu). 17
4.2.2. Đo áp lực đất, đầu đo GeoSense (Earth Pressure) Mục đích quan trắc tổng áp lực (áp lực đất hữu hiệu) tại vị trí đỉnh trụ xi măng đất, giữa tâm 4 trụ xi măng đất (mô hình 3 chiều), giữa tâm 2 trụ xi măng đất (mô hình 2 chiều) gây ra bởi tĩnh tải và hoạt tải nền đường. Để đảm bảo độ chính xác và tránh rủi ro trong quá trình thi công, 08 thiết bị quan trắc áp lực đất đã được sử dụng. Hình 4.6 Thiết bị đo áp lực đất (Earth Pressure) Sơ đồ quy trình lắp đặt: Vị trí đo tại tim đường và hàng trụ XMĐ thứ 5 (tính từ mố cầu). Lắp đặt 04 cụm tại 02 vùng ở độ sâu 0,5m phía dưới lớp lưới ĐKT theo trình tự. 4.2.3. Các thiết bị quan trắc khác Quan trắc chuyển dịch ngang theo chiều sâu; áp lực nước lỗ rỗng; lún bề mặt; lún sâu; mực nước ngầm. Bảng 4.1 Tổng hợp khối lượng quan trắc Stt Thiết bị Đơn vị Khối lượng Chu kỳ 1 Đo ứng suất lưới ĐKT bộ 12 11 2 Đo áp lực đất bộ 8 2 lần/ ngày 3 Đo áp lực nước lỗ rỗng bộ 4 11 4 Đo lún sâu nhện từ 10 11 chu kỳ 5 Đo lún mặt bộ 12 2 lần/ ngày 6 Đo nghiêng bộ 4 11 chu kỳ 7 Quan trắc mực nước ngầm bộ 2 11 chu kỳ 18