Nghiên cứu gia cường nền đất yếu đường đầu cầu bằng cọc bê tông cốt thép

Bài viết trình bày giải pháp gia cường nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép nhằm khắc phục vấn đề tồn tại trên và áp dụng cho một đoạn đường đầu cầu điển hình. Kết quả nghiên cứu có thể là tài liệu tham khảo cho các công trình có tính chất tương tự.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỜNG ĐẦU CẦU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP Trần Minh Hải1, Trịnh Minh Thụ2, Đỗ Thắng2 Tóm tắt: Nhiều tuyến đường đầu tư hàng nghìn tỉ đồng đưa vào khai thác cắm biển “đoạn đường theo dõi lún”, đặc biệt có đoạn đưa vào khai thác sử dụng gần 10 năm tiếp tục “chờ lún” gây nghi ngại chất lượng cơng trình Trên đoạn đường thường xảy độ lún lệch đáng kể chỗ tiếp giáp đường cầu, chỗ có cống ngang đường gây khó chịu cho hành khách người lái xe giảm tốc độ Bài báo trình bày giải pháp gia cường đất yếu cọc bê tông cốt thép nhằm khắc phục vấn đề tồn áp dụng cho đoạn đường đầu cầu điển hình Kết nghiên cứu tài liệu tham khảo cho cơng trình có tính chất tương tự Từ khóa: Đường đầu cầu, cọc bê tơng cốt thép, đất yếu, chờ lún ĐẶT VẤN ĐỀ Khi tham gia giao thơng khơng khó để bắt gặp biển báo “đoạn đường theo dõi lún”, “đường chờ lún”, “đoạn đường xử lý lún”, Điểm chung dễ nhận thấy cơng trình lún lệch đoạn tiếp giáp đường cầu cống ngang đường (hình 1) Hình Lún phạm vi đường đầu cầu Với tình trạng*mặt đường trên, tuyến đường thường phải lắp thêm biển báo hạn chế tốc độ tối đa cho phép xe lưu thông (thường 60 km/h) Mặc dù thường xuyên tu, sửa chữa, bù vá tình trạng lún tuyến đường xảy ra, đặc biệt số tuyến khai thác 10 năm đường dẫn vào cao tốc TP.HCM - Trung Lương xuất nhiều điểm lún nặng gây Sở Giao thông vận tải tỉnh Hưng Yên Trường Đại học Thủy lợi 74 khó chịu cho hành khách, người lái xe nguy an tồn giao thơng (Ngọc Ẩn, Thu Dung 2019) Lý giải bên có liên quan cho ngun nhân tình trạng giống đoạn đường xây dựng đất yếu Xem xét tiêu chuẩn hành liên quan đến đắp đất yếu Việt Nam (TCVN 4054-2005; 22TCN262-2000; 22TCN211-2006; TCVN 9355-2012, TCVN 11713-2017) thấy yêu cầu độ lún cho phép lại, độ cố kết cần đạt được quy định cụ thể Tuy KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 76 (12/2021) nhiên, với quy định khống chế độ cố kết đạt trước xây dựng kết cấu áo đường 90% độ lún dư cho phép thời gian vận hành bao gồm 10% độ lún cố kết sơ cấp toàn độ lún cố kết thứ cấp Độ lún dư lên đến 30% độ lún sơ cấp xảy thời gian từ 10 đến 20 năm với tốc độ lún dư năm đầu lớn 2cm/năm Khi phân tích số liệu quan trắc cơng trình đường đầu cầu Tân Vũ - Lạch Huyện thu kết đáng ý: đoạn xử lý cơng nghệ cọc cát có độ lún thực tế nhỏ nhiều độ lún dự báo, ngược lại đoạn dùng cơng nghệ bấc thấm có độ lún lớn nhiều độ lún dự báo (Vũ Đình Phụng, Đỗ Thắng, 2016) Do vậy, với tiêu chuẩn hành Việt Nam, vào kết quan trắc lún so sánh với độ lún dự báo để định thời điểm độ lún đạt yêu cầu dẫn đến hậu đưa vào khai thác đường tiếp tục lún Cơng trình đường đầu cầu Tân Vũ - Lạch Huyện việc bố trí bàn đo lún cọc quan trắc chuyển vị ngang áp dụng biện pháp quan trắc đại như: đo áp lực nước lỗ rỗng Piezometer (TCVN 8869-2011), đo chuyển vị ngang theo chiều sâu - Inclinometer Việc đo áp lực nước lỗ rỗng cần thiết để thấy mức độ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng dư tránh kết luận sai lầm vào độ lún lại Tiêu chuẩn thiết kế đường Trung Quốc (JTGD30-2004) quy định quan trắc tháng liên tiếp, tháng độ lún không vượt 5mm, thoả mãn yêu cầu dỡ tải đào đường bắt đầu cho phép rải mặt đường Từ năm 2008, tác giả vận dụng để tính tốn, khảo sát cho nhiều số liệu đầu vào khác nhận thấy quy định thực tế thời gian quan trắc ngắn lại giải vấn đề dự báo độ lún cố kết khơng xác Quy định Bộ Giao thông vận tải đưa vào “Quy định tạm thời hướng dẫn việc theo dõi xử lý đoạn đường ô tô qua vùng đất yếu có chờ lún sau đưa vào khai thác” (Quyết định 1897/QĐBGTVT, 2016) Trước thực trạng đường “chờ lún” nêu trên, Bộ Giao thông vận tải ban hành Quy định tạm thời giải pháp kỹ thuật công nghệ đoạn chuyển tiếp đường cầu (cống) đường ô tô (Quyết định 3095/QĐ-BGTVT, 2013) nhằm đảm bảo êm thuận, an tồn cho cơng trình phương tiện lưu thơng Khi giải pháp tăng nhanh độ cố kết đất yếu khơng khả thi việc gia cường đất yếu cọc bê tơng cốt thép giải pháp thay hiệu GIẢI PHÁP CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG NỀN ĐẤT YẾU 2.1 Ngun lý tính tốn Tiêu chuẩn Anh gia cường đất (BS 8006-1, 2010) đưa mơ hình tính tốn cho đắp đất yếu gia cường cọc bê tông cốt thép kết hợp với lưới địa kỹ thuật (ĐKT) hình Hình Sơ đồ phân bố tải trọng đắp tác dụng lên cọc, lưới ĐKT đất yếu A - Tác dụng lên cọc; B - Tác dụng lên lưới ĐKT; C - Tác dụng lên đất yếu Lớp lưới ĐKT khối đất đắp phía tạo đệm đất đắp đủ cứng để hỗ trợ cho chế truyền tải trọng Sử dụng đất đắp loại tốt tạo tương tác đất cọc tốt Đất đắp có xu hướng di chuyển xuống có mặt tầng đất yếu phía lớp ĐKT làm tăng tải trọng tác dụng lên đài cọc Vai trò lớp lưới ĐKT có tác dụng làm giảm độ lún lệch hai đài cọc Chuyển vị giảm làm giảm ứng suất cắt gây vòm ứng suất đất đắp Do đó, khả truyền tải trọng cách tạo vòm ứng suất giảm Hiện tượng làm giảm khả truyền tải trọng lên đài cọc Tuy nhiên, thành phần lực kéo lớp lưới ĐKT truyền cho đài cọc Cường độ kháng cắt có từ khối đất sau gia cường coi lực dính biểu kiến KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 76 (12/2021) 75 Trong trường hợp lớp đệm gia cường lưới ĐKT đủ cứng khơng xảy lún lệch, không xuất lực kéo lớp lưới, đồng thời khơng có chuyển dịch tương đối đất lớp lưới Ở đây, chế tạo vịm ứng suất đất, lưới ĐKT hay lực dính biểu kiến phát triển Điều dẫn đến tập trung ứng suất lên đài cọc có chênh lệnh độ cứng đài cọc đất 2.2 Tính tốn thiết kế lớp lưới ĐKT Tính tốn thiết kế lớp lưới ĐKT cần xét: ứng suất thẳng đứng lớp lưới ĐKT sau xảy hiệu ứng vòm ứng suất cọc cạnh nhau; lực kéo phát triển lớp lưới ĐKT áp lực thẳng đứng khối đất đắp tạo ra; lực kéo lớp lưới ĐKT phình ngang khối đất đắp - Tải trọng thẳng đứng phân bố tác dụng lên lớp lưới ĐKT nằm đài cọc cạnh WT xác định theo sơ đồ tính hình WT  '  1, 4sf fs   s  a   2  Pc   s  a   '  2 s a  v    - Với 0,7(s – a)  H  1,4(s – a), ta có: ' s f fs H  f q P    Pc  WT   s  a     ' s2  a  v    Nhưng, s2/a2  Pc' / 'v WT = 0;   (1) (2) đó: s – khoảng cách tâm cọc cạnh nhau; a – kích thước đài cọc; P – tải trọng phân bố P’c - ứng suất thẳng đứng đài cọc 'v - ứng suất thẳng đứng trung bình hiệu chỉnh khối đất đắp 'v  ffs H  f q P ffs – hệ số tải trọng riêng trọng lượng đơn vị đất, lấy =1 fq – hệ số tải trọng riêng tải trọng tác dụng ngoài, lấy =1  - trọng lượng đơn vị đất H – chiều cao đất đắp Vì khác biệt đáng kể đặc điểm biến dạng cọc đất yếu xung quanh nên phân bố ứng suất thẳng đứng đáy đắp không đồng Tỷ số ứng suất thẳng đứng tác dụng đài cọc với ứng suất thẳng đứng trung bình đáy khối đất đắp ( Pc' / 'v ) tính cách sử dụng công thức Marston cho ống cứng tuyệt đối sau: Hình Sơ đồ xác định tải trọng đứng WT Tải trọng thẳng đứng cho phép điều kiện cần để tải trọng khối đất đắp truyền lên đài cọc đảm bảo cho không xảy lún lệch cục bề mặt đắp (nơi xảy đắp mỏng) Điều nhấn mạnh rằng, tương quan chiều cao đắp khoảng cách đài cọc ln phải trì cho H  0,  s  a  - Với H > 1,4(s – a), ta có: 76 C a Pc'  'v  s  (3)  H  Tiêu chuẩn BS 8006-01:2010 đưa công thức thực nghiệm cho vòm ứng suất sau: H Cs  1, 95  0,18 cho cọc chống (không a biến dạng) H Cs  1,5  0, 07 cho cọc ma sát (cọc a treo) cọc khác Dựa phương trình trên, hệ số giảm ứng suất tính: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 76 (12/2021) '    Pc  (4) s  a   '  s  a  H   v  - Lực kéo lớp lưới ĐKT tải trọng thẳng đứng phân bố gây ra, Trp, mét dài kết tải trọng phân bố WT tính sau: SRR 3D1H  s2  a  W s  a  1 (5) T  T 1  T  1 SRR 3D  rpl 2a 2,8s 6 rpl 4a 6a đó: Trp – lực kéo lớp lưới ĐKT  - biến dạng lớp lưới ĐKT - Lực kéo lớp lưới trượt ngang gây ra, Tds (hình 4) Các lớp lưới ĐKT có khả chống lại lực ngang cho trượt gây Lực kéo tạo biến dạng tương ứng với chuyển vị ngang cho phép cọc Hình Sơ đồ tính lực kéo lớp lưới lực trượt ngang gây Tds Lực kéo cần thiết lớp ĐKT, Tds, để chống lại lực đẩy ngang phía ngồi khối đất đắp xác định theo công thức sau: Tds  0,5k a  H  H (6) đó: k a  tg  45   /  - hệ số áp lực đất chủ động  - trọng lượng đơn vị đất đắp H – chiều cao khối đất đắp 2.3 Tính tốn thiết kế cọc Khi cọc bố trí theo sơ đồ hình vuông, khoảng cách cọc, s dựa mặt phẳng lún tính sau: s Qp (7) f fs H  f q P đó: Qp - khả chịu tải cọc nhóm 2.4 Ổn định tổng thể Về vấn đề ổn định tổng thể đắp đất yếu gia cường cọc bê tông cốt thép tính tốn theo phương pháp cân giới hạn Ngồi ra, tính tốn đưa thêm sức kháng cắt cọc lực kéo lớp lưới ĐKT ÁP DỤNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐƯỜNG ĐẦU CẦU GIA CƯỜNG BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP 3.1 Số liệu tính tốn Đoạn đường đầu cầu có bề rộng đường B=9m; chiều cao đất đắp H=4,5m; độ dốc taluy 1/1,5 Vật liệu đắp sử dụng cát có dung trọng sau đầm nén   19 kN/m3, góc nội ma sát   30  Địa tầng gồm lớp đất theo thứ tự từ xuống sau: - Lớp 1: Bùn sét nằm bề mặt dày trung bình 22m; - Lớp 2: Sét pha dẻo mềm nằm lớp có chiều dày trung bình 5m; - Lớp 3: Sét nửa cứng đến cứng nằm lớp dày 10m (chưa kết thúc đáy hố khoan) Một số tiêu lý đất tổng hợp bảng Bảng Một số tiêu lý đất STT Các tiêu lý Dung trọng tự nhiên Hệ số rỗng Chỉ số dẻo Lực dính đơn vị Góc nội ma sát Sức kháng cắt cánh Ký hiệu w e Ip c  Su KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 76 (12/2021) Đơn vị g/cm3 % kPa độ kPa Lớp 16,5 1,52 19,1 5,8 6022’ 12 Lớp 1,94 0,625 10,6 18,4 15042’ 27 Lớp 19,7 30,5 21042’ 77 STT 10 Các tiêu lý Áp lực tiền cố kết Chỉ số nén Chỉ số nở Hệ số cố kết Ký hiệu p Cc Cr Cv 3.2 Tính tốn thiết kế Nền đất yếu gia cường cọc bê tơng ly tâm dự ứng lực có đường kính D300 dài 28m (mũi cọc cắm vào lớp đất sét nửa cứng đến cứng sâu 1m), sức chịu tải cọc Qp = 400kN, bố trí theo mạng vng, khoảng cách từ tâm đến tâm hai cọc cạnh dự kiến s=2m Đài cọc tiết diện vuông cạnh a=1m, dày 0,3m a Tính tốn lưới ĐKT - Hệ số vịm tính tốn sau: Đơn vị kPa 10-3cm2/s Lớp 79 0,48 0,023 1,59 Lớp 139 0,11 0,025 2,91 Lớp H  4,5  Cc  1,95    0,18  1,95    0,18  8,59 a   - Ứng suất thẳng đứng trung bình hiệu chỉnh đáy khối đất đắp: 'v  H  19  4,5  85, kPa đó:  - Trọng lượng đơn vị đất H – Chiều cao đất đắp - Ứng suất thẳng đứng đài cọc, P’c : 2 C a  8, 59   Pc'   v'  c   85,     311,55 kPa H    4.5  - Hệ số giảm ứng suất, SRR3D SRR 3D  '  2,8s  2,8   2  311,55    Pc  s  a   '   2 1     0, 049 (s  a) H   85,5     v     1  4.5  - Đối với H=4,5m > 1,4(2 - 1) = 1,4m, ta có tải trọng thẳng đứng phân bố tác dụng lên lớp lưới ĐKT nằm đài cọc cạnh WT : 1, 4s  s  a   2  Pc'   1,   19    1  2  311,55   WT  s  a  '    2      6,32 kN/m 2 s2  a    85,5   v    - Lực kéo lớp lưới ĐKT, Trpl, tải trọng thẳng đứng phân bố gây ra: SRR 3D1H s  a Trpl  1 4a 6 a  Trpl   0, 049 19  4,5   22  12  1 1  3,39 kN/m  0, 06 - Lực kéo lớp cốt, Tds, trượt ngang gây ra: Tds  0,5k a  H  H đó: ka – hệ số áp lực đất chủ động,  30    k a  tg  45    tg  45    0,333 2 2    Tds  0,5  0,333 19  4,5  4,5  64,06 kN/m - Tổng lực kéo lớp lưới ĐKT dọc theo chiều rộng, Trp-wl, tính: Trpwl  Trpl  Tds  3,39  64,06  67,45 kN/m 78  Chọn lưới ĐKT có cường độ chịu kéo Rk=200kN/m đảm bảo hệ số an toàn lớn b Tính tốn thiết kế cọc Do cọc bố trí theo sơ đồ hình vng nên khoảng cách tối đa cọc tính sau: Qp 400 s   2,16m  2m H 19  4,5  Chọn khoảng cách cọc s = 2m dự kiến ban đầu phù hợp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 76 (12/2021) c Kiểm toán ổn định tổng thể Theo tiêu chuẩn 22TCN 262:2000 - Quy trình khảo sát thiết kế đường ô tô đắp đất yếu Khi sử dụng phương pháp Bishop, hệ số an toàn ổn định tối thiểu [Kmin] = 1,40 Để đơn giản tính toán, sử dụng phần mềm GEOSTUDIO/SLOPE/W Canada Kết tính tốn thể hình Hình Kết kiểm toán ổn định tổng thể Ta thấy Kmin=1,865 > [Kmin]=1,4 (với phương pháp Bishop) → Nền đường đảm bảo ổn định KẾT LUẬN Từ kết phân tích, tính tốn thấy giải pháp xử lý đất yếu cách tăng nhanh độ cố kết khơng khả thi việc gia cường nền đất yếu cọc bê tông cốt thép lựa chọn mang lại hiệu Thời gian thi cơng nhanh, chất lượng cọc kiểm sốt, hệ cọc bê tông cốt thép xuyên qua đất yếu, truyền tải trọng đắp, hoạt tải xuống lớp đất tốt phía nên giải vấn đề lún kéo dài Trên giới, giải pháp kết hợp cọc bê tông cốt thép với lưới ĐKT gia cường đất yếu ứng dụng rộng rãi nhiều cơng trình thực tế Tuy nhiên, nước ta nghiên cứu ứng dụng giải pháp công nghệ hạn chế chưa ban hành tiêu chuẩn nên việc tính tốn thiết kế thi cơng nghiệm thu cịn chưa thống Việc lựa chọn mơ hình tính tốn cần nghiên cứu lý thuyết cách toàn diện kiểm chứng với cơng trình thực tế thi cơng để hiệu chỉnh cho phù hợp với điều kiện Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Ngọc Ẩn, Thu Dung (2019), Đường ngàn tỉ mà 'chờ lún' miết, Tuổi trẻ online https://tuoitre.vn/duongngan-ti-ma-cho-lun-miet-2019092908091529.htm 22TCN 262-2000, Quy trình khảo sát thiết kế đường tơ đắp đất yếu - Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN211-06, Áo đường mềm - Các yêu cầu dẫn thiết kế TCVN 9355:2012, Gia cố đất yếu bấc thấm thoát nước TCVN 11713:2017, Gia cố đất yếu giếng cát - Thi công nghiệm thu Vũ Đình Phụng, Đỗ Thắng (2016), Báo cáo đánh giá kết quan trắc xử lý đất yếu Dự án xây dựng sở hạ tầng cảng Lạch Huyện (Hợp phần cầu đường) TCVN 8869:2011, Quy trình đo áp lực nước lỗ rỗng đất JTG D30-2004, Quy trình thiết kế đường - Bộ Giao thông nước CHND Trung Hoa ban hành Quyết định 1897/QĐ-BGTVT ngày 20 tháng năm 2016, Quy định tạm thời hướng dẫn việc theo dõi xử lý đoạn đường ô tô qua vùng đất yếu có chờ lún sau đưa vào khai thác Quyết định 3095/QĐ-BGTVT ngày 07 tháng 10 năm 2013, Quy định tạm thời giải pháp kỹ thuật công nghệ đoạn chuyển tiếp đường cầu (cống) đường ô tô Nguyễn Ngọc Bích, Nguyễn Viết Minh (2016), Các kỹ thuật cải tạo bảo vệ môi trường đất xây dựng, Nhà xuất Xây dựng BS 8006-1:2010, Code of practice for strengthened/reinforced soils and other fills, British Standard KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 76 (12/2021) 79 Abstract: RESEARCH ON STRENGTHENING SOFT FOUNDATION OF BRIDGEHEAD ROAD BY REINFORCED CONCRETE PILES Many roads that have been invested with thousands of billions of Vietnams dong when put into operation still have the sign "the road is monitoring subsidence", especially a section that has been put into operation for nearly ten years and continues to "wait for subsidence," causing problems doubts about the quality of the work There is often a substantial settlement deviation on these road sections at the contiguous position between the road and the bridge or where there is a culvert across the road This causes discomfort for passengers and drivers despite slowing down This paper presents a solution to strengthen the soft foundation with reinforced concrete piles to overcome the existing problem and apply it to a typical bridgehead road segment Research results can be used as references for similar works Keywords: Bridgehead Road, reinforced concrete piles, soft foundation, wait for subsidence Ngày nhận bài: 20/12/2021 Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2021 80 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 76 (12/2021) ... khơng khả thi việc gia cường đất yếu cọc bê tơng cốt thép giải pháp thay hiệu GIẢI PHÁP CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG NỀN ĐẤT YẾU 2.1 Ngun lý tính tốn Tiêu chuẩn Anh gia cường đất (BS 8006-1, 2010)... lưới ĐKT ÁP DỤNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐƯỜNG ĐẦU CẦU GIA CƯỜNG BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP 3.1 Số liệu tính tốn Đoạn đường đầu cầu có bề rộng đường B=9m; chiều cao đất đắp H=4,5m; độ dốc taluy 1/1,5... Bishop) → Nền đường đảm bảo ổn định KẾT LUẬN Từ kết phân tích, tính tốn thấy giải pháp xử lý đất yếu cách tăng nhanh độ cố kết khơng khả thi việc gia cường nền đất yếu cọc bê tông cốt thép lựa