0039 xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc thí nghiệm hiện trường trong giải pháp xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM - SỐ (1) 2013 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT ĐẦU CỌC THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG TRONG GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT Ngày nhận bài: 01/07/2013 Ngày nhận lại: 23/07/2013 Ngày duyệt đăng: 26/08/2013 Võ Phán1 Nguyễn Tuấn Phương2 TÓM TẮT Giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật trở nên phổ biến ứng dụng rộng rãi hiệu giải pháp thiết thực Tuy nhiên việc thiết kế giải pháp xử lý dựa vào kết phân từ phương pháp phần tử hữu hạn mà chưa có kiểm chứng thực tế Bài báo đưa kết kiểm chứng thực tế hệ số tập trung ứng suất đầu cọc để từ đánh giá hiệu giải pháp xử lý cơng trình xây dựng, giúp người thiết kế thiết kế an tồn tiết kiệm Từ khóa: Gia cường vải địa kỹ thuật, Cung vịm, Cơng trình đắp ABSTRACT Soft soil improvement by geosynthetic and concrete pile systems is an interesting and more popular technique on condition that this solution is practical However when design this soft ground treatment solution only base on the result finite element analysis, which don’t retest The main content of the paper is present the ratio of the vertical stress on top the cap pile so that evaluate effective of the soft ground treatment solution, which can help designer calculate more safety and economic Keywords: Geosynthetic reinforced, Arching, Embankment ĐẶT VẤN ĐỀ Đồng sơng Cửu Long có kiến tạo địa chất trẻ, 90% diện tích đất mặt yếu Sự phát triển kinh tế vùng năm gần thúc đẩy hội nhập công nghệ xây dựng để đáp ứng nhu cầu kinh tế Với Chủ trương phát triển sở hạ tầng cho khu vực nhiều cơng trình giao thơng, đê đặp, kho xưởng xây dựng Tuy nhiên việc xây dựng cơng trình đất yếu thường phải đối mặt với nhiều vấn đề lún ổn định, bù lún Để giải vấn đề thông thường thay đất yếu bù lún Vì nguồn tài nguyên có giới hạn khơng tái tạo, nên với hội nhập công nghệ, khoa học kỹ thuật năm gần có nhiều giải pháp để xử lý vấn TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP.HCM - SỐ (1) 2013 đề Một giải pháp xử lý hiệu ứng dụng nhiều giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép (BTCT) kết hợp với vải địa kỹ thuật Tuy nhiên việc thiết kế thi cơng cịn nhiều hạn chế Do số cơng trình triển khai thi cơng chưa đạt hiệu tính tốn, số có Metro Hưng Lợi Thành phố Cần Thơ, PGS.TS, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Trường Đại học Tiền Giang Nhà điều hành xe Phương Trang huyện Cái Bè tỉnh Tiền Giang, kho cảng biển Duyên Hải tỉnh Trà Vinh,… Nguyên nhân thiết kế chủ yếu dựa phân tích từ mơ hình tính phương pháp phần tử hữu hạn mà chưa kiểm chứng kết thí nghiệm trường để từ định giải pháp thiết kế Việc “Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc từ thí nghiệm trường giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật” để đánh giá hiệu giải pháp cơng trình xây dựng, giúp người thiết kế thiết kế an tồn tiết kiệm Hình Biểu đồ phân bố ứng suất đất đắp cửa sập theo Terzaghi [6] CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết hiệu ứng vòm 2.1.1 Theo Terzaghi Theo Terzaghi (1943) phát hiện tượng cung vòm đất thơng qua hình ảnh cung vịm từ cửa sập Ơng xây dựng mơ hình Phương trình viết Hình mơ dσ * S hình =γ * z K tan (4 ) ϕ') Sdz − 2(C' + σ dz phân tích cung vịm Terzag hi [13] Phươn g trình vi phân  dσ  γ 2K * tan ϕ C '  z  = d z −  σz  σz dz − d z ( ) s *σ s Giải phươn g trình vi phân S *( γ − 2C' / S )  σ−2 K tanϕ '   z s  + p *e z −2 K tan ϕ' sập dịc s Phương trình cân ứng suất z  2*  (6) K* tan ϕ' (σ z + dσ z )* S − σ z * S + 2τ xzdz − dG = (1) Với σz: ứng suất đứng τxz: ứng suất cắt mặt xz S: chiều rộng cửa sập G: trọn g lượn g Theo kết thực nghiệm Terzaghi xác định K =1 Giải phương trình tìm mức độ gia tăng ứng suất đứng hai bệ móng So sánh ứng suất đứng hai bệ móng mức độ gia tăng ứng suất đứng đất Để tạo cung vòm mức độ gia tăng ứng suất phải thấp nhiều so với mức độ gia tăng ứng suất đứng bệ móng đất T h e o M o h r C o u l o m b ứ n g s u ấ t c ắ t p h cửa γ: h o i dun g trọn g τ = C ' + σ tan ϕ ' (3) xz đất Phương trình tương đương dσ z * ( S=γ * Sdz − ) 2τ xzdz chuyển V i Hình 3a),b) Đường ứng suất cắt cửa C ’ v nhỏ theo Terzaghi [13] h φ ’ l l ự c d í n h v g ó c m a s t t r o n g c ủ a đ ấ t k h i p h o i Ứ n g s u ấ t n g a n g σx = σz*K với K: hệ số áp lực ngang a) b) 2.1.2 Theo Nordic Guideline Phương pháp Nordic Guideline phân tích cung vịm đất theo dạng hình nêm đề nghị Carlsson (1987), theo phương pháp góc tạo thành cung vịm 300 hình [4] Hình Hình nêm khối đất a) theo 2D; b) theo 3D đề nghị Carlsson [4] Trọng lượng khối đất theo 2D tính sau W = ( b − (7) a )2 γ t a n với a: bề rộng cọc; b: khoảng cách cọc tính từ tim; γ: dung trọng đất đắp Theo Svant (2000) đưa phương pháp tính khối đất 3D γW =  2a b H − a    (a + H tan β ) − tan β  (8)   với a: bề rộng cọc; b: khoảng cách cọc tính từ tim; γ: dung trọng đất đắp; H: chiều cao khối đất đắp; β: độ dốc mặt nêm 2.1.3 Theo Viện tiêu chuẩn Anh (1995) Phát triển Jones (1990) dựa nghiên cứu Marston Anderson (1913) cung vịm đỉnh nhóm cọc hình Hình Bán cầu theo Viện tiêu chuẩn Anh [1] Phân tích cung vịm dựa tỷ số ứng suất đứng đỉnh cọc ứng suất đứng đất yếu, P’ /σ c v  Ca ' ' P =δ  c   (9) 2.2 Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc Sự truyền tải trọng thân tải c v  HC : Trong đó: c Hệ số cung vịm Cc =1.95(H/a) - 0.18 cho cọc chống (khơng chịu uốn) trọng lên đầu cọc đất yếu bên thông qua lớp vải địa kỹ thuật hình Cc = 1.5(H/a) - 0.07 cho cọc treo cọc khác (thơng thường) Hình Sự truyền tải (trọng lượng thân, tải trọng ngoài) lên vải đất [6] Vải địa k thuật 2.2.1 Theo Mc.Nult y Kempto n Theo Mc.Nulty (1965) Kempton (1998) hệ số tập trung ứng suất phụ thuộc vào biểu thức sau: σ Với c : ứng suất đứng phân bố đầu cọc σs : ứng suất đứng phân bố đất hai cọc 2.2.3 Theo Schimidt ρ= Pb γ H + q0 vải P (10) Áp lực đứng trung bình phân bố lên b T he o Sc hi mi dt (20 04) đá nh cσ đ ọc ấ c ứt n g s đ uắ ất p đ ứ nH g: LKF Q p = h σ = â C c * Ac nh b ối tr ề ê u n đ (12) ầ c ua giá hệ số tập trung ứng suất thông qua biểu thức sau: T ải trọng trung bình phân bố đắp q Lự c că ng vải T γ : K hi ρ = 0: Xuất cung vịm hồn chỉnh K hi ρ = ện cung vòm Trọng lượng thân đất γ 2.2.2 1: đ n h g i h ệ s ố t ậ p T r ọ n g l đ ấ t đ ă p A ợ : c nT g b ả K n hô t ng h xu â Theo ất Han hi (2003) o n iết diện ngang cọc trung ứng suất thông qua biểu thức sau: n= σc σs ( 1 ) T i trọng ả trọng lượng thân đất đắp truyền xuống đất yếu bên thông qua lớp vải địa kỹ thuật Trên vải địa kỹ thuật có phân bố lại ứng suất Dưới tác dụng tải trọng (tải trọng trọng lượng thân) làm cho khối đất di chuyển xuống cản trở sức kháng cắt τ (sức kháng cắt hạt đất không di chuyển (trên đầu cọc) hạt đất di chuyển nhiều (ở cọc) Sức kháng cắt làm giảm áp lực đứng lớp đất đắp gia tăng tải trọng cọc, gia tăng ứng suất đầu cọc hay gọi tập trung ứng suất đầu cọc Lớp vải địa kỹ thuật phân bố lại ứng suất làm giảm ứng suất tác dụng lên đất yếu Lượng ứng suất giảm tập trung lên đầu cọc làm giảm bớt lún đất hai cọc Sự giảm chuyển vị khối đất hai cọc ứng suất cắt τ khối đất hai cọc khối đất đầu cọc Tải trọng đứng đắp chuyển tiếp phần đầu cọc Trong trường hợp mặt phẳng vải địa kỹ thuật hồn tồn phẳng, khơng có độ lún khác nhau, khơng có chuyển vị đất khối đất đắp bên trên, cung vịm đất, ứng suất kéo tải trọng ngồi tác dụng lên đất yếu phát triển Trong trường hợp việc tập trung ứng suất đầu cọc có tương quan độ cứng vật liệu làm cọc độ cứng đất yếu bên 3.MƠ HÌNH TÍNH Mơ hình xử lý đường cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật khối đắp chịu tải phân bố khắp mơ tả hình Hình Mơ hình đắp cọc kết hợp vải địa kỹ thuật [4],[6] Sự hình thành cum vịm lớp cát đất đắp thông qua ảnh hưởng hiệu ứng màng vải địa kỹ thuật thể hình Hình Sự hình thành cung vịm [4],[6] 3.1.Khả kéo căng vải gia tải 3.1.1 Theo Tiêu chuẩn Anh BS 8006 (1995) Theo Tiêu chuẩn BS 8006 (1995) tính toán khả kéo căng vải đầu cọc tính tốn dựa ngun lý Trp = σs(s-a)Ω σs: Ứng suất đất đắp gây vải Ω: Hệ số không thứ nguyên liên quan đến biến dạng lệch vải s: Khoảng cách hai cọc a: Kích thước cạnh cọc truyền tải trọng đất (s − a)  đắp tải trọng   + ngồi lên vải thơng qua y gối đỡ (đầu Ω= cọc)  c ô n g th ứ c (1 3) 1 6  (s − a) 2y  W (s − a) T Độ võng vải [1] (13) = T rp y: 3.1.2 Theo Zaeske (2001) a Trp: Lực kéo vải 1m WT: Tải thẳng đứng phân bố vải cọc ε: Biến dạng dài (%) vải địa kỹ thuật Phương trình: Kempfer (2002) Theo Zaeske Kempfer sơ đồ hóa cung vịm đầu cọc dựa kết thí nghiệm mơ hình Zaeske (2001) tác giả thiết lập phương trình vi phân đường ứng suất hình Hình Thiết lập phương trình vi phân đường ứng suất [6] (18) Phương trình vi phân biểu diễn trạng thái cân ứng suất: − ()dA σσ +dAdσ+ z − 4σ dA sin u zz  δ ϕm  + γ dV = (14) ϕ s     Trong đó: d= A(rδ u ϕ (15) )2 dA = (r + dr) (δ +2 dδ )2 = 2dδ r2.δ + 2dr.r.δ + r2.δ ϕ ϕ ϕ ϕ d (r + + ϕ ).dz A= 1 = s dr) dz.r (δ d δ ϕ 2δ ϕ dV = (r + + dr)2.(δ ϕ 2 dδ ϕ ϕ (16) (17) )2.dz = dz.r dδ ϕ ϕ Phương trình vi phân biểu diễn lực kéo căng vải d z C-x q dx = H + (19) 2.i j Với H = ∫ 1+ (z i ) ( 2.∫ ) dx + ∫ w 1+ (z 1+ (z i Trong α x  dx + ∫  (20)  p 2 1+ (z ) dx i  -α x β ( x) +A e =A e W W , 2,W α  ' x z ( x) = α A e W  W A e W W  W W 1, 2,  z W W p j ) ) dx - l Lực kéo vải gia tải - W αW -α x  0≤ x≤i (21)  S( x) = ε (x) / J MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 4.1 Mơ hình thí nghiệm trường Mơ hình tỷ lệ thực 1:1 xây dựng tọa lạc Quốc lộ 60 địa bàn xã Tân Thạch huyện Châu Thành tỉnh Bến Tre Mơ hình xây dựng với 16 cọc = H 1 z'2  x [6] (22) bê tơng cốt thép có B.20, chiều dài cọc L = 14m gồm 02 mô đun mô đun 7m.Vải địa kỹ thuật loại dệt cường độ cao khả chịu kéo đạt 100 kN/m độ giãn dài tối đa đạt 10% Cát đắp cát hạt to Cát đắp gia tải cát mịn, chiều cao đắp đạt 4m hình 10,11 Hình 10 Mặt cắt mơ hình thí nghiệm thực trường Hình 11 Mặt mơ hình thí nghiệm thực trường 4.1.1 Thí nghiệm mẫu đất phịng Khu đất làm mơ hình thí nghiệm khoan lấy mẫu thí nghiệm phịng để xác định thơng số đất cần thiết Kết thí nghiệm mẫu phịng thí nghiệm Rectie Trường đại học Bách Khoa Tp.HCM thể hình 12, 13, 14, 15 Hình 12 thí nghiệm nén trục mẫu bùn sét độ sâu -4.4m theo sơ đồ UU Hình 13 Thí nghiệm nén trục mẫu bùn sét độ sâu -14.0 m theo sơ đồ UU Thí nghiệm trục mẫu bùn theo sơ đồ CU Hình 14 Thí nghiệm nén trục mẫu bùn sét độ sâu -6.0 m theo sơ đồ CU Hình 15 Thí nghiệm nén trục mẫu bùn sét độ sâu -6.0 m theo sơ đồ CU 4.2.2 Nguyên lý làm việc thiết bị đo ứng suất, đo áp lực nước lỗ rỗng Ứng dụng lý thuyết biến dạng mỏng chịu áp lực phân bố hình 16 Hình 16 Tấm kim lại mỏng chịu tải phân bố Dưới tác dụng áp lực, kim loại mỏng biến dạng đàn hồi, làm thay đổi điện trở cảm biến dán dính kim loại Từ biến đổi điện trở cảm biến, cường độ dòng điện qua cảm biến thay đổi Bằng thiết bị đo, ghi nhận biến đổi dịng điện theo áp lực tác dụng lên mỏng Vật liệu dùng chế tạo cảm biến vật liệu dẫn điện, có quan hệ biến dạng điện trở biểu qua tỷ số biến thiên tương đối điện trở với biến thiên tương đối chiều dài cảm biến gọi hệ số cảm biến (gauge factor) R= rl A Với R: Điện trở ρ: Điện trở suất l: Chiều dài vật dẫn điện A: Diện tích tiết diện dẫn điện GF = dR / R dL / L Với GF: Hệ số cảm biến dR : Độ biến thiên cảm biến R : Điện trở dL : Độ biến thiên chiều dài L : Chiều dài Việc chế tạo thiết bị đo kiểm chứng mức độ xác phịng thí nghiệm học Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, nơi mà trước thực chế tạo thiết bị đáng tin cậy thành công cho việc nghiên cứu nhiều nghiên cứu sinh nước 4.2 Kết mơ hình thí nghiệm trường 4.2.1 Đo ứng suất phân bố Vị trí đặt thiết bị đo ứng suất thể hình 17a),b) Hình 17a),b) Vị trí đặt thiết bị đo mơ hình Các đầu đo ứng suất mơ hình thí nghiệm đặt vị trí nhằm thu thập giá trị ứng suất điểm để phân tích ảnh hưởng hiệu ứng vịm giải pháp thiết kế xử lý Các thiết bị đặt tắm đệm phẳng nhằm tránh lệch thiết bị q trình thí nghiệm Ps7 đầu đo áp lực nước lỗ rỗng đặt khoảng cách 02 cọc Ps3 đầu đo áp lực nước lỗ rỗng đặt tâm 04 cọc Ps9 đầu đo ứng suất đặt đầu cọc lớp vải địa kỹ thuật Ps1 đầu đo ứng suất đặt 02 cọc lớp vải địa kỹ thuật Ps4 đầu đo ứng suất đặt đầu cọc đo ứng suất đứng theo phương ngang Ps8 đầu đo ứng suất đặt cách cọc ¼ khoảng cách cọc lớp vải địa kỹ thuật Ps10 đầu đo ứng suất đặt đầu cọc lớp vải địa kỹ thuật Ps14 đầu đo ứng suất đặt lớp cát đắp cách đầu cọc 0.4m theo phương đứng Ps11 đầu đo ứng suất đặt lớp cát đắp cách đầu cọc 0.8m theo phương đứng Ps6 đầu đo ứng suất đặt lớp cát đắp cách đầu cọc 1.2m theo phương đứng Ps2 đầu đo ứng suất đặt lớp cát đắp cách đầu cọc 1.6m theo phương đứng Kết đo cấp tải trọng (đất đắp gia tải 24kN/m2 ) thể bảng Bảng tính giá trị ứng suất điểm đo (kN/m2) Bảng Tính giá trị ứng suất điểm đo (kN/m2) TẠ Ngày ghi số liệu Giờ Ps7 Ps3 Ps9 Ps1 Ps4 Ps8 Ps10 Ps14 Ps11 Ps6 Ps2 4/29/2013 13:32:50 0 0 0 0 0 4/29/2013 13:43:07 to 13:46:37 0.64 0.64 8.749 0.275 0.053 0.618 1.184 1.485 0.608 1.323 1.519 4/29/2013 13:47:07 to 13:51:07 0.917 0.353 16.481 0.737 0.488 1.691 1.89 2.09 0.959 1.457 2.08 OA 4/29/2013 13:51:37 to 13:55:37 1.009 0.434 21.3 1.109 0.942 2.87 2.816 2.804 1.321 1.728 2.367 H 4/29/2013 13:56:07 to 13:59:37 1.101 0.515 25.046 1.389 0.544 3.881 3.549 3.318 1.543 1.728 2.954 Ọ 4/29/2013 14:00:07 to 14:03:37 1.101 0.557 28.384 1.765 1.598 4.906 4.187 3.629 1.618 1.934 3.557 C 4/29/2013 14:04:07 to14:08:07 1.194 0.557 32.877 2.143 2.099 6.133 5.16 4.361 2.076 2.004 4.098 TR 4/29/2013 14:08:37 to 14:12:07 1.194 0.598 35.862 2.619 2.486 7.474 6.153 5.101 2.231 2.214 4.653 Ư 4/29/2013 14:12:37 to 14:16:37 1.286 0.724 41.161 3.195 3.02 8.837 7.278 5.958 2.708 2.356 4.975 4/29/2013 14:17:07 to 14:21:07 1.658 0.851 47.818 3.678 3.504 10.819 8.894 6.934 3.034 2.428 4.894 4/29/2013 14:21:37 to 14:25:07 1.658 0.766 52.909 4.264 30.89 11.523 9.246 6.934 2.789 2.428 5.302 4/29/2013 14:25:37 to 14:29:37 1.565 0.682 58.145 4.166 3.364 12.231 10.196 7.373 4.315 2.717 5.633 I 4/29/2013 14:30:07 to14:33:37 1.751 0.808 64.491 4.657 3.858 13.459 11.162 7.925 4.493 2.79 5.968 H 4/29/2013 14:55:38 to 14:55:38 1.751 0.64 87.57 5.749 5.118 15.96 13.642 9.154 4.582 3.085 6.479 Ọ 4/29/2013 14:03:27 to 14:07:26 1.751 0.557 94.801 5.95 5.273 16.807 14.405 9.834 5.036 3.085 6.565 C P CH Í KH Ờ N G ĐẠ M Ở TP 12 ... pháp phần tử hữu hạn mà chưa kiểm chứng kết thí nghiệm trường để từ định giải pháp thiết kế Việc ? ?Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc từ thí nghiệm trường giải pháp xử lý cọc bê tông cốt. .. triển Trong trường hợp việc tập trung ứng suất đầu cọc có tương quan độ cứng vật liệu làm cọc độ cứng đất yếu bên 3.MƠ HÌNH TÍNH Mơ hình xử lý đường cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật. .. cọc Ps3 đầu đo áp lực nước lỗ rỗng đặt tâm 04 cọc Ps9 đầu đo ứng suất đặt đầu cọc lớp vải địa kỹ thuật Ps1 đầu đo ứng suất đặt 02 cọc lớp vải địa kỹ thuật Ps4 đầu đo ứng suất đặt đầu cọc đo ứng