ĐặT VấN Đề Cọc xi măng đất là loại cọc được thi công theo phương pháp trộn sâu, bằng cách trộn đều xi măng với nền đất yếu tạo thành một loại cọc đường kính cọc từ 0,5 – 1m, chiều sâu m
Trang 1CảI TạO dưới ĐấT YếU NềN ĐƯờNG
BằNG CọC XI MĂNG ĐấT
Nguyễn Châu Lân *
CÔNG NGHệ NềN MóNG
Impovement of embankment on soft soils by using cment columns Abstract: For the last some years cement column method of soil
stabilization has been applied popularly in Vietnam This method has been used to increase the load capacity and decrease settlement, moreover it prevents road embankment on soft clay ground from failure This article describes in detail the design procedures of the cement column methods by using Japanese criteria
The author also introduces the finite element method of settlement calculation, slip circle analysis and load bearing capacity of soil cement column method operated in the Ninh Binh highway
1 ĐặT VấN Đề
Cọc xi măng đất là loại cọc được thi công
theo phương pháp trộn sâu, bằng cách trộn đều
xi măng với nền đất yếu tạo thành một loại cọc
đường kính cọc từ 0,5 – 1m, chiều sâu mà cọc
làm việc hiệu quả từ 15 ữ 30m
Cọc xi măng đất dùng để cải tạo nền đất
theo phương pháp trộn sâu thường được áp
dụng nhằm gia cố nền đường hay tường chắn,
mố cầu dẫn, bờ dốc … để đảm bảo yêu cầu
chống trượt, giảm độ lún và làm tăng sức chịu
tải của nền đất
Hiện nay có nhiều quy trình thiết kế, tính
toán của các nước như Nhật Bản, Trung Quốc,
Thụy Điển Tại Việt nam chỉ có tiêu chuẩn xây
dựng về thiết kế - thi công – nghiệm thu cọc xi
măng đất TCXDVN 385:2006 Tuy nhiên một
số phần hướng dẫn thiết kế trong tiêu chuẩn
này chưa thật rõ ràng Do vậy, tác giả tham
khảo cách tính toán và thiết kế theo quy trình
Nhật Bản, để kiến nghị đưa ra cách tính toán
cọc xi măng đất cho phù hợp với điều kiện Việt
Nam Đồng thời bài báo cũng đi sâu vào tính
toán phân tích các yếu tố biến dạng, ổn định,
cường độ và áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán trong nền đất đã được cải tạo bằng cọc xi măng đất
theo phương pháp phần tử hữu hạn
2 THIếT Kế CọC XI MĂNG ĐấT 2.1 Thiết kế theo quy trình Nhật Bản
Khi thiết kế cọc xi măng đất phải xác định các điều kiện thiết kế trước sau đó đưa ra các thông số cho vùng đất cải tạo và tính toán cọc
xi măng đất về độ lún, ổn định và cường độ cọc Thiết kế cọc xi măng đất có thể tính theo các bước sau:
2.1.1 Xác định điều kiện thiết kế
Điều kiện thiết kế xác định dựa vào mục
đích, chức năng và tầm quan trọng của công trình và các yếu tố như: tải trọng, tính chất cơ lý của nền đất, cách bố trí cọc Có thể xem xét một số vấn đề sau:
(1) Độ lún cho phép: độ lún dư nhỏ hơn
10-20 cm Độ lún lệch giữa các cọc nên nhỏ hơn khoảng 5cm(theo quy trình Nhật Bản)
(2) Hệ số ổn định (theo phương pháp của Bishop) theo quy trình 22 TCN 262-2000: trong giai đoạn thi công FS≥1,4 và trong giai đoạn khai thác FS≥1,2
(3) Tải trọng: gồm tải trọng của nền đường
đắp DL và tải trọng đoàn xe LL (4) Bố trí cọc: bố trí theo lưới ô vuông hoặc lưới
* Trường Đại học Giao thông Vận tải Hμ Nội
Cầu Giấy, Đống Đa, Hμ Nội
DĐ: 0912877781
Trang 2tam giác
Trong thiết kế cọc xi măng đất cần xác định
hệ số cải tạo như sau:
2
1X
X
A
x1
x2
Hình 1: Bố trí cọc
Trong đó ap - hệ số cải tạo đất;
col
A -diện tích mặt cắt ngang của 1 cọc xi
măng đất
X1, X2- khoảng cách của mỗi cọc
2.1.2 Tính toán độ lún
a) Tổng độ lún nền đất sau khi cải tạo
Tổng độ lún có thể được tính toán như sau:
2
1 h
h
q 2
coc xi mang
q 1
Δh 2
Δh 1
2
1
2 1
Hình 2: Mô hình tính toán độ lún
của nền đất sau cải tạo
- Độ lúnΔ h1, tính từ bề mặt đến phần được
cải tạo bằng cọc xi măng đất tính theo công
thức sau:
soil p col
a
H q h
) 1 (
1 1
Trong đó q1 - tổng tải trọng tác dụng
q1 = (DL+LL)/A;
Với: A - diện tích cải tạo(A=B.L), với B-chiều
rộng móng;
L - chiều dài móng;
DL - tĩnh tải do nền đường tác dụng lên 1 cọc;
LL - hoạt tải do đoàn xe tác dụng lên 1 cọc;
H1- chiều dài cọc;
ap - hệ số cải tạo;
Ecol - môđun đàn hồi của cọc xi măng đất, xác định theo thí nghiệm có thể lấy gần đúng
Ecol = 100 # 300 quck ;
quck - sức kháng nén của cọc xi măng đất xác
định bằng thí nghiệm
Esoil - môđun đàn hồi của nền đất, có thể lấy
Esoil= 210 c0; Với c0- lực dính đơn vị của nền đất yếu
- Độ lún Δ h2, tính từ phần cải tạo đến đáy tầng đất yếu (hoặc đến hết chiều sâu tính lún),
được tính theo công thức sau:
' 2 ' 2
0
vo
H e
C h
σ
+
= Δ
(4) Trong đó: C c- chỉ số nén của đất;
e0 - hệ số rỗng ban đầu của đất;
H2 - độ dày của tầng không được cải tạo bên dưới cọc xi măng (m)
'
vo
σ - ứng suất có hiệu thẳng đứng tại giữa lớp đất yếu dưới cọc của tầng phủ;
q2 - tổng tải trọng tác dụng tại trọng tâm của nền đất không được cải tạo
q2 = (DL+LL)/(B+H2/2)
b) Tính toán độ lún theo thời gian
Có thể tính toán tương tự như giếng cát
2.1.3 Phân tích ổn định trượt sâu
Cường độ chống cắt trung bình của đất sau khi cải tạo bằng cọc xi măng đất có thể được tính như đất hỗn hợp, gồm sức chống cắt của nền đất và của cọc xi măng:
o oo
oo p p
p
Kc c
c a c
a
=
ư +
τ
(5) Trong đó: τ - cường độ chống cắt trung bình của đất đã cải tạo;
p
c - lực dính đơn vị của cọc xi măng đất (cp=quck /2);
oo
c - lực dính đơn vị của đất đã cải tạo
K - hệ số chiết giảm
Sau khi đã tính toán được cường độ chống
Trang 3cắt của nền đất cải tạo có thể dùng phần mềm
Slope- W để kiểm toán ổn định cho nền đất cải
tạo bằng cọc xi măng đất
2.1.4 Kiểm toán sức chịu tải của nền đất
cải tạo bằng cọc xi măng đất
Tính toán khả năng chịu tải của cọc xi măng
đất theo đất nền:
usoil usoil
i soil
Q , =∑π +2,25.π 2 (6)
Trong đó Q ult,soil- khả năng chịu tải của cọc
theo đất nền;
d - đường kính cọc;
hi - chiều dày lớp đất thứ i mà cọc xuyên qua;
cusoil- sức chống cắt không thoát nước của
đất sét xung quanh
- Tính toán khả năng chịu tải của cọc xi
măng đất theo vật liệu chế tạo Q ult,col
) 3 5 3 (
,col col col h
Trong đó Q ult,col- khả năng chịu tải của cọc
theo vật liệu;
h
σ - tổng áp lực ngang tác dụng lên
cọc,σh =σv +5.c usoil ;
v
σ - ứng suất thẳng đứng do các lớp phủ
bên trên tác dụng;
col
c -lực dính đơn vị của cọc xi măng đất
Khả năng chịu tải tính toán của cọc xi măng
đất có thể lấy giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị
khả năng chịu tải của cọc theo điều kiện đất nền và theo vật liệu:
) , min( ult,soil ult,col
Nếu lấy hệ số an toàn FS=1,5 thì khả năng chịu tải cho phép của cọc xi măng :
FS
Q
- Kiểm tra khả năng chịu tải của nền đất theo
điều kiện:
P
Q allow > ⇒ Đạt Trong đó: P là tổng tải trọng tác dụng lên 1 cọc
2.2 Ví dụ tính toán cọc xi măng đất
2.2.1 Điều kiện bμi toán
Tác giả dựa vào kết quả khảo sát địa chất và
đề cương thiết kế kỹ thuật Dự án đường cao tốc Cầu Giẽ-Ninh Bình do Tổng Công ty TVTK GTVT (TEDI) lập
- Tiêu chuẩn kỹ thuật của đường
+ Nền đường có chiều rộng B=18,0m; trọng lượng thể tích 18 kN/m3
+ Chiều cao nền đường đắp H=7,4m; chiều rộng bệ phản áp: 10m;
- Điều kiện địa chất
Nền đất yếu được gồm 4 lớp, với các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất như trong bảng sau::
(sét chảy)
Lớp 2 (bùn sét pha)
Lớp 3 (sét dẻo chảy)
Lớp 4 (cát chặt)
2.2.2 Kết quả tính toán a) Trước khi xử lý
Trang 4Độ lún tổng cộng, tính toán theo phương
pháp phân tầng cộng lún, tính cho nền đất gồm
cả 4 lớp như bảng trên được: độ lún cố kết Sc =
157,40 cm; độ lún tức thời SI = 15,74 cm; độ lún
tổng cộng: S = 173,14 cm; Độ lún dư bằng
30,5cm >20cm (không thỏa mãn Quy trình
22TCN262:2000), cần tiến hành xử lý
b) Sau khi xử lý bằng biện pháp cọc xi
măng đất
Sức kháng danh định của q uck =300kG/cm2
Đường kính cọc D = 600 mm
Khoảng cách giữa các cọc S=1,5m
Cách bố trí cọc Lưới ô vuông
- Tính lún: sử dụng phương pháp phân tầng cộng lún tương tự quy trình 22 TCN-262-2000 1
h
Δ - độ lún tính từ mặt đất đến cao độ mũi cọc xi măng đất tính toán theo bảng sau:
Chiều
sâu ap c0(kN/m
2)
o
soil
c
m kN E
250
) /
=
uck
col
q
m kN E
350
) /
=
q1 (kN / m2) H1(m) Δh1(m)
2
h
Δ - độ lún phần đất không được cải tạo được tính toán theo bảng sau:
Lớp
đất
Cao độ
của lớp
tính toán
H (m) γ (kN/m3) σvo' (kN/m2) q2=q1.B
Độ lún (m)
Lớp
sét 3
Vậy tổng độ lún: Δh1=0,12+0,96=1,08m
Tính toán ổn định: dùng phần mềm Slope-W tính theo phương pháp Bishop được k=1,52
Tính toán khả năng chịu tải của nền đất
soil
ult
Q , (kN) Q ult,col(kN) Q ult(kN) Q allow(kN) P(kN) Kết luận
3 THIếT Kế, TíNH TOáN CọC XI MĂNG
ĐấT THEO PHƯƠNG PHáP PHầN Tử HữU
HạN
3.1 Tính toán nền đường đắp trên đất yếu ở
điều kiện tự nhiên bằng phần mềm Plaxis
3.1.1 Sơ đồ tính toán của bμi toán
Trang 5Hình 3: Mô hình bμi toán khi chưa xử lý
3.1.2 Kết quả tính toán nền đất khi chưa xử lý
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
Time [day]
Uy [m]
Hình 4: Độ lún của điểm A tại tim nền đường
Hình 5: Biểu đồ đường đẳng áp lực nước lỗ rỗng dư
- Độ lún ổn định của nền đất theo biểu đồ
hình 4 là: S=1,573 m
- Từ biểu đồ hình 5 cho kết quả áp lực nước
lỗ rỗng dư lớn nhất là 93,72 kN/m2 tại vị trí ngay dưới tim nền đường
Trang 63.2 Tính toán cọc xi măng đất theo
phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần
mềm Plaxis
3.2.1 Khai báo các yếu tố hình học của bμi toán
Mô hình tính toán được nhập theo tọa độ
điểm và cho như hình bên dưới:
Hình 6: Mô hình tính toán cọc xi măng đất trong Plaxis
3.3.2 Tính toán cọc xi măng đất theo phương pháp phần tử hữu hạn
a) Khi bố trí chiều dμi cọc L=15m
-1,6
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
Time [day]
Uy [m]
Hình 7: Độ lún tại vị trí tim cọc xi măng đất
Hình 8: Biểu đồ tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng
Trang 7- Từ biểu đồ hình 7, độ lún của nền đường
tại vị trí tim cọc xi măng đất là S=0,883 m; độ
lún của nền đường S=0,891 m
- Biểu đồ hình 8 là biểu đồ tiêu tán áp lực
nước lỗ rỗng sau khi xử lý So sánh với biểu đồ
tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng của nền đất khi
chưa xử lý thấy rằng áp lực nước lỗ rỗng trong trường hợp dùng cọc xi măng đất tiêu tán nhanh hơn, do đó tốc độ cố kết cũng nhanh hơn
- Hệ số ổn định khi tính toán bằng Plaxis: FS=1,42
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
|U| [m]
Sum-Msf
Chart 2
Curve 1
Hình 9 :Biểu đồ hệ số ổn định khi bố trí cọc xi măng đất b) Nghiên cứu ảnh hưởng khi thay đổi chiều dμi của cọc xi măng đất
- Tiếp theo cho thay đổi chiều dài cọc xi măng đất từ 15m thành 20 m và 25m và tính toán bằng phần mềm Plaxis được:
-1,6
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
Time [day]
Displacement [m]
Chart 1
Coc L=25m
Coc L=15m
Coc L=20m
Hình 10 :Biểu đồ độ lún của nền đất khi chiều dμi cọc thay đổi
Có thể tóm tắt kết quả tính toán khi thay đổi chiều dài cọc như bảng sau:
Thời gian để nền đất đạt độ cố
Trang 8c) Nghiên cứu lưới biến dạng trước vμ sau
khi sử dụng cọc xi măng đất
Tác giả nghiên cứu hai trường hợp trước và
sau khi xử lý cho kết quả lưới biến dạng như biểu đồ sau:
Hình 11: Biểu đồ biến dạng của nền đất trước
khi xử lý bằng cọc xi măng đất
Hình 12: Biểu đồ biến dạng của nền đất sau khi xử lý bằng cọc xi măng đất
Đồng thời biểu đồ hình 12 cho thấy biến
dạng trong phạm vi cọc xi măng đất nhỏ hơn rất
nhiều so với trường hợp chưa xử lý theo biểu đồ
hình 11 Điều đó chứng tỏ hiệu quả rõ rệt của
việc sử dụng cọc xi măng đất làm giảm biến
dạng của nền đất
4 KếT LUậN
- Phương pháp tính toán bằng phần tử hữu
hạn có nhiều ưu điểm đó là có thể xác định
được biến dạng, ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng
tại một điểm bất kỳ dưới nền đất và tại vị trí giữa
các cọc xi măng đất mà các phương pháp tính
tay không thể thực hiện được
- Khi tính toán ổn định bằng Slope-W thì phải
quy đổi về nền đất tương đương, còn khi tính
toán theo Plaxis thì chỉ cần nhập vào môđun
của nền đất và của cọc xi măng đất, kết quả
tính toán bằng ổn định theo phần tử hữu hạn có
độ tin cậy cao
- Khi phân tích bằng phương pháp phần tử
hữu hạn, độ lún của nền đất phụ thuộc vào
chuyển vị ngang, khi dùng cọc xi măng đất thì
chuyển vị ngang của nền đường cũng giảm và
giảm độ lún của nền đất
- Kiến nghị nên đưa phương pháp phần tử
hữu hạn vào tính toán cọc xi măng đất
TμI LIệU THAM KHảO
[1] Tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN
385:2006 Gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi
măng, Bộ xây dựng, 2006
[2] Bộ Giao thông vận tải Quy trình Khảo
sát thiết kế nền đường ô tô đắp trên đất yếu,
22 TCN 262-2000
[3] Cement Deep mixing method
association Cement Deep mixing method
manual , 1993
[4] Masaki Kitazume, Masaaki Terashi The
deep mixing method: principle, design and construction, Japan, 2002
[5] Publics Works Research Center Deep
mixing method design execution manual for land works: 92-99, 1999
[6] Japan - Thailand Joint Study Project on
Soft Clay Foundation Manual for design and
construction of cement column method,
1998
Trang 9Ng−êi ph¶n biÖn: PGS.TS V−¬ng V¨n Thµnh
