đánh giá khả năng ổn định và ứng dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu ở khu vực phía nam - lê hồng quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ HỒNG QUANG ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC PHÍA NAM Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số: 60.58.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2012 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS BÙI TRƯỜNG SƠN Cán chấm nhận xét 1: GS.TS TRẦN THỊ THANH Cán chấm nhận xét 2: TS TRẦN TUẤN ANH Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Ngày 09 tháng 01 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS CHÂU NGỌC ẨN GS.TS TRẦN THỊ THANH TS BÙI TRƯỜNG SƠN TS TRẦN TUẤN ANH TS ĐỖ THANH HẢI Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KTXD ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ HỒNG QUANG MSHV: 11090324 Ngày, tháng, năm sinh: 25/11/1979 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 605860 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC PHÍA NAM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tổng hợp phân tích kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm liên quan đến phương pháp cọc vật liệu rời  Tính tốn ứng dụng cọc vật liệu rời để gia cố đất yếu cho bãi chế tạo So sánh phương pháp tính tốn lý thuyết kết quan trắc  Tính tốn tốn cơng trình đắp đất yếu điển hình phía Nam xử lý cọc vật liệu rời So sánh đánh giá hiệu với phương pháp xử lý khác Mô ứng xử xử lý cọc vật liệu rời III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02 – 07 – 2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 – 11 – 2012 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI TRƯỜNG SƠN Tp HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS BÙI TRƯỜNG SƠN PGS.TS VÕ PHÁN TRƯỞNG KHOA KTXD LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài “Đánh giá khả ổn định ứng dụng cọc vật liệu rời để xử lý đất yếu khu vực phía Nam” thực với kiến thức tác giả thu thập suốt trình học tập trường Cùng với cố gắng thân giúp đỡ, động viên thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp gia đình suốt trình học tập thực luận văn Chân thành cám ơn PGS.TS Võ Phán, thầy động lực gương to lớn giúp phấn đấu suốt trình học tập trường Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô môn Địa Cơ – Nền Móng, người cho tơi kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập công tác Xin gửi lời cảm ơn đến học viên chuyên ngành Địa Kỹ thuật Xây Dựng khóa 2011, người bạn đồng hành giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Bùi Trường Sơn, người thầy nhiệt tình hướng dẫn, động viên tơi suốt q trình thực luận văn Xin gửi lời cảm ơn đến công ty TNHH Nền Móng Keller Việt Nam, nơi tơi cơng tác, tạo điều kiện nhiều thời gian để tơi hồn thành q trình học tập Cuối cùng, tơi xin cảm ơn bố mẹ gia đình động viên tạo điều kiện tốt cho tinh thần thời gian năm tháng học tập trường Luận văn hồn thành khơng thể tránh thiếu sót hạn chế Rất mong nhận đóng góp q thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Học viên Lê Hồng Quang ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH VÀ ỨNG DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Ở KHU VỰC PHÍA NAM Tóm tắt: Luận văn tập trung vào nghiên cứu lịch sử, biện pháp thi công, quản lý chất lượng phương pháp thiết kế biện pháp xử lý đất yếu cọc vật liệu rời Áp dụng tính tốn thiết kế thi cơng cơng trình thực tế Việt Nam, thí nghiệm trường thực để kiệm tra đánh giá độ ổn định độ tin cậy phương pháp Việc tính tốn xử lý đất yếu điển hình cơng trình đắp sử dụng phương pháp xử lý khác thực so sánh với phương pháp cọc vật liệu rời nhằm đưa nhìn tổng quan tính hiệu phương pháp cọc vật liệu rời điều kiện địa chất khu vực phía Nam EVALUATION OF STABILITY AND APPLICABILITY OF STONE COLUMNS TO IMPROVE THE SOFT SOIL IN SOUTHERN REGION Abstract: The thesis concentrates on studying of history, construction method, quality control system and design methods of ground improvement using stone columns or granular pile method An actual project in Vietnam was calculated and constructed, the field test was carried out to check and evaluate the ground stability and the reliability of this method The calculation of treatment using various ground improvement techniques for a typical soft soil profile under an embankment was carried out and compared with stone columns method in order to have a general view on the effectiveness of stone columns method in the geological condition of Southern region MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Các phương pháp xử lý 1.1.1 Xử lý đất yếu giếng cát kết hợp gia tải trước 1.1.2 Xử lý đất yếu bấc thấm kết hợp gia tải trước 1.1.3 Xử lý đất yếu bơm hút chân không 1.2 Các phương pháp gia cường 1.2.1 Xử lý đất yếu cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi 1.2.2 Xử lý đất yếu vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật 12 1.3 Các phương pháp phân bố lại ứng suất 14 1.3.1 Xử lý đất yếu đệm cát .14 1.3.2 Xử lý bệ phản áp 15 1.4 Nhận xét phương hướng đề tài 16 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI DÙNG ĐẦM RUNG SÂU 17 2.1 Giới thiệu lịch sử công nghệ đầm rung sâu 17 2.2 Công nghệ cọc vật liệu rời (cọc đá) 18 2.2.1 Các loại đất phù hợp để gia cố cọc vật liệu rời 19 2.2.2 Qui trình thi công .19 2.2.3 Thông số kỹ thuật hệ thống máy đầm rung thiết bị phụ trợ cho công tác thi công cọc đá 23 2.2.4 Quản lý chất lượng thi công phương pháp cọc vật liệu rời 25 2.2.5 Ứng dụng hạn chế .26 2.3 Nhận xét chương 27 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CỌC VẬT LIỆU RỜI 28 3.1 Khái niệm phần tử đơn vị cọc vật liệu rời 28 3.2 Cơ chế phá hoại .30 3.2.1 Cơ chế phá hoại cọc đơn 30 3.2.2 Cơ chế phá hoại nhóm cọc .31 3.3 Phương pháp thiết kế sức chịu tải cực hạn 32 3.3.1 Sức chịu tải cực hạn cho cọc đơn riêng lẻ 32 3.3.2 Sức chịu tải cực hạn cho nhóm cọc 34 3.4 Đánh giá khả biến dạng (độ lún) đất xử lý cọc vật liệu rời 35 3.4.1 Phương pháp giải tích 35 3.4.2 Phương pháp cân 37 3.4.3 Phương pháp thực nghiệm 38 3.4.4 Phương pháp gia tăng (Gouhnour Bayuk, 1979) 39 3.5 Ổn định mái dốc khối gia cố 39 3.6 Phương pháp Priebe (1995) 41 3.7 Nhận xét chương 43 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH NỀN ĐẤT ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI 45 4.1 Hiệu xử lý cọc vật liệu rời cơng trình bãi chế tạo giàn khoan dầu khí Vũng Tàu 45 4.1.1 Điều kiện địa chất cơng trình nhiệm vụ thiết kế 45 4.1.2 Tính tốn ổn định biến dạng theo phương pháp Priebe 50 4.2 Đánh giá khả ổn định đất yếu xử lý phương pháp khác hiệu phương pháp xử lý cọc vật liệu rời 61 4.2.1 Điều kiện địa chất cơng trình tổng thể đặc điểm cơng trình đắp 61 4.2.2 Các giải pháp xử lý 64 4.2.3 Tính tốn cọc vật liệu rời phương pháp phần tử hữu hạn 71 4.3 Kết luận chương .75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC Phụ lục A: Tính tốn gia cố đắp sử dụng cọc đất trộn xi măng Phụ lục B: Tính tốn gia cố đắp sử dụng sàn giảm tải Phụ lục C: Tính tốn gia cố đắp sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải trước Phụ lục D: Tính tốn gia cố đắp sử dụng cọc đá .10 MỤC LỤC HÌNH ẢNH   Hình 1.1 Nền xử lý giếng cát 4  Hình 1.2.a Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác 4  Hình 1.2.b Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vng 5  Hình 1.3: xử lý bấc thấm 6  Hình 1.4 Mặt cắt ngang tương đương bấc thấm 6  Hình 1.5a Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình tam giác 7  Hình 1.5b Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình vng 7  Hình 1.6 Mơ hình xử lý bơm hút chân không 8  Hình 1.7 Mơ hình xử lý cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi 9  Hình 1.8a Thi cơng cọc đất-xi măng phương pháp trộn khô 10  Hình 1.8b Thi cơng cọc đất-xi măng phương pháp trộn ướt 10  Hình 1.9: Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp nhóm cọc đất - xi măng 12  Hình 1.10 Sơ đồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp đắp 13  Hình 1.11 Sơ đồ xử lý đệm cát 15  Hình 1.12.Sơ đồ bố trí bệ phản áp 15  Hình 2.1 Sơ đồ mơ tả trình tự thi cơng cọc đá phương pháp ướt 20  Hình 2.1a Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp ướt .20  Hình 2.2 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khô trọng lượng lực rung 21  Hình 2.2 Thiết bị thi cơng cọc đá theo phương pháp khô lực kéo lực rung 21  Hình 2.3 Sơ đồ thi cơng cọc đá phương pháp khô 22  Hình 2.4 Sơ đồ thi cơng cọc đá nước 23  Hình 2.5 Chi tiết nguyên lý làm việc máy đầm rung 23  Hình 2.6 Kích thước hình thức loại đầm rung .24  Hình 2.7 Thiết bị đo kiểm tra chất lượng trường cọc đá 25  Hình 2.8 Ghi nhận kết đánh giá chất lượng trình thi cơng cọc vật liệu rời26  Hình 3.1 Miền ảnh hưởng tương ứng với sơ đồ bố trí lưới cọc 28  Hình 3.2 Mơ hình phần tử đơn vị 29  Hình 3.3: Sơ đồ phân bố ứng suất lên gia cố cọc vật liệu rời 29  Hình 3.4 Cơ chế phá hoại cọc đơn đất yếu đồng 31  Hình 3.5 Cơ chế phá hoại nhóm cọc vật liệu rời 32  Hình 3.6 Cọc đá tải móng hình băng tải trọng khắp 33  Hình 3.7 Sơ đồ phân tích làm việc nhóm cọc 34  Hình 3.8 Phương pháp Van Impe De Beer 36  Hình 3.9 Biểu đồ phương pháp Van Impe De Beer 36  Hình 3.10 So sánh độ lún tính tốn trường (Aboshi) 38  Hình 3.11 So sánh phương pháp Greenwood phương pháp cân 39  Hình 3.12 Phương pháp sức chống cắt trung bình 40  Hình 3.13 Biểu đồ tính tốn hệ số gia cố theo Priebe 42  Hình 3.14 Biểu đồ tính tốn Δ(A/Ac) xem xét tính nén lún cọc đá 42  Hình 3.15 Biểu đồ tính tốn hệ số ảnh hưởng độ sâu fd 43  Hình 4.1 Bản đồ địa chất cơng trình khu vực dự án 47  Hình 4.2a: Biểu đồ sức kháng mũi đơn vị từ thí nghiệm xuyên tĩnh CPT 48  Hình 4.2b Biểu đồ kết thí nghiệm xuyên động DPT 49  Hình 4.3 Hình ảnh thí nghiệm nén tĩnh bàn nén trường cơng trình Biển Đơng 59  Hình 4.3 Biểu đồ quan hệ tải trọng độ lún 60  Hình 4.4 Biểu đồ độ lún theo thời gian cấp tải 60  Hình 4.5 Mặt cắt ngang điển hình khối đất đắp 62  Hình 4.6 Góc lệch  khối đắp 64  Hình 4.7 Mặt cắt ngang điển hình cọc xi măng đất 65  Hình 4.8 Mặt cắt ngang điển hình sàn giảm tải 66  Hình 4.9 Mặt cắt điển hình bấc thấm gia tải trước .67  Hình 4.10 Mặt cắt ngang điển hình xử lý cọc đá 69  Hình 4.11 Tổng hợp mặt cắt phương pháp xử lý 70  Hình 4.12 Phân bố ứng suất lên cọc vật liệu rời đất yếu đặt tải ngắn hạn 72  Hình 4.13 Phân bố ứng suất lên cọc vật liệu rời đất yếu đất đạt độ lún ổn định .72  Hình 4.14 Phân bố độ lún đất đất đạt độ lún ổn định 73  Hình 4.15 Phân bố độ lún sau đắp tải .73  Hình 4.15 Độ lún theo thời gian tải trọng đắp 74  ‐80‐      14 Greenwood and Kirsch “Specialist ground treatment by Vibratory and Dynamic methods” reprint from Advances in piling and ground treatment for foundations, Thomas Telford Ltd., London, 1983 15 Han and Ye “Simplified method for consolidation rate of stone column reinforced foundations” journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, p603, 2001 16 F Kirsch and Sonderman (2003) “Field Analysis of the Measurements Stress distribution below and Numerical Stone Column Supported Embankments and their Stability” international workshop on geotechnics of soft soil – theory and practice, Vermeer, 2003 17 H.J Priebe “The design of Vibro replacement” reprint from: Ground Enginerring , Keller Grundbau GmbH, Technical paper 12-61E, 1995 18 Tan and Oo “Simplified Plane-strain modeling of stone column reinforced soil” journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, P185-194, 2008 19 T.M Weber & S.M Springman “Numerical modelling of stone columns in soft clay under an embankment” in 2nd international workshop on geotechnics of soft soils, glasgow, scotland, p305-p311, 2008 20 V.R.Raju “Ground improvement – principles and application in Asia” in ISGI09, Singapore, p43 – p65, 2009       PHỤ LỤC     ‐1‐      Phụ lục A: Tính tốn gia cố đắp sử dụng cọc đất trộn xi măng   Tính Tốn Cọc Xi Măng Đất (CDM) I THÔNG SỐ ĐẤT NỀN Profile h (m) W CLAY W CLAY Soft CLAY Firm CLAY  CR RR C 'vo p Su OCR (KN/m 3) 1,0 1,0 14,0 3,0 16,5 16,5 15,7 18,20 0,198 0,0119 0,0079 0,198 0,0119 0,0079 0,243 0,010 0,0097 0,222 0,017 0,0089 II TẢI TRỌNG TÍNH TỐN Thơng số vật liệt đắp Hoạt tải đường tải đăp, kPa Kích thước đường 8,3 16,6 19,8 39,6 63,0 94,5 115,2 172,8 35,0 35,0 12,0 50,0 Ch Cv (m2/day) (m2/day) 5,5E-03 5,5E-03 5,5E-03 5,5E-03  (kN/m3)= 20 (deg) = 30 (Hoạt tải: 20kPa, Tải đắp: 4m) Rộng Dài c (KPa) = qf = B(m) = L(m) = Đường kính CDM 0,800 1,600 16,00 1,130 700 Ar(%) Tỷ diện tích gia cố 100,0 40 200  (m) = d(m) = Ld (m) = P= quck(kPa) III THÔNG SỐ THIẾT KẾT CDM VÀ TẢI ĐẮP Khoảng cách CDM (mép cọc - mép cọc) Khoảng cách CDM (tâm cọc - tâm cọc) Chiều dài CDM Bố trí hình học: Lưới vng P=1.13, Lưới tam giác P=1.05 Cường độ nén thiết kết 19,6% d(m) Mô đun biến dạng Ec(kPa) (KN/m3)  (deg) Thông số vật liệu đắp IV TÍNH TỐN ĐỘ LÚN  h z m m kN/m3 2,7E-03 2,7E-03 2,7E-03 2,7E-03 qf = 'v0 kPa p kPa  kPa q'f kPa RR CR C 20 30 100,0 Si m Sc m 1,0 1,0 14,0 0,5 0,5 7,0 16,5 16,5 15,7 8,3 19,8 63,0 16,6 39,6 94,5 100,0 100,0 91,0 108,3 119,8 154,0 0,012 0,198 0,012 0,198 0,010 0,243 0,008 0,008 0,010 0,165 0,099 0,748 0,017 0,010 0,075 3,0   0,800 210.000 1,5 18,2 115,2 172,8 99,9 215,1 0,017 0,222 0,009 0,072 1,01 0,007 0,10     ‐2‐      V TÍNH TỐN CDM (Miki and Nozu2004) Độ lún bao gồm lún lớp gia cố lún lớp không gia cố Độ lún lớp khơng gia cố: Thể tích đất đắp đơn vị diện không gia cố, (m3) Tải trọng đất đắp diện không gia cố, (kPa) Tổng tải trọng đắp đơn vị, (kPa) Tổng thể tích đắp đơn vị, (m3) Độ lún không gia cố Lún phần xung quanh cọc, (m) Vc Pc P V So Sc 0,9 8,5 100,0 12,8 1,11 0,10 Vp Pp Ee Sp 11,9 474 210.000 0,04 Độ lún cọc CDM: Thể tích đất đắp đầu cọc, (m3) Tải trọng đầu cọc, (kPa) Mô đun CDM (=300quck), (kPa) Độ lún cọc CDM, (m) Kiển tra điều kiện ứng xuất đầu cọc "quck > DPp": Lún lệch, (DS=Sc-Sp), (mm) OK 59 Vì bề dày lớp đất đắp lơn nhiều khoảng cách cọc lún lệch cọc đất xung quanh nhỏ, nên không ảnh hưởng đáng kể tới kết cấu đắp VI KHẢ NĂNG CHỊU TẢI 'v = 4m*20kN/m3+20kPa = Pp 100 Úng suất tập trung cọc, (kPa) Kiểm tra điều kiện chịu tải "quck> Pp " OK Ứng suất tính toán đầu cọc, (kPa) 474 VII KẾT LUẬN Sức chịu tải: thỏa điều kiện chịu tải với hệ số an toàn 1.2 Độ lún lớn 100mm đạt yêu cầu     ‐3‐      Phụ lục B: Tính tốn gia cố đắp sử dụng sàn giảm tải   Tính Tốn Cọc Đóng THƠNG SỐ TRA BẢNG Loại đất Dính Hệ số kháng mũi 0,56 qp = qp = Rời (khơng dính) Hệ số ma sát thành 0,56 qs = qs = 0,36 qs = Vuông 350 1,400 0,123 0,36 0,4 Đá qp = Loại cọc (Cọc bê tơng tiết diện Vng/trịn) Kích thước Độ sâu vào tâng chịu lực Chu vi cọc Tiết diện mũi D Db= P= Ap= mm m m m2 SỨC KHÁNG MA SÁT THÀNH Công thức Với đất loại sét Qs   q s p.d  q s   S u q s  0019 N Với đất lại cát Lớp đất W CLAY Soft CLAY Stiff CLAY M densse SAND Hard CLAY Bề dày m 1 2 2 2 4 Chiều sâu m 10 12 14 16 19 23 27 31 33 38 Loại đất Sét Sét Sét Sét Sét Sét Sét Sét Sét Cát Sét Sét Sét Sét Sét SPT N 2 2 3 12 18 18 18 18 35 Su Mpa 0,035 0,035 0,0122 0,0144 0,0166 0,0188 0,021 0,0232 0,0254 0,05 0,05 0,05 0,05 0,21  0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 0,82 qs Qs Mpa kN 0,029 40,2 0,029 40,2 0,010 28,0 0,012 33,1 0,014 38,1 0,015 43,2 0,017 48,2 0,019 53,3 0,021 58,3 0,023 95,8 0,041 230 0,041 230 0,041 230 0,041 115 0,172 1205 qs Qs T 2,25 2,25 1,57 1,85 2,13 2,42 2,70 2,98 3,27 3,45 12,86 12,86 12,86 6,43 67,50       ‐4‐    SỨC KHÁNG MŨI Công thức Q P  q  P    A P  S Với đất sét q Với đất cát qP  0.038Ncorr.Db / D  ql Mpa p Cát Bụi khơng có tính dẻo q Với đá K P sp  qu K   10 u Mpa ql = 0.4Ncorr ql = 0.3Ncorr sp d Mpa s d D  300 td s d d = 1+0.4Hs/Ds