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

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với 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” được thực hiện với kiến thức tác giả t

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

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP HCM

sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan

đến phương pháp cọc vật liệu rời

 Tính toán ứng dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền đất yếu cho bãi chế tạo So

sánh phương pháp tính toán lý thuyết và kết quả quan trắc

 Tính toán bài toán công trình đắp trên nền đất yếu điển hình phía Nam được xử

lý bằng cọc vật liệu rời So sánh đánh giá hiệu quả với các phương pháp xử lý

nền khác Mô phỏng ứng xử nền được xử lý bằng 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

TRƯỞNG KHOA KTXD

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với 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” được thực hiện với

kiến thức tác giả thu thập trong suốt quá trình học tập tại trường Cùng với sự cố gắng của bản thân là sự giúp đỡ, động viên của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Chân thành cám ơn PGS.TS Võ Phán, thầy là động lực và là tấm gương to lớn giúp tôi phấn đấu trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Địa Cơ – Nền Móng, những người

đã cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập và công tác

2011, những người bạn đã đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

nhiệt tình hướng dẫn, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn đến công ty TNHH Nền Móng Keller Việt Nam, nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện rất nhiều về thời gian để tôi hoàn thành quá trình học tập Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bố mẹ và gia đình đã động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi tinh thần và thời gian trong những năm tháng học tập tại trường

Luận văn được hoàn thành nhưng không thể tránh được những thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

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 và các phương pháp thiết kế của biện pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời Áp dụng tính toán thiết kế và thi công công trình thực tế tại Việt Nam, thí nghiệm hiện trường được thực hiện để kiệm tra và đánh giá độ ổn định của nền và

độ tin cậy của phương pháp Việc tính toán xử lý nền đất yếu điển hình dưới công trình đắp sử dụng các phương pháp xử lý nền khác nhau đã được thực hiện và so sánh với phương pháp cọc vật liệu rời nhằm đưa ra cái nhìn tổng quan về tính hiệu quả của phương pháp cọc vật liệu rời trong 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

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 3 1.1 Các phương pháp xử lý nền 3

1.1.1 Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước 3

1.1.2 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước 5

1.1.3 Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân không 7

1.2 Các phương pháp gia cường 8

1.2.1 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi 8

1.2.2 Xử lý nền đất yếu bằng 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 nền đất yếu bằng đệm cát 14

1.3.2 Xử lý nền bằng bệ phản áp 15

1.4 Nhận xét và phương hướng của đề tài 16

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI DÙNG ĐẦM RUNG SÂU 17

2.1 Giới thiệu và lịch sử của công nghệ đầm rung sâu 17

2.2 Công nghệ cọc vật liệu rời (cọc đá) 18

2.2.1 Các loại đất nền phù hợp để gia cố bằng cọc vật liệu rời 19

2.2.2 Qui trình thi công 19

2.2.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống máy đầm rung và các thiết bị phụ trợ cho công tác thi công cọc đá 23

2.2.4 Quản lý chất lượng thi công trong phương pháp cọc vật liệu rời 25

2.2.5 Ứng dụng và hạn chế 26

2.3 Nhận xét chương 27

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CỌC VẬT LIỆU RỜI 28

3.1 Khái niệm về phần tử đơn vị trong cọc vật liệu rời 28

3.2 Cơ chế phá hoại 30

3.2.1 Cơ chế phá hoại của cọc đơn 30

3.2.2 Cơ chế phá hoại của 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

liệu rời 35

3.4.1 Phương pháp giải tích 35

3.4.2 Phương pháp cân bằng 37

3.4.3 Phương pháp thực nghiệm 38

3.4.4 Phương pháp gia tăng (Gouhnour và Bayuk, 1979) 39

3.5 Ổn định mái dốc của khối nền 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 quả xử lý nền bằng cọc vật liệu rời ở công trình bãi chế tạo giàn khoan dầu khí ở Vũng Tàu 45

4.1.1 Điều kiện địa chất của công trình và nhiệm vụ thiết kế 45

4.1.2 Tính toán ổn định và biến dạng theo phương pháp Priebe 50

4.2 Đánh giá khả năng ổn định nền đất yếu được xử lý bằng các phương pháp khác nhau và hiệu quả của phương pháp xử lý bằng cọc vật liệu rời 61

4.2.1 Điều kiện địa chất công trình tổng thể và đặc điểm công trình đắp 61

4.2.2 Các giải pháp xử lý nền 64

4.2.3 Tính toán cọc vật liệu rời bằng 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 1

Phụ lục A: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng cọc đất trộn xi măng 1

Phụ lục B: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng sàn giảm tải 3

Phụ lục C: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng bấc thấm kết hợp gia tải trước 6

Phụ lục D: Tính toán gia cố nền đắp sử dụng cọc đá 10

Hình 1.1 Nền được xử lý bằng giếng cát 4 

Hình 1.2.a Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều 4 

Hình 1.2.b Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vuông 5 

Hình 1.3: xử lý nền bằng bấc thấm 6 

Hình 1.4 Mặt cắt ngang tương đương của bấc thấm 6 

Hình 1.5a Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình tam giác đều 7 

Hình 1.5b Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình vuông 7 

Hình 1.6 Mô hình xử lý nền bằng bơm hút chân không 8 

Hình 1.7 Mô hình xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi 9 

Hình 1.8a Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn khô 10 

Hình 1.8b Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn ướt 10 

Hình 1.9: Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp trong nhóm cọc đất - xi măng 12 

Hình 1.10 Sơ đồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp .13 

Hình 1.11 Sơ đồ xử lý nền bằng đệm cát 15 

Hình 1.12.Sơ đồ bố trí bệ phản áp 15 

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả trình tự thi công cọc đá bằng 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 bằng trọng lượng và lực rung .21 

Hình 2.2 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khô bằng lực kéo và lực rung 21 

Hình 2.3 Sơ đồ thi công cọc đá bằng phương pháp khô 22 

Hình 2.4 Sơ đồ thi công cọc đá dưới nước 23 

Hình 2.5 Chi tiết và nguyên lý làm việc của máy đầm rung 23 

Hình 2.6 Kích thước và hình thức các loại đầm rung 24 

Hình 2.7 Thiết bị đo kiểm tra chất lượng hiện trường của cọc đá 25  Hình 2.8 Ghi nhận kết quả và đánh giá chất lượng quá trình thi công cọc vật liệu rời 26 

Hình 3.2 Mô hình phần tử đơn vị 29 

Hình 3.3: Sơ đồ phân bố ứng suất lên nền gia cố cọc vật liệu rời 29 

Hình 3.4 Cơ chế phá hoại của cọc đơn trong đất yếu đồng nhất 31 

Hình 3.5 Cơ chế phá hoại của nhóm cọc vật liệu rời 32 

Hình 3.6 Cọc đá dưới tải móng hình băng và tải trọng đều khắp 33 

Hình 3.7 Sơ đồ phân tích sự làm việc của nhóm cọc 34 

Hình 3.8 Phương pháp Van Impe và De Beer 36 

Hình 3.9 Biểu đồ phương pháp Van Impe và De Beer 36 

Hình 3.10 So sánh độ lún tính toán và hiện trường (Aboshi) 38 

Hình 3.11 So sánh phương pháp Greenwood và phương pháp cân bằng 39 

Hình 3.12 Phương pháp sức chống cắt trung bình 40 

Hình 3.13 Biểu đồ tính toán hệ số gia cố theo Priebe 42 

Hình 3.14 Biểu đồ tính toán Δ(A/Ac) khi xem xét tính nén lún của cọc đá 42 

Hình 3.15 Biểu đồ tính toán hệ số ảnh hưởng độ sâu fd 43 

Hình 4.1 Bản đồ địa chất công 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 quả thí nghiệm xuyên động DPT 49 

Hình 4.3 Hình ảnh thí nghiệm nén tĩnh bàn nén ở hiện trường công trình Biển Đông 59  Hình 4.3 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ lún 60 

Hình 4.4 Biểu đồ độ lún theo thời gian của từng cấp tải 60 

Hình 4.5 Mặt cắt ngang điển hình của khối đất đắp 62 

Hình 4.6 Góc lệch  trong khối đắp 64 

Hình 4.7 Mặt cắt ngang điển hình của cọc xi măng đất 65 

Hình 4.8 Mặt cắt ngang điển hình của sàn giảm tải 66 

Hình 4.9 Mặt cắt điển hình của bấc thấm và gia tải trước 67 

Hình 4.10 Mặt cắt ngang điển hình của nền xử lý cọc đá 69 

Hình 4.12 Phân bố ứng suất lên cọc vật liệu rời và nền đất yếu khi đặt tải ngắn hạn 72 

Hình 4.13 Phân bố ứng suất lên cọc vật liệu rời và nền đất yếu khi đất nền đạt độ lún ổn định 72 

Hình 4.14 Phân bố độ lún trong nền đất khi đất nền đạt độ lún ổn định 73 

Hình 4.15 Phân bố độ lún của nền ngay sau khi đắp tải .73 

Hình 4.15 Độ lún của nền theo thời gian dưới tải trọng đắp 74 

Bảng 4.1: Tổng hợp các lớp đất 47 

Bảng 4.2 Tính toán ổn định cho lớp đất F dưới tác dụng tải trọng 500 KPa 51 

Bảng 4.3 Tính toán ổn định cho lớp đất 1 dưới tác dụng tải trọng 500 KPa từ mặt đất .52 

Bảng 4.4 Tổng hợp thông số sức chống cắt tương đương của nền đất sau khi gia cố 54 

Bảng 4.5 Kết quả tính toán khả năng chịu tải của lớp đất F sau gia cố dưới tác dụng tải trọng 500 KPa 55 

Bảng 4.6 Kết quả tính toán khả năng chịu tải của lớp đất 1 sau khi gia cố cọc vật liệu rời dưới tác dụng tải trọng 500 KPa từ mặt đất 56 

Bảng 4.7 Hệ số gia cố của từng lớp đất 57 

Bảng 4.8 Kết quả nén cố kết của mẫu sét 57 

Bảng 4.9 Kết quả dự tính độ lún dưới tác dụng của tải trọng ngoài cho nền chưa gia cố .58 

Bảng 4.10 Các giá trị tính toán trung gian cho lưới cọc 1,7m x 1,7m 58 

Bảng 4.11 Bảng tóm tắt cấu tạo địa chất đặc trưng tại khu vực dự định xử lý nền 62 

Bảng 4.12 Tóm tắt đặc trưng cơ lý các lớp đất 63 

Bảng 4.13 Các thông số mô hình trong Plaxis 71 

Bảng 4.14 Tổng hợp và so sánh các phương án xử lý nền cho công trình đắp 75 

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa thực khoa học và thực tiễn của đề tài

Đất sét mềm bão hòa nước là một trong các loại đất có thành phần trạng thái và

tính chất đặc biệt Để xây dựng công trình ở khu vực có loại đất này, nhất thiết phải có

các biện pháp xử lý nền móng để đảm bảo điều kiện làm việc ổn định Thực vậy, độ

lún của công trình trên nền đất sét mềm bão hòa nước thường có giá trị lớn và gây mất

ổn định, không đảm bảo điều kiện sử dụng công trình, đặc biệt là các công trình cơ sở

hạ tầng gây tải trọng trực tiếp lên đất sét mềm bão hòa nước

Cho đến những năm đầu thế kỷ này, ở nước ta nói chung và các tỉnh thành phía

Nam nói riêng, biện pháp xử lý nền thường được lựa chọn là bấc thấm hay giếng cát

kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không, cột đất trộn xi măng để gia cường hay

cọc bê tông cốt thép với công trình có tải trọng lớn Việc xử lý nền bằng cọc vật liệu

rời đã được nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng nhiều nơi trên thế giới từ lâu nhưng áp

dụng trong thực tế tại nước ta chưa nhiều Trong những năm 80 của thế kỷ trước, việc

nghiên cứu cọc vật liệu rời (cọc cát) để xử lý nền đất yếu được GS Hoàng Văn Tân đề

cập đến trong tài liệu của mình và một số bài giảng ở bậc cao học Do đó, việc nghiên

cứu ứng dụng cọc vật liệu rời cho công trình cụ thể ở khu vực phía Nam là việc làm

cần thiết giúp bổ sung, hoàn chỉnh các phương pháp xử lý nền tùy theo điều kiện cấu

tạo địa chất của từng khu vực cụ thể

Kết quả nghiên cứu này có thể giúp các kỹ sư và các nhà quản lý xây dựng có thêm

những chọn lựa phương pháp xử lý nền thích hợp với điều kiện công trình cụ thể cũng

như rút ngắn tiến độ xây dựng

Thực tế, phương pháp sử dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu thường có thời

gian thi công ngắn, chất lượng thi công được kiểm soát chặt chẽ, giá thành tương đối

hợp lý so với các phương pháp khác như cột đất trộn xi măng hay cọc bê tông cốt thép

Do đó, cọc vật liệu rời có thể là phương pháp đáng để xem xét đánh giá và nghiên cứu

trong quá trình thiết kế và lập dự án đầu tư

Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

 Nghiên cứu về công nghệ thi công cọc vật liệu rời sử dụng đầm rung sâu Lịch

sử hình thành, biện pháp thi công, quản lý chất lượng

 Tổng hợp các phương pháp tính toán thiết kế cọc vật liệu rời được áp dụng trên

thế giới

 Áp dụng tính toán, thi công và kiểm tra chất lượng cho công trình thực tế theo

điều kiện địa chất khu vực Kết quả được so sánh với kết quả quan trắc

 Ngoài ra, việc đánh giá ứng xử ứng suất – biến dạng của nền được xử lý bằng

cọc vật liệu rời còn được thực hiện bằng cách mô phỏng bằng phần mềm Plaxis

2D

Phương pháp nghiên cứu

 Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan

đến phương pháp cọc vật liệu rời Nghiên cứu các ứng dụng thực tế của phương

pháp này cho các công trình thực cụ thể thông qua các kết quả nghiên cứu đã

có

 Trên cơ sở lý thuyết có xét đến điều kiện thực tế tại Việt Nam, tiến hành tính

toán áp dụng cho công trình cụ thể sử dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền đất

yếu So sánh phương pháp tính toán lý thuyết và kết quả quan trắc

 Trên cơ sở lựa chọn cấu tạo địa chất điển hình của khu vực phía Nam, tiến hành

tính toán bài toán công trình đắp trên nền đất yếu được xử lý bằng cọc vật liệu

rời Cùng với đó, việc mô phỏng bằng phần tử hữu hạn cho bài toán này cũng sẽ

được tiến hành nhằm so sánh đánh giá kết quả tính toán dựa trên phương pháp

giải tích

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

NỀN ĐẤT YẾU

Do đất yếu có khả năng chịu tải thấp, mức độ biến dạng lớn nên cần thiết phải có

các biện pháp xử lý trước khi xây dựng công trình bên trên Đối với công trình đường

và công trình đắp ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm 2

nhóm chính:

 Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: Vải địa kỹ thuật, lưới địa

kỹ thuật, đất trộn vôi, trộn ximăng, silicat Trong trường hợp này, đất nền và đất

trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn, tính biến

dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo điều kiện

làm việc của công trình Trong điều kiện thực tế ở Việt nam, các biện pháp vải

địa kỹ thuật, đất trộn ximăng thường được sử dụng nhiều nhất

 Các biện pháp xử lý thường được áp dụng như giếng cát, bấc thấm kết hợp gia

tải trước hoặc bơm hút chân không Trường hợp này, thời gian cố kết được rút

ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa vào sử dụng công trình

Ngoài ra, việc chọn lựa chiều cao đắp hay bố trí kích thước công trình hợp lý

cũng có tác dụng làm thay đổi trạng thái ứng suất của đất nền, đảm bảo điều

kiện làm việc ổn định Các biện pháp thường được sử dụng trong trường hợp

này là: Đệm cát, làm xoải mái taluy, bệ phản áp

1.1 Các phương pháp xử lý nền

1.1.1 Xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước

Để rút ngắn thời gian cố kết, người ta thường dùng thiết bị tiêu nước thẳng đứng,

giếng cát là một trong những dạng đó

Với hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất sét, khi bố trí giếng cát trong nền đất

và kết hợp gia tải, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, nước lỗ rỗng trong đất nền thấm

về hướng giếng cát rồi sau đó thoát nhanh theo phương đứng ra khỏi nền đất Áp lực

nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán và đất nền nhanh đạt đến độ lún ổn định để khi công

trình được đưa vào sử dụng thì độ lún còn lại không đáng kể

Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng giếng cát kết hợp gia tải trước thường có

ba bộ phận chính: lớp đệm cát, giếng cát, tải trọng tạm (hình 1.1)

- Lớp đệm cát

+ Ngồi chức năng phân bố lại ứng suất trong đất nền do ứng suất tập trung vào lớp

cát thay thế, lớp đệm cát đĩng vai trị như lớp đệm thốt nước Nước lỗ rỗng trong đất

bị nén ép bởi tải trọng khối đắp gia tải bên trên sẽ thốt hướng về giếng cát, từ các

giếng cát nước lỗ rỗng này theo mơi trường cát trong giếng (cĩ tính thấm tốt) thốt về

phía đệm cát, đệm cát dẫn nước thốt ngang và tiêu tán ra ngồi

Tải trọng tạm

Hình 1.1 Nền được xử lý bằng giếng cát

- Các thơng số của giếng cát

+ Thường dùng cát hạt thơ, hạt trung (cĩ hệ số thấm lớn)

+ Đường kính giếng cát thường sử dụng: 0,2~0,6 m

+ Chiều sâu giếng cát bố trí hết vùng hoạt động chịu nén của nền

+ Sơ đồ bố trí giếng cát thường cĩ hai dạng chủ yếu: lưới tam giác và ơ vuơng

 Dạng lưới hình tam giác đều (như trong hình 1.2.a)

S Giếng cát nước xung quanh Giếng cát Vùng ảnh hưởng về thoát

Khoảng cách lưới Giếng cát

d

1.1 3*S

Hình 1.2.a Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình tam giác đều

 Dạng lưới hình vuơng (như trong hình 1.2.b)

1.05*S

S Giếng cát nước xung quanh Giếng cát Vùng ảnh hưởng về thoát

Khoảng cách lưới Giếng cát

Hình 1.2.b Sơ đồ bố trí lưới giếng cát hình vuơng

- Tải trọng tạm:

+ Thường dùng cát hoặc đất, nhằm tạo quá trình nén trước nền đất trước khi đặt tải

trọng cơng trình

+ Chiều cao đắp (hay tải trọng cơng trình) được chọn sao cho đảm bảo điều kiện ổn

định của nền đất yếu và khối đắp, phải tạo ra được ứng suất lớn hơn áp lực tiền cố kết

của nền đất để nền đất cĩ thể cố kết

Cĩ khá nhiều phương pháp tính tốn khác nhau cho bài tốn dự báo độ lún của nền

đất yếu xử lý giếng cát kết hợp gia tải trước Tổng quát lại, các giá trị cần tính tốn là:

rỗng thặng dư trong đất nền bị tiêu tán hồn tồn

 Độ lún theo thời gian (St )

St = Ut * Sf Với:

Ut = 1-(1-Uv)*(1- Uh)

1.1.2 Xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước

Tương tự như giếng cát bấc thầm đứng cĩ hệ số thấm lớn hơn nhiều so với nền đất

sét Khi bố trí bấc thấm trong nền đất và kết hợp gia tải, nhờ tải trọng ngồi, nước lỗ

rỗng trong đất nền thấm về hướng bấc thấm rồi sau đĩ thốt nhanh theo phương đứng

ra khỏi đất nền

Cấu tạo hệ thống xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp gia tải trước cũng gồm

ba phần chính như hình 1.3

- Lớp đệm cát và tải trọng tạm tương tự như hệ thống xử lý bằng giếng cát kết hợp gia

tải trước

Nền đất yếu dưới nền đường Bấc thấm

Hình 1.3: xử lý nền bằng bấc thấm

- Bấc thấm:

+ Quá trình thi cơng bấc thấm nhanh nếu cĩ máy thi cơng chuyên dụng

+ Cũng như giếng cát, bấc thấm chỉ nên sử dụng khi cĩ mặt bằng rộng

+ Khi cắm bấc thấm xuống độ sâu lớn thì khả năng thốt nước của bấc thấm sẽ giảm

đi do giảm tiết diện ngang của bấc thấm, do các hạt nhỏ tích vào lịng bấc thấm khi qua

được màng lọc Trong cơng trình đường, vùng hoạt động chịu nén thường khơng quá

lớn nên bấc thấm kết hợp gia tải trước vẫn được sử dụng khá rộng rãi

+ Để tiện cho việc tính tốn, xem mặt cắt ngang của bấc thấm tương đương cĩ dạng

2

) (a b

+ Bấc thấm được bố trí theo sơ đồ tương tự như giếng cát, thường cĩ hai dạng như

Khoảng cách lưới Bấc thấm

Hình 1.5a Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình tam giác đều

 Dạng lưới hình vuơng (như trong hình 1.5b)

d w Bấc thấm Vùng ảnh hưởng về thoát nước xung quanh Bấc thấm

Khoảng cách lưới Bấc thấm

S

Hình 1.5b Sơ đồ bố trí lưới bấc thấm hình vuơng

Phương pháp tính tốn tương tự như giếng cát nhưng được xét với các thơng số của

bấc thấm

1.1.3 Xử lý nền đất yếu bằng bơm hút chân khơng

Bơm hút chân khơng là biện pháp sử dụng áp lực của cột khí quyển (xấp xỉ

Hình 1.6 Mô hình xử lý nền bằng bơm hút chân không

Ưu thế của biện pháp này là khi bơm hút, ứng suất tác dụng vào nền đất chỉ là ứng

suất đẳng hướng, ứng suất lệch không phát sinh nên điều kiện ổn định được đảm bảo

Tuy nhiên, đây là phương pháp xử lý có yêu cầu kỹ thuật thi công phức tạp hơn các

phương pháp khác, thiết bị thi công chuyên dụng

Trong quá trình thi công bơm hút chân không, nếu không có biện pháp xử lý tốt có

khả năng gây nứt, lún các công trình lân cận

Nên sử dụng cho công trình có yêu cầu gấp về tiến độ

1.2 Các phương pháp gia cường

1.2.1 Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vôi

Trước đây biện pháp xử lý đất trộn vôi đã được sử dụng nhiều trong nước Thời

gian gần đây, với công nghệ, thiết bị thi công du nhập từ nước ngoài vào, cộng thêm

việc nghiên cứu được chú trọng nên cọc đất gia cố ximăng được sử dụng phổ biến hơn

trong xây dựng công trình đắp

Cọc đất gia cố ximăng thường dùng cho các công trình chịu tải trọng lớn (đường

lăn, bãi đỗ trong sân bay, bến cảng); các công trình đòi hỏi độ ổn định cao (đường đắp

cao đầu cầu, bãi đúc các cấu kiện lớn, nền kho bãi, ); các công trình gia cố nền trong

phạm vi nhỏ hẹp (nhà móng nông bị nghiêng lún )

Mô hình cấu tạo của phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng,

gia cố vôi cho đường đắp cao đầu cầu thường gặp như hình 1.7

Vải địa

kỹ thuật

Nền đất yếu dưới nền đường

Hình 1.7 Mơ hình xử lý nền bằng cọc đất gia cố xi măng, gia cố vơi

Hiệu quả của việc xử lý nền bằng xi măng hoặc vơi sẽ kém khi độ ẩm và hàm

lượng hữu cơ gia tăng Chỉ số dẻo của đất càng lớn thì khả năng cải tạo nền càng kém

Cải tạo nền hữu cơ bằng ximăng hiệu quả hơn cải tạo bằng vơi Hiệu quả của xi măng

sẽ giảm dần khi hàm lượng sét và chỉ số dẻo tăng Như vậy, độ linh hoạt của sét càng

lớn thì cường độ của đất xử lý bằng xi măng càng thấp Đối với đất trộn xi măng,

cường độ phụ thuộc chủ yếu vào sự xi măng hố trong quá trình thủy hợp

Cĩ hai phương pháp trộn xi măng vào đất khi thi cơng cọc đất trộn xi măng:

Phương pháp trộn khơ (Minh họa như hình 1.8a)

Trong phương pháp này, bột xi măng được phun vào đất qua các lỗ ở đầu ống bằng

hệ thống khí nén, sau đĩ bột xi măng được trộn với đất bằng cách xoay hai cánh gắn

đối xứng ở đầu ống Phương pháp này khơng cần sử dụng nước nên khơng làm tăng

lượng nước trong đất, vì thế việc cải tạo nền cĩ hiệu quả hơn phương pháp trộn ướt

Hình 1.8a Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn khô

Phương pháp trộn ướt (Minh họa như hình 1.8b)

Hình 1.8b Thi công cọc đất-xi măng bằng phương pháp trộn ướt

Trong phương pháp trộn ướt, xi măng được trộn với nước thành một dung dịch

lỏng trước khi bơm chúng vào đất qua các lỗ ở đầu ống với áp lực khoảng 20MPa

Phương pháp này có thiết bị thi công gọn nhẹ hơn phương pháp trộn khô Tuy nhiên,

phương pháp này thường cho cọc có tiết diện không đều vì sức chống cắt của đất thay

đổi theo độ sâu trong khi áp lực phun không thay đổi Do đó khi sử dụng phương pháp

trộn ướt, cần có thử nghiệm thay đổi áp lực phun phù hợp theo điều kiện địa chất công

trình Đến nay, với kinh nghiệm rút ra được từ nhiều công trình thực tế trong điều kiện

địa chất khu vực, việc điều chỉnh áp lực phun đã có nhiều cải tiến Kết quả kiểm tra tại

hiện trường những công trình gần đây cho thấy chất lượng của cọc đất trộn xi măng

được cải thiện đáng kể nên các mẫu thử có thể đạt được cường độ cao Tuy nhiên giá

thành xử lý chiếm tỷ trọng đáng kể trong xây dựng nên phương pháp này thường được

lựa chọn cho những công trình quan trọng và cần thiết như sân bay, bãi chứa có tải

trọng lớn

Tính toán cọc đất xi măng theo nguyên lý cơ bản như sau: Khả năng chịu tải

của cọc xi măng phụ thuộc vào sức chống cắt của đất nền ở xung quanh cọc và sức

chống cắt của bản thân cọc Cơ chế phá hoại của đất nền phụ thuộc vào sức kháng

hông và sức kháng mũi Cơ chế phá hoại của cọc phụ thuộc vào vật liệu bản thân cọc

Khả năng chịu tải theo đất nền

Khả năng chịu tải theo vật liệu

Khả năng chịu tải trọng dài hạn của cọc xi măng là:

A – tiết diện ngang của cọc;

Khi thiết kế cọc xi măng, phải khống chế ứng suất trong cọc nhỏ hơn ứng suất từ

col

soil col

col col

M

M a a

q A

Q

)1( 

A N

Hình 1.9: Sơ đồ phân bố ứng suất tiếp trong nhóm cọc đất - xi măng

Trong trường hợp nhiều cọc và khoảng cách giữa các cọc không vượt quá 1,5~2m

thì cọc và đất nền giữa các cọc được xem làm việc như một khối cứng (hình 1.9) Cọc

trong khối cứng giữ vai trò như cốt cứng gia cường đất nền

Độ lún lệch sẽ nhỏ nếu như ứng suất cắt trung bình trên mặt bên của khối nhỏ hơn

sức chống cắt trung bình của đất nền ở xung quanh cọc

Ứng suất cắt trung bình trên mặt bên phải thoả điều kiện sau:

c

u g

per

f

c H L B

8 , 0



+ B, L, H – kích thước khối cọc

xung quanh cọc

+ fc – hệ số an toàn, f c  1 , 5

1.2.2 Xử lý nền đất yếu bằng vải địa kỹ thuật - lưới địa kỹ thuật

Có nhiều dạng áp dụng vải địa kỹ thuật – lưới địa kỹ thuật để gia cường nền đất

Dưới đây chúng tôi sơ lược trường hợp sử dụng vải địa kỹ thuật để tăng mức độ ổn

định của nền đắp trên nền đất yếu

Khi bố trí vải địa kỹ thuật giữa nền đất yếu và nền đắp (hình 1.10), ma sát giữa đất

đắp và mặt trên của vải địa kỹ thuật sẽ tạo ra lực giữ khối trượt F và nhờ đó mức độ ổn

định của nền đắp trên nền đất yếu tăng lên

Hình 1.10 Sơ đồ bố trí vải địa kỹ thuật gia cường lớp nền đắp

(II) - vùng bị động (vùng vải địa kỹ thuật đóng vai trò neo giữ)

F – lực kéo mà vải phải chịu (T/m)

Y – cánh tay đòn của lực F đối với tâm trượt nguy hiểm nhất (O)

Điều kiện cần bảo đảm trong tính toán thiết kế khi sử dụng giải pháp này là:

F ≤ Fcp Với:

Lực kéo cho phép của vải được xác định theo các điều kiện sau:

k cp max



k - hệ số an toàn, lấy k=2 khi vải làm bằng polieste và k =5 khi vải làm bằng polipropilen hoặc poliethilen

F cp d h fi0

d - dung trọng đất đắp

hi - chiều cao đắp trên vải (thay đổi từ hi=h đến hi =0)

  

3tg

của khối đất đắp trên vải

Vải địa kỹ thuật có thể sử dụng nhiều lớp xem kẽ với các lớp vật liệu đắp dày từ

15cm ~ 30cm để làm tăng lực ma sát giữa vải và nền đắp, tăng mức độ ổn định nền

Ngoài ra, sự xuất hiện của vải địa kỹ thuật làm phân bố lại ứng suất trong thân khối

đắp và trong nền đất yếu, làm giảm độ lún và độ lún lệch của công trình cũng như làm

tăng hệ số ổn định

1.3 Các phương pháp phân bố lại ứng suất

1.3.1 Xử lý nền đất yếu bằng đệm cát

Lớp đệm cát có tác dụng phân bố lại ứng suất lên nền đất yếu bên dưới công trình

đắp, do ứng suất tập trung vào lớp đệm cát có khả năng chịu tải cao hơn Đệm cát làm

tăng độ ổn định của công trình, đẩy nhanh tốc độ cố kết của nền đất

Xử lý bằng đệm cát thường dùng khi tải trọng đắp không lớn, lớp đất yếu dưới

công trình không quá dày và có sẵn vật liệu cát tại địa phương

Vật liệu cát sử dụng làm đệm cát thường dùng cát hạt trung, hạt thô không lẫn bùn

đất với yêu cầu kỹ thuật như sau:

hạt nhỏ hơn 0,08 mm chiếm ít hơn 5% và phải thỏa mãn một trong hai điều kiện:

D

D

60 10

10 60 > 1 và < 3 Trong đó:

Chiều dày đệm cát thường chọn theo kinh nghiệm, theo độ lún công trình và phải

có giá trị lớn hơn 0,5m Độ chặt đầm nén của tầng đệm cát phải đạt ít nhất là 90% độ

chặt đầm nén tiêu chuẩn

Bề rộng lớp đệm cát phải bao phủ hết bề rộng ảnh hưởng của tải trọng nền tác dụng

lên đất nền

Cấu tạo đệm cát xử lý nền thường thấy như hình 1.11

Phương pháp này thi cơng rất đơn giản nên rất hay được sử dụng Tuy nhiên trong

trường hợp tầng đất yếu dày thì biện pháp này ít cĩ hiệu quả Khi đĩ nên sử dụng kết

Phần nền đường

Nền đất yếu dưới nền đường

Bệ phản áp là một trong những biện pháp xử lý cĩ hiệu quả khi xây dựng các nền

đường, đê, đập… trên đất yếu Nội dung của phương pháp xử lý này là dùng vật liệu

địa phương như đất, đá, cát đắp ở hai bên mái taluy cơng trình để chống trượt, trồi đất

do sự phát triển vùng biến dạng dẻo gây ra Ngồi ra, khi cĩ mặt bệ phản áp, các thành

phần ứng suất trong nền sẽ phân bố lại: Ứng suất nén đẳng hướng tăng lên, ứng suất

lệch giảm xuống làm gia tăng độ ổn định của nền và cơng trình

Xác định kích thước bệ phản áp là vấn đề mấu chốt trong việc tính tốn và thiết kế

bệ phản áp Hiện nay cĩ nhiều phương pháp tính tốn kích thước bệ phản áp dựa vào

các giả thiết khác nhau và thường là những phương pháp gần đúng Khi xác định kích

thước bệ phản áp, có tác giả dựa vào sự hình thành của vùng biến dạng dẻo phát triển

ở hai bên trong nền công trình, có tác giả dựa vào giả thiết mặt trượt của nền đất có

dạng hình trụ tròn và cũng có tác giả tính toán theo lý luận cân bằng giới hạn để xác

định mặt trượt và suy ra trạng thái giới hạn của đất nền Đôi khi để đơn giản trong tính

toán, một số tác giả dựa vào điều kiện khống chế ứng suất ngang để quyết định kích

thước bệ phản áp Trong tất cả các phương pháp kể trên thì phương pháp tính toán bệ

phản áp dựa vào lý luận cân bằng giới hạn, xét về mặt lý thuyết là chặt chẽ nhất

Nguyên lý của phương pháp tính toán bố trí kích thước bệ phản áp là xét sự phân

bố lại ứng suất tác dụng lên nền đất

 Dựa vào sự phát triển của vùng biến dạng dẻo

 Dựa vào phương pháp mặt trượt trụ tròn

1.4 Nhận xét và phương hướng của đề tài

Mỗi phương pháp xử lý nền đều có ưu khuyết điểm của chúng Đối với cọc đất trộn

xi măng, mức độ biến dạng cần được kiểm soát chặt chẽ do loại vật liệu này thường bị

phá hoại trong phạm vi biến dạng bé Nền được xử lý bằng giếng cát hay bấc thấm

trong một số trường hợp bị chuyển vị ngang đáng kể, đặc biệt ở khu vực có địa hình

không bằng phẳng Cọc vật liệu rời trong trường hợp này có thể khắc phục các nhược

điểm đó đồng thời vẫn giữ được ưu điểm của hai phương pháp trên Nội dung chi tiết

về biện pháp thi công, kiểm tra cũng như tính toán thiết kế cọc vật liệu rời sẽ được

trình bày ở chương sau

Nhằm mục tiêu đánh giá khả năng ứng dụng của phương pháp cọc vật liệu rời theo

điều kiện cấu tạo địa chất của khu vực, chúng tôi chọn 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”

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN

BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI DÙNG ĐẦM RUNG SÂU

2.1 Giới thiệu và lịch sử của công nghệ đầm rung sâu

Hơn 60 năm qua, công nghệ đầm rung sâu đã được sử dụng để gia cường nhằm gia

tăng khả năng chịu tải và giảm tính nén lún của nền đất yếu Đầm rung cát có lẽ là

phương pháp đầm động sâu có trước nhất, phương pháp này được giới thiệu và phát

triển hoàn chỉnh bởi công ty Johann Keller vào năm 1936 Phương pháp này đã được

nghiên cứu từ khi nó được phát minh đến trước giai đoạn trước thế chiến bởi

Schneider (1938) Sau đó được nghiên cứu bởi Greenwood (1976) và Kirsch (1993)

Công nghệ đầm cát này đã được ứng dụng thành công cho nhiều dự án trên thế

có thể gây ra hiện tượng hóa lỏng Do đó, cần thời gian dài hơn để đạt được hiệu quả

đầm nén, đôi khi quá trình này cũng không mang lại hiệu quả tích cực Khi đó, công

nghệ này bị hạn chế về kỹ thuật kinh tế (theo Kirsch và Sonderman 2003)

Để giải quyết hạn chế của công nghệ đầm rung cát, một kỹ thuật khác được phát

triển vào năm 1956 Sau khi đầm rung được rút lên, lỗ rỗng hình trụ sẽ được lấp đầy

lại bằng vật liệu rời từng đoạn một Vật liệu rời này cũng được đầm chặt bởi lực đầm

rung Kỹ thuật này về sau được gọi là cọc vật liệu rời và cho phép gia cố nhiều loại đất

yếu khác nhau mà sau khi gia cố có thể sử dụng làm nền cho các công trình dân dụng,

công nghiệp và giao thông

Công nghệ bottom-feed là cho đá vào lỗ từ mũi đầm (từ dưới) đã khắc phục được

nhược điểm của việc sập vách khi thi công cọc vật liệu rời trong đất yếu không có ống

vách Phương pháp này sau này được phát triển thành phương pháp thi công khô Bản

quyền phát minh của phương pháp này được trao vào năm 1972 Sau đó, phương pháp

ướt tiếp tục được phát triển khi dùng nước áp lực cao phun ra từ mũi đầm Nước cùng

với bùn sét của đất nền tạo thành dung dịch có tác dụng giữ vách của lỗ đầm không bị

sập

Trong đất nền quá yếu (trạng thái chảy), cọc vật liệu rời không thể áp dụng được

do đất nền không cung cấp đủ sức kháng ngang cần thiết Khi đó, có thể dùng vải địa

kỹ thuật để bao quanh cọc vật liệu rời nhằm tăng lực căng không cho cọc bị phình ra

do đất nền quá yếu và gia tăng hiệu quả đầm chặt Phương pháp này được phát triển

vào năm 1992 và được áp dụng vào đầu năm 1993 cho công trình đập ở Úc Báo cáo

của Sidak và Strauch (2003) đã tổng hợp nhiều dự án sử dụng công nghệ cọc vật liệu

rời có bao vải địa kỹ thuật

Các đề nghị sử dụng cọc vật liệu rời được đưa ra đầu tiên bởi Hiệp hội nghiên cứu

giao thông của Đức năm 1979 (FGFS, 1979) Sau đó, bộ giao thông Mỹ đã ban hành

hướng dẫn “thiết kế và thi công cọc đá” (USDT, 1983) Năm 2000, tổ chức BRE đã

ban hành “Chỉ dẫn cọc đá” Sau cùng vào năm 2003, cộng đồng châu Âu đã ban hành

“Xử lý nền bằng kỹ thuật đầm rung sâu” (Tiêu chuẩn châu Âu WG12, 2003)

2.2 Công nghệ cọc vật liệu rời (cọc đá)

Công nghệ cọc vật liệu rời có thể áp dụng được cho hầu hết mọi loại đất trong đó

dùng lực đầm rung để đầm chặt cọc làm bằng vật liệu rời Có nhiều loại kỹ thuật thi

công khác nhau, trong đó bao gồm:

 Phương pháp ướt (vật liệu được nạp từ đỉnh)

 Phương pháp khô (vật liệu được nạp từ đáy thông qua ống vách)

 Phương pháp khô dưới nước

Trong những phương pháp trên, nguyên tắc thi công cơ bản là giống nhau Đầu

tiên, đầm rung tạo lỗ tại vị trí cần gia cố, đá được cho xuống đáy của lỗ này Nhờ rung

động của máy đầm mà từng đoạn ngắn của cọc đá được đầm chặt, có đường kính lớn

hơn đường kính của lỗ tạo ra ban đầu Quá trình này lặp đi lặp lại đến khi toàn bộ cọc

đá được thi công xong

Cọc đá cùng với đất nền xung quanh hình thành một khối thống nhất có tính nén

lún nhỏ và sức kháng cắt lớn Thêm vào đó, đất rời giữa những cọc đá cũng được đầm

chặt, hiệu quả của cọc đá bao gồm:

 Tăng cường khả năng chịu tải của nền

 Giảm độ lún tổng cộng và độ lún lệch của kết cấu

 Giảm nguy cơ hóa lỏng nền của cát

 Tăng cường tốc độ lún cố kết, tức là rút ngắn thời gian lún cố kết

Tính linh động của vật liệu đá trong cọc đá cũng có thể cho phép nền sau khi gia cố

có thể chịu tải trọng lớn mà không bị phá hoại Tức là nền không bị phá hoại và không

hồi phục tính năng ban đầu với mức độ biến dạng lớn không như các loại vật liệu khác

có tính dòn có thể bị phá hoại với mức độ biến dạng nhỏ hơn Mức độ gia cố (giảm

lún và tăng khả năng chịu tải) do ảnh hưởng của cọc đá phụ thuộc đáng kể vào tính

chất của đất nền, đường kính của cọc đá, khoảng cách giữa các cọc Hình dạng sơ đồ

bố trí lưới cọc và khoảng cách giữa các cọc được xác định căn cứ vào mức độ tải

trọng, tính chất của đất nền và yêu cầu kỹ thuật (sức chịu tải, hệ số an toàn, độ lún cho

phép,…) Đường kính của cọc đá thường từ 0,7m đến 1,1m, khoảng cách giữa các cọc

với nhau từ 1,5m đến 2,5m Chiều sâu của cọc đá tùy thuộc vào đất nền hiện hữu,

chiều sâu điển hình khoảng từ 6m đến 20m Trong một vài trường hợp đặc biệt, khi

lớp đất yếu có bề dày lớn hơn thì chiều dài của cọc có thể kéo đến 30m

2.2.1 Các loại đất nền phù hợp để gia cố bằng cọc vật liệu rời

Cọc đá được ứng dụng rộng rãi do tính chất “mềm dẻo” và linh động (flexible) của

nó Cọc đá đã được ứng dụng để gia cố cho cát bột rời, đất sét mềm, đất bụi rất mềm,

đất sét từ chất thải của mỏ, bùn sét và than bùn

Cát bột rời: Cát rời và bột thường dễ bị hóa lỏng khi xảy ra chấn động Điều này

ảnh hưởng đáng kể đến kết cấu công trình đặc biệt là công trình bể chứa như là bồn

khí hóa lỏng và các trạm hóa chất Những loại đất này có thể được làm chặt bằng cọc

đá để ngăn ngừa nền bị hóa lỏng

Đất sét mềm (bùn sét): Bùn sét thường có sức chịu tải và độ ổn định thấp vì chúng

quả thí nghiệm xuyên tĩnh (CPT) thông thường cũng cho kết quả rất thấp (< 200 KPa),

do đó, nền đất đôi khi không chịu được khối đắp cao 1m Cọc đá có thể sử dụng để gia

cố những loại đất này để chịu tải trọng của những khối đắp cao

Đất sét yếu ven biển: Đất sét ven biển là trầm tích tự nhiên thường thấy ở những

vùng ven biển Loại đất này có nhược điểm về sức chịu tải, độ ổn định và cố kết lâu

dài bởi vì chúng có sức chống cắt rất thấp (6-12 KPa), độ nhạy cao, tính thấm thấp và

tính dẻo cao Cọc đá có thể sử dụng để tăng khả năng chịu tải, giảm thời gian cố kết

2.2.2 Qui trình thi công

Phương pháp ướt: Trong phương pháp này, nước áp lực cao được phun ra từ mũi

của đầm để trợ giúp cho quá trình tạo lỗ vào trong đất nền Qui trình thi công cọc đá

được thực hiện theo từng bước sau đây:

 Đầm rung xuyên vào đất nền nhờ lực rung và nước áp lực

 Khi đạt đến chiều sâu thiết kế, máy đầm được rút lên mặt đất và được thả xuống

lại đến chiều sâu thiết kế để rửa bùn đất tạo lỗ hình trụ có đường kính gần bằng

với đường kính máy đầm Dung dịch bùn đất do nước và đất nền tạo nên giúp

ổn định vách lỗ, tránh sập vách

 Đá được đưa tới miệng hố bằng xe xúc và cho phép rơi tự do xuống lỗ

 Máy đầm được rút lên từ từ, đá sẽ được lấp vào những khoảng trống tại mũi

đầm, máy đầm sau đó được đưa xuống lại đầm chặt phần đá vừa được lấp vào

Lúc này máy đầm sẽ ép đá tỏa tròn và đồng thời đầm chặt đá

 Quá trình này được lặp lại nhiều lần theo sự dịch chuyển lên xuống của máy

đầm cho đến khi toàn bộ chiều dài cọc đá được đầm chặt Quá trình này được

mô tả theo hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả trình tự thi công cọc đá bằng phương pháp ướt

Do nước được sử dụng xuyên suốt trong quá trình thi công nên nguồn nước phải

gần khu vực thi công và cần phải có mặt bằng để tạo bể lắng cho nước bùn đất trước

khi thải ra môi trường

Hình 2.1a Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp ướt

Phương pháp khô: Đối với phương pháp khô, có hai dây chuyền công nghệ được

phát triển Đầu tiên là phương pháp dùng cẩu treo khi quá trình xuyên ban đầu nhờ

trọng lượng là lực rung của máy đầm Thứ hai là dùng máy đặc thù có thể dùng lực

kéo xuống để ấn máy đầm vào trong lòng đất Hai phương pháp này được mô tả trong

hình 2.2

Hình 2.2 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khô bằng trọng lượng và lực rung

Hình 2.2 Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khô bằng lực kéo và lực rung

Đá được cung cấp tới mũi đầm rung thông qua ống vách nhờ áp lực của khí nén,

quá trình thi công bằng phương pháp khô được mô tả theo những bước sau đây:

 Đá được nạp đầy vào trong ống vách, máy đầm bắt đầu xuyên vào đất nền

 Khi đạt đến chiều sâu thiết kế, máy đầm được rút lên khoảng 1-2m (tùy thuộc

vào đất nền), áp lực khí nén sẽ tống đá ra khỏi ống vách và lấp vào lỗ trống mà

đầm tạo ra

 Máy đầm sẽ ép xuống vào lớp đá vừa lấp, đầm và ép đá vào trong đất nền Quá

trình thi công cọc bao gồm chuyển động lên xuống của máy đầm rung cho đến

khi đá trong ống vách hết đi, sau đó đá lại được tiếp tục nạp vào trong ống vách

 Quá trình thi công tiếp tục cho đến khi lên đến mặt đất Toàn bộ quá trình thi

công được mô tả như trong hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ thi công cọc đá bằng phương pháp khô

Đá được nạp liên tục vào trong phễu nạp nhờ xúc lật bảo đảm cho cọc đá được thi

công liên tục Lợi thế của phương pháp khô là không cần sử dụng nước áp lực trong

suốt quá trình thi công, do đó giảm thiểu nhu cầu xử lý và nước thải bùn đất Phương

pháp này có thể được sử dụng hiệu quả khi mặt bằng thi công chật hẹp hoặc không có

nguồn nước gần khu vực thi công

Phương pháp thi công dưới nước: Phương pháp này tương tự như là phương pháp

khô sử dụng cẩu treo Phương pháp này sử dụng xà lan hoặc cầu phao để làm mặt bằng

thi công cho cẩu Hệ thống định vị vệ tinh sẽ trợ giúp trong quá trình định vị điểm thi

công Công tác xuyên xuống chiều sâu thiết kế dưới đáy nước nhờ lực rung của máy

đầm và khí nén Đá được nạp vào đầm nhờ máy đào cần dài hoặc những loại máy móc

khác Sơ đồ dây chuyền thi công cọc đá dưới nước được mô tả như trong hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ thi công cọc đá dưới nước

2.2.3 Thông số kỹ thuật của hệ thống máy đầm rung và các thiết bị phụ trợ cho

công tác thi công cọc đá

Các thiết bị được phát triển để thi công đầm cát hoặc cọc đá bao gồm 4 loại cơ bản

như sau:

 Máy đầm rung và ống nối được treo lên cẩu, dùng nước hay khí nén

 Cẩu hay dàn máy chuyên dùng để treo đầm và các ống nối

 Hệ thống chuyển đá

 Các hệ thống giám sát quản lý chất lượng

Trong các loại máy trên thì máy chính là máy đầm rung, nguyên tắc làm việc của

máy đầm để tạo ra rung động được mô tả như hình 2.5

 

Hình 2.5 Chi tiết và nguyên lý làm việc của máy đầm rung

Năng lượng vận hành của đầm có thể là mô tơ chạy điện hay là mô tơ thủy lực sử

dụng máy phát để cấp điện Mô tơ này mang một khối nặng lệch tâm Công suất của

mô tơ điển hình từ 50 đến 150 kW Công suất lớn nhất của máy đầm có thể lên đến

200 kW trong một vài trường hợp Tốc độ quay của mô tơ khi sử dụng điện phụ thuộc

vào tần số dòng điện và phân cực của mô tơ Ví dụ nguồn điện có tần số 50 Hz có thể

làm mô tơ quay 1.500 hay 3.000 vòng/phút trong khi đó tần số 60 Hz có thể làm mô tơ

quay 1.800 hay 3.600 vòng/phút tùy thuộc vào đơn cực hay lưỡng cực

Trong quá trình quay, khối nặng lệch tâm tạo nên xung động ngang Xung động

ngang này được truyền vào trong lòng đất thông qua vỏ đầm Tùy thuộc vào từng loại

máy đầm khác nhau mà xung động (hay lực đầm) này có thể có cường độ từ 150KN

đến 700KN

Tùy thuộc vào ứng dụng khác nhau mà kỹ sư thiết kế có thể chọn loại máy đầm

cho phù hợp Ví dụ khi đầm cát trên diện rộng, có thễ chọn loại đầm lớn (700 KN) để

giảm số điểm đầm Ngược lại khi thi công cọc đá trong đất yếu thì ta phải chọn loại

đầm nhỏ tránh làm ảnh hưởng nhiều đến đất nền tự nhiên Hình 2.6 thể hiện các loại

máy đầm khác nhau

Hình 2.6 Kích thước và hình thức các loại đầm rung

Chiều sâu cần gia cố qui định tổng chiều dài của máy đầm và ống nối Do đó sẽ

ảnh hưởng đến thiết bị treo (cẩu) cần sử dụng

Mục đích sử dụng máy bánh xích chuyên dùng (vibrocat) để treo cẩu là để bảo đảm

cọc luôn thẳng đứng trong quá trình thi công Thêm vào đó, máy chuyên dùng còn có

tác dụng tác dụng lực nén xuống trong quá trình xuyên ban đầu cũng như quá trình

đầm chặt cọc đá

Để gia tăng hiệu quả công việc, có thể treo nhiều máy đầm trên cẩu để đồng thời

thi công nhiều điểm cùng lúc

2.2.4 Quản lý chất lượng thi công trong phương pháp cọc vật liệu rời

2.2.4.1 Quan trắc

Công nghệ cọc đá được quan trắc bằng các thiết bị đo điện tử hiện đại nhằm đảm

bảo và giám sát liên tục chất lượng thi công Các bước quản lý chất lượng thi công

gồm có

Thiết bị đo để quản lý quá trình thi công, giám sát chất lượng và khối lượng thực

hiện Các thiết bị đo được sử dụng để đo, lưu và in ra các thông số kỹ thuật cho từng

cọc để giúp các kỹ sư quản lý chất lượng và khối lượng thực hiện Các thiết đo được

mô tả như trong hình 2.7

Bộ thiết bị đo bao gồm:

 Màn hình hiển thị trong cabin điều khiển,

 Bộ điều khiển trung tâm và bộ lưu dữ liệu

 Máy in tại cabin điều khiển để in ra các bản in trực tiếp trong quá trình thi công

Hình 2.7 Thiết bị đo kiểm tra chất lượng hiện trường của cọc đá

Các kết quả đo: Trong suốt quá trình thi công, các thông số kỹ thuật của cọc đá

được tự động ghi lại Các giá trị như thời gian, độ sâu, tốc độ xuyên, tốc độ nâng cần,

lực ép và cường độ đầm được ghi lại theo dạng biểu đồ và được in ra Ngoài ra việc

kiểm tra mức độ đầm chặt của cọc cũng được thực hiện dựa vào mức độ tiêu thụ năng

lượng của máy đầm rung tại từng thời điểm trong quá trình thi công Bản in từ hiện

trường được mô tả như trong hình 2.8

Hình 2.8 Ghi nhận kết quả và đánh giá chất lượng quá trình thi công cọc vật liệu rời

2.2.4.2 Thí nghiệm hiện trường

Có nhiều thí nghiệm hiện trường được sử dụng để kiểm tra chất lượng của cọc đá

bao gồm:

Thử tải tĩnh nền: Được thực hiện nhằm xác định khả năng chịu tải của nền và

module tổng biến dạng của nền sau khi xử lý

Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn, thí nghiệm xuyên động tại tim cọc nhằm xác định độ

đầm chặt của cọc đá

Các quan trắc hiện trường: Cọc đá có tác dụng gia tăng khả năng chịu tải, giảm độ

lún và tăng độ ổn định của nền Do đó trong từng ứng dụng cụ thể, người kỹ sư có thể

bố trí các thiết bị quan trắc khác nhau nhằm kiểm tra độ cố kết của đất sau xử lý (quan

trắc áp lực nước lỗ rỗng thặng dư), đo chuyển vị ngang (inclinometer)…

2.2.5 Ứng dụng và hạn chế

Như đã đề cập ở trên, cọc đá được triển khai để tăng cường khả năng chịu tải đồng

thời làm giảm độ lún của nền đất cho nhiều loại công trình, kết cấu khác nhau cũng

như theo cấu tạo địa chất cụ thể khác nhau, từ kết cấu móng đơn cho các công trình

công nghiệp nhỏ đến những kết cấu lớn như móng bồn chứa hoặc nền đắp Do bản

thân cọc đá có sức chống cắt lớn nên cọc đá có thể lựa chọn để ổn định mái dốc Khi

yêu cầu thời gian cố kết quan trọng hơn sức chịu tải thì cọc đá cũng là phương án đáng

để quan tâm nghiên cứu vì cọc đá sẽ có lưu lượng tháo nước lớn hơn rất nhiều so với

những phương án gia cố thoát nước khác

Cọc đá có hạn chế là không áp dụng tốt được cho đất có trạng thái chảy với sức

kháng cắt quá nhỏ bởi vì lực kháng chống nở hông quá nhỏ Tuy nhiên, cọc đá cũng đã

đến 15 KPa Trong trường hợp nền đất quá cứng trên bề mặt có thể quá trình xuyên sẽ

gặp khó khăn Một hạn chế nữa của công nghệ này là ảnh hưởng lực rung động đến

các kết cấu bên cạnh, do đó người kỹ sư cần xem xét kỹ lưỡng điều kiện thực tế tại

công trình cũng như trình tự thi công thích hợp, tránh làm ảnh hưởng đến những kết

cấu hoàn thiện lân cận

2.3 Nhận xét chương

Cọc vật liệu rời (cọc đá và cọc cát) đã được sử dụng trong công tác gia cố nền đất

yếu nhằm tăng cường khả năng chịu tải và độ ổn định của nền trong nhiều năm qua và

đã chứng minh tính hiệu quả bằng nhiều công trình trên thực tế Tại Việt Nam đã có

một vài dự án sử dụng công nghệ cọc đá để gia cố nền đất yếu nhưng mức độ còn nhỏ

lẻ và chủ yếu được thực hiện bởi các nhà thầu chuyên nghiệp nước ngoài Tồn tại một

số biện pháp thi công cọc vật liệu rời tùy theo điều kiện thi công và cấu tạo địa chất

khu vực cần xử lý gia cường Ngoài ra, quá trình và các thông số kỹ thuật thi công

được ghi nhận và kiểm soát tự động cho phép kiểm tra chất lượng quá trình thi công

một cách chặt chẽ nhằm hạn chế các sơ xuất cũng như đánh giá hiệu quả của phương

pháp gia cường này

Trong các mục sau, đề tài nghiên cứu sẽ tập trung vào tổng hợp các lý thuyết tính

toán, thực hiện tính toán chi tiết bài toán thực tế tại Việt Nam Kết quả được so sánh

với các biện pháp xử lý nền đất yếu khác trên phương diện hiệu quả kinh tế kỹ thuật từ

đó rút ra khả năng ứng dụng của phương pháp này

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CỌC VẬT LIỆU

RỜI

Trong chương này, những vần đề cơ bản của khái niệm phần tử đơn vị (unit cell),

cơ chế phá hoại của cọc vật liệu rời dựa vào kinh nghiệm hiện trường và thí nghiệm

mô phỏng được trình bày Tiếp đó, là một vài phương pháp thiết kế thường được sử

dụng đã được đề xuất bởi nhiều nhà nghiên cứu dựa vào các cơ chế phá hoại khác

nhau để dự đoán khả năng chịu tải, tính ổn định và độ lún công trình

3.1 Khái niệm về phần tử đơn vị trong cọc vật liệu rời

Thông thường, cọc vật liệu rời được thi công ở dạng lưới tam giác, chữ nhật hoặc

lục giác như sơ đồ trong hình 3.1 (theo Balaam & Booker,1981) Tuy nhiên, để phục

vụ cho mục đích thiết kế, cần phải định nghĩa vùng đất bao quanh cọc vật liệu rời của

mỗi cọc riêng lẻ là miền hình tròn đại diện cho cọc và phần đất nền bao quanh nó Ví

dụ như với lưới cọc hình tam giác thì hình tròn tương đương có đường kính tương

đương là 1,05S, hay như với lưới hình vuông sẽ có đường kính tương đương là 1,13S

Trong đó- S là khoảng cách giữa các tim cọc

Hình 3.1 Miền ảnh hưởng tương ứng với các sơ đồ bố trí lưới cọc

Phân bố lưới cọc lưới tam giác

Phân bố lưới cọc lưới ô vuông

Phân bố lưới cọc lưới lục giác

Một cọc vật liệu rời và vùng ảnh hưởng tương đương có đường kính de được xem

là một phần tử đơn vị (unit cell) mà mỗi phần tử đơn vị có diện tích bằng với diện tích

thực của miền đại diện Phần tử đơn vị có thể được mô hình hóa như là khối đất tương

đương hình trụ tròn được bao bọc bởi tường không ma sát như hình 2.2 (theo

Barksdale & Bachus, 1983)

Hình 3.2 Mô hình phần tử đơn vị

Như trong hình 3.3, lượng đất thay thế bằng cọc vật liệu rời trong một phần tử đơn

vị có thể định lượng được bằng tỷ diện tích thay thế bằng công thức sau đây:

Hình 3.3: Sơ đồ phân bố ứng suất lên nền gia cố cọc vật liệu rời

Aboshi đề nghị khi tải trọng tác dụng vào khối đất tương đương thì quá trình phân

bố lại ứng suất sẽ xảy ra do sự khác biệt về độ cứng giữa cọc vật liệu rời và đất nền

xung quanh khi mà chuyển vị đứng giữa hai thành phần này xấp xỉ bằng nhau Ứng

suất tập trung vào cọc vật liệu rời sẽ dẫn đến sự giảm ứng suất tác dụng vào đất nền

Lăn không ma sát

Cọc đá

Đất