Luận văn thạc sĩ kĩ thuật nghiên cứu áp dụng cọc cát để gia cố nền đường trên đất yếu tại hải phòng

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ĐỖ HÙNG MẠNH NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CỌC CÁT ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƢỜNG TRÊN ĐẤT YẾU TẠI HẢI PHÒNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DD&CN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH NGUYỄN VĂN QUẢNG HẢI PHÒNG - 2015 MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU……………………………………………… ………………………….…….3 1.1 Khái niệm đất yếu……………………………………………… ………….3 1.2 Mục tiêu xử lý đất yếu………………………………………….……….…5 1.3 Các phƣơng pháp xử lý đất yếu……………………………………….… 1.3.1 Phƣơng pháp xử lý đất yếu cọc cát…………………………….… 1.3.2 Phƣơng pháp xử lý đất yếu cọc đất xi măng cọc đất vôi.…….8 1.3.3 Phƣơng pháp xử lý đất yếu giếng cát………………………….… 1.3.4 Phƣơng pháp xử lý đất yếu đệm cát…………………………… 10 1.3.5 Phƣơng pháp xử lý đất yếu cọc tre, cọc tràm……………… … 10 1.3.6 Phƣơng pháp xử lý đất yếu bấc thấm………………………… 10 1.4 Kết luận chƣơng I…………………………………… ………………….… 12 CHƢƠNG II: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VỀ CỌC CÁT………………… … 13 2.1 Khái niệm cọc cát 13 2.2 Đặc điểm cọc cát .13 2.3 Trình tự tính tốn cọc cát 14 2.3.1 Xác định hệ số rỗng enc đất sau đƣợc nén chặt cọc cát 14 2.3.2 Xác định diện tích đƣợc nén chặt 15 2.4 Thiết kế cọc cát .16 2.4.1.Xác định số lƣợng cọc cát .16 2.4.2 Bố trí cọc cát 16 2.4.3 Xác định độ đầm nện cọc cát 21 2.4.4 Xác định chiều sâu nén chặt cọc cát 22 2.4.5 Lựa chọn đƣờng kính cọc cát .23 2.4.6 Lựa chọn mạng lƣới bố trí cọc cát 23 2.4.7 Xác định sức chịu tải đất sau nén chặt cọc cát 24 2.4.8 Kiểm nghiệm độ lún đất sau nén chặt cọc cát 25 2.5 Biện pháp thi công gia cố đất yếu cọc cát .25 2.6 Kiểm tra chất lƣợng gia cố cọc cát 29 2.7 Kinh nghiệm thi cơng cọc cát nƣớc ngồi 30 2.8 Kinh nghiệm thi công cọc cát Việt Nam 32 2.10 Phân tích, nhận xét, lựa chọn cho trƣờng hợp dùng cọc cát 32 2.11 Các ƣu, nhƣợc điểm sử dụng cọc cát 34 2.11 Kết luận chƣơng II 35 CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT CHO KHU VỰC HẢI PHÒNG………………………… …………………….……….36 3.1 Đặc điểm điều kiện địa chất cơng trình khu vực Hải Phòng 36 3.1.1 Đặc điểm điều kiện vị trí địa lý địa chất tự nhiên 36 a Đặc điểm vị trí địa lý, dân cƣ, kinh tế 36 b Địa hình 36 3.1.2 Phân vùng địa chất cơng trình khu vực thành phố Hải Phòng .38 a Miền địa chất cơng trình .38 b Vùng địa chất cơng trình 38 c Khu địa chất cơng trình 38 d Xây dựng địa tầng tiêu biểu cho phân vùng địa chất cơng trình thành phố Hải Phịng 43 3.2 Phạm vi nghiên cứu toán xử lý đất yếu cọc cát cho cơng trình Hải Phịng 46 3.3 Thực trạng kinh nghiệm Hải Phòng gia cố đất yếu cọc cát 48 3.3.1 Tính tốn thiết kế xử lý đất yếu đƣờng cao tốc Hải Phòng – Hà Nội đoạn tuyến từ KM+000 đến KM3+000 phƣơng pháp cọc cát .48 3.3.2 Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km0+750 đến Km2+300 49 a Tính tốn diện tích cần xử lý 49 b Tính tốn chiều sâu xử lý 49 c Tính tốn đƣờng kính khoảng cách cọc 50 d Tính tốn số lƣợng cọc .50 3.3.3 Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km2+300 đến Km3+000 52 a Tính tốn diện tích cần xử lý 52 b Tính tốn chiều sâu xử lý 52 c Tính tốn đƣờng kính khoảng cách cọc 52 d Tính toán số lƣợng cọc .53 3.3.3 Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km0+000 đến Km0+750 53 a Tính tốn diện tích cần xử lý 54 b Tính tốn chiều sâu xử lý 54 c Tính tốn đƣờng kính khoảng cách cọc 54 d Tính tốn số lƣợng cọc .55 3.5 Kết quan trắc lún…………………………………………………………56 3.4 Phạm vi nghiên cứu toán gia cố đất yếu cọc cát khu vực Hải Phòng .57 3.4.1 Tính tổng độ lún 58 a Độ lún tức thời 59 b Độ lún cố kết ban đầu (Sc) 61 c Độ lún thứ cấp (Ss) .62 3.4.2 Nến đất yếu nhiều lớp đƣợc gia cố cọc cát 62 a Tính hệ số tập trung 63 b Tính độ lún cố đầu 63 3.4.3 Tính tốn tốc độ gian 64 lún cố kết a Tính tốn hệ số cố đứng 64 ban kết đầu kết ban theo ngang thời 3.4.4 Độ lún thứ cấp SS đất gia cƣờng cọc cát 66 3.4.5 Trị số tăng độ bền đất sau gia cố cọc cát 66 3.5 Kết toán .67 tính 3.6 Kết luận chƣơng III………………………………………………………… 68 Kết luận nghị 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 72 kiến MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Nền đƣờng phận quan trọng đƣờng ô tô, để đảm bảo độ ổn định đƣờng điều kiện quan trọng để đảm bảo ổn định cho lớp áo đƣờng tuyến đƣờng Các tuyến đƣờng nƣớc ta cụ thể tuyến đƣờng chạy qua Hải Phịng đa phần thành phần lớp đất có tỉ lệ lớp đất yếu Do việc nghiên cứu, lựa chọn giải pháp xử lý đất yếu để đảm bảo ổn định cho tuyến đƣờng Hải Phòng yêu cầu cấp bách để pháp triển kinh tế xã hội thành phố Đất yếu hầu nhƣ có mặt rộng khắp nơi vùng đồng Việt Nam nhƣ đồng Sông Hồng đồng sông Cửu Long Đất yếu phân bố phổ biến có tính phức tạp Đồng Sông Hồng phải kể đến khu vực thuộc tỉnh thành phố vùng ven biển nhƣ Thành phố Hải Phịng Do đặc tính phức tạp đất yếu nên việc thi cơng xây dựng cơng trình giao thông, bến cảng vùng đất yếu phải đối mặt với vấn đề kỹ thuật xử lý Các cơng trình giao thơng trọng điểm nhƣ quốc lộ 10, quốc lộ 5, đuờng đảo Đình Vũ, hệ thống cảng Đình Vũ, cảng Chùa Vẽ, cơng trình sân bay Cát Bi…là minh chứng cụ thể Đặc biệt theo định hƣớng phát triển thành phố Hải Phòng thời gian tới trung tâm đô thị thành phố mở rộng, khu công nghiệp đƣợc đầu tƣ xây dựng vùng ngoại thành địa hình bãi bồi có cấu trúc đất yếu phức tạp Do vấn đề cần quan tâm trƣớc tiên việc lựa chọn tìm giải pháp gia cố đất cách hợp lý hiệu đảm bảo cho việc xây dựng cơng trình đƣợc ổn định an tồn góp phần thúc đẩy nghiệp cơng nghiệp hố đại hố thành phố Hải Phịng theo chủ chƣơng nghị số 32 Bộ Chính trị Để mở rộng hệ thống phƣơng pháp xử lý nền, việc nghiên cứu khả áp dụng cọc cát để gia cố đƣờng đất yếu Hải Phòng thực cần thiết Mục đích nghiên cứu: Kết nghiên cứu làm sáng tỏ cấu trúc đặc tính địa chất cơng trình loại đất yếu khác phân bố khu vực thành phố Hải Phịng ảnh hƣởng tới việc thiết kế, thi công cọc cát Khả áp dụng biện pháp xử lý cọc cát cho dạng đất yếu khác khu vực thành phố Hải Phòng Đánh giá độ lún đất cụ thể địa chất Hải Phòng trƣớc sau đƣợc gia cố hệ thống cọc cát Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Các dạng đất yếu tiêu biểu khu vực thành phố Hải Phòng Giải pháp xử lý đất yếu cọc cát thành phố Hải Phòng Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Đƣa giải pháp xử lý đất yếu cọc cát thành phố Hải Phịng Đƣa tốn liên quan việc xử lý đất yếu cọc cát Bố cục luận án: Luận án gồm phần sau: - Mở đầu - Chương I: Tổng quan đất yếu giải pháp xử lý đất yếu - Chương II: Tổng quan cọc cát - Chƣơng III: Nghiên cứu gia cố đất yếu cọc cát cho khu vực Hải Phòng - Kết luận kiến nghị - Tài liệu tham khảo CHƢƠNG I TỔNG QUAN ĐẤT YẾU VÀ CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Khái niệm đất yếu Đất yếu thuật ngữ đƣợc sử dụng phổ biến lĩnh vực xây dựng Hiện nay, tồn số quan niệm khác đất yếu Dựa tiêu chuẩn hành Việt Nam nhƣ TCXD 245-2000, 22TCN 262-2000, tham khảo tiêu chuẩn phân loại đất ASTM, BS, theo đất yếu loại đất có số đặc điểm sau đây: - Là loại đất có khả chịu tải thấp (sức chịu tải nhỏ 1,0kG/cm2), mô đun biến dạng nhỏ (E0 < 50kG/cm2); - Dễ bị biến dạng có tải trọng tác dụng, có độ lún lớn (thƣờng hệ số rỗng ban đầu e0 >1); có lực chống cắt thấp (Cu < 0,15kG/cm2), giá trị xuyên tiêu chuẩn NSPT < búa, sức kháng xuyên đơn vị qc < 10kG/cm2 - Là loại đất đƣợc thành tạo từ vật liệu trầm tích trẻ ( từ 10.000 đến 15.000 năm tuổi trình cố kết điều kiện mơi trƣờng khác (bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, đầm lầy ) Trên cở sở đặc điểm địa chất cơng trình (thành phần, tính chất lý ), đất yếu đƣợc chia loại sau: (1) Đất sét mềm bồi tụ bờ biển gần biển (đầm phá, cửa sông, đồng tam giác châu thổ…) loại lẫn hữu q trình trầm tích (hàm lƣợng hữu lên tới 10% - 12%) Đối với loại này, đƣợc xác định đất yếu trạng thái tự nhiên, độ ẩm chúng gần cao giới hạn nhão, hệ số rỗng lớn (sét e0 > 1,5; sét e0 > 1), lực dính C theo kết cắt nhanh khơng nƣớc Cu < 35 kG/cm2, góc nội ma sát φ < 10 (2) Than bùn đất hữu có nguồn gốc đầm lầy, nơi tích đọng thƣờng xuyên, mực nƣớc ngầm cao Tại đây, xác loài thực vật bị thối rữa phân hủy, tạo vật lắng hữu lẫn với khoáng vật từ vật liệu Loại thƣờng đƣợc gọi đất đầm lầy, than bùn, hàm lƣợng hữu chiếm tới 20% 80%, thƣờng có màu xám đen hay nâu xẫm, cấu trúc khơng mịn (vì lẫn tàn dƣ thực vật) Trong điều kiện tự nhiên, than bùn có độ ẩm cao trung bình W = 85% - 95% Than bùn loại đất thƣờng xuyên nén lún lâu dài, không đều, hệ số nén lún đạt 3-10 cm2/daN, thƣờng phải thí nghiệm than bùn thiết bị nén với mẫu cao 40 – 50cm Đất yếu đầm lầy than bùn đƣợc phân theo hàm lƣợng hữu chúng: Hàm lƣợng hữu từ 20% - 30%: đất nhiễm than bùn Hàm lƣợng hữu từ 30% - 60%: đất than bùn Hàm lƣợng hữu 60%: than bùn (3) Bùn lớp đất đƣợc hình thành mơi trƣờng nƣớc nƣớc biển, gồm hạt mịn (< 200µm) Đặc điểm thành phần kết cấu thành phần khống vật thay đổi thƣờng có kết cấu tổ ong Hàm lƣợng hữu thƣờng dƣới 10% Đất bùn trầm tích đại, đƣợc thành tạo chủ yếu kết tích lũy vật liệu phân tán mịn đƣờng học hóa học đáy biển vũng vịnh, hồ bãi lầy, hồ chứa nƣớc bãi bồi sơng Vì thƣờng phân biệt bùn biển, bùn vũng, bùn hồ, bùn lầy bùn bồi tích Bùn no nƣớc yếu mặt chịu lực Cƣờng độ bùn nhỏ, biến dạng lớn, mô đun biến dạng vào khoảng 1-5kG/cm2 với bùn sét; từ 10-25kG/cm2 với bùn pha cát bùn cát pha sét; hệ số nén lún đạt lên tới 2-3cm2/daN Nhƣ vậy, bùn loại trầm tích nén chƣa chặt, dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên Do xây dựng cơng trình đất bùn cần áp dụng biện pháp xử lý phù hợp 1.2 Mục tiêu xử lý đất yếu Việc xử lý đất yếu nhằm hƣớng đến mục tiêu chủ yếu sau: - Tăng khả chịu lực đất - Tăng khả chống biến dạng đất - Giảm tính thấm nƣớc cho đất Để đạt đƣợc mục tiêu việc xử lý đất yếu thực theo hƣớng sau: * Tăng độ chặt đất nền: theo hƣớng sử dụng: + Các phƣơng pháp học: nhóm phƣơng pháp phổ biến nhất, bao gồm phƣơng pháp làm chặt việc sử dụng tải trọng tĩnh (phƣơng pháp nén trƣớc), sử dụng tải trọng động (đầm chấn động), sử dụng cọc không thấm, phƣơng pháp làm chặt giếng cát, loại cọc vật liệu rời (cọc cát, cọc xi măng đất, cọc vôi …) để gia cố tác nhân học Trong việc sử dụng phƣơng pháp tải trọng động đƣợc sử dụng phổ biến hiệu cho loại đất hạt rời, đặc biệt cát xốp nhƣ dùng máy đầm rung, đầm lăn Tuy nhiên chúng tăng độ chặt cho lớp đất bề mặt Các loại cọc tre, cừ tràm, cọc gỗ thƣờng đƣợc áp dụng cho cơng trình dân dụng + Hạ mực nƣớc ngầm: hạ mực nƣớc ngầm giúp cho trình cố kết nhanh tạo khả giảm độ rỗng lớp đất nhờ tăng trọng lƣợng khối đất bên * Biến đổi cấu trúc đất phương pháp hóa – lý – sinh: + Phƣơng pháp nhiệt học: phƣơng pháp độc đáo sử dụng kết hợp với số phƣơng pháp khác điều kiện tự nhiên cho phép Sử dụng khí nóng 800C để làm biến đổi đặc tính lý hóa đất yếu Phƣơng pháp chủ yếu sử dụng cho điều kiện đất đất sét cát mịn Phƣơng pháp địi hỏi lƣợng lƣợng khơng nhỏ nhƣng cho kết nhanh tƣơng đối khả quan + Phƣơng pháp hóa học: phƣơng pháp đƣợc ý thời gian gần Sử dụng hóa chất để tăng cƣờng liên kết đất nhƣ xi măng, thủy tinh, phƣơng pháp silicat hóa…Hoặc số hóa chất đặc biệt phục vụ mục đích điện hóa Phƣơng pháp xi măng hóa sử dụng cọc xi măng đất phƣơng pháp đƣợc sử dụng tƣơng đối phổ biến + Phƣơng pháp sinh học: phƣơng pháp mới, ngƣời ta sử dụng vi sinh vật để làm đầy lỗ rỗng đất từ làm giảm hệ số rỗng gắn kết hạt đất lại với để làm tăng lực dính đơn vị đất Tuy nhiên, phƣơng pháp đƣợc quan tâm yêu cầu thời gian thi công tƣơng đối dài đƣợc nhiều ủng hộ mặt kinh tế 10 * Thay lớp đất đế móng loại đất khác tốt hơn: phƣơng pháp đƣợc sử dụng Để khắc phục vƣớng mắc gặp lớp đất yếu phân bố dƣới đáy móng, ngƣời ta thay phần toàn đất yếu lớp đất có tính bền học cao, nhƣ làm gối cát, đệm cát Phƣơng pháp đòi hỏi kinh phí đầu tƣ lớn thời gian thi công lâu dài * Điều chỉnh tiến độ thi công: tăng tải dần xây dựng phận công trình theo giai đoạn nhằm cải thiện khả chịu lực đất, cân độ lún phận kết cấu cơng trình Việc lựa chọn phƣơng pháp xử lý hợp lý phụ thuộc vào tính chất đất nền, loại tải trọng cơng trình, loại móng, thiết bị điều kiện thi cơng, u cầu tiến độ Các phƣơng pháp sử dụng riêng biệt kết hợp với để đạt hiệu cao 1.3 Các phƣơng pháp xử lý đất yếu: 1.3.1 Phương pháp xử lý đất yếu cọc cát: Phƣơng pháp nén chặt đất dƣới sâu cọc cát phƣơng pháp tạo cọc cát có đƣờng kính tƣơng đối lớn đƣợc đầm chặt đất yếu đƣợc gia cố Cọc cát có tác dụng sau: - Cọc cát giúp cho đất thoát nƣớc nhanh, đẩy nhanh q trình cố kết đất nhanh chóng ổn định độ lún cơng trình - Cọc cát chiếm phần thể tích lỗ rỗng nền, giúp giảm lỗ rỗng làm cho đất chặt hơn, tăng khả chịu lực giảm độ lún cho cơng trình - Cọc cát có khả làm chặt đất đến độ sâu lớn, nên sử dụng cho cơng trình có tải trọng lớn tác dụng lên Đƣờng kính cọc thƣờng từ 20 đến 60cm Chiều sâu cọc cát thƣờng đƣợc tính theo yêu cầu ổn định độ lún Khoảng cách cọc đƣợc tính dựa tính chất lý đất, khoảng tĩnh không cọc không nên vƣợt lần đƣờng kính cọc Nền sau thi công xong cọc cát cần phải đƣợc kiểm tra cẩn thận cách: khoan lấy mẫu đất cọc để xác định biến đổi tiêu 61 3.4 Phạm vi nghiên cứu toán gia cố đất yếu cọc cát khu vực Hải Phòng Đối tƣợng nghiên cứu khu vực có đầt yếu phức tạp chịu tác dụng dạng tải trọng khác Do việc nghiên cứu giải pháp cọc cát việc xử lý đất yếu khu vực Hải Phòng để đáp ứng đƣợc đầy đủ yêu cầu thực tế khó thực đƣợc, nên phạm vị nội dung đề tài luận văn tập trung vào toán nghiên cứu đánh giá khả xử lý đầt yếu giải pháp cọc cát dạng tiêu biểu có đặc điểm địa chất nhƣ hình 3.1, trƣờng hợp điển hình phổ biến đất chịu tải trọng phân bố điều diện tích chịu tải Hình 3.1 Các mặt cắt địa chất tiêu biểu cho dạng I,II,II khu vực Hải Phòng Tải trọng phân bố tốn đƣợc mơ hình hố khối đất đắp cao m cộng với 1m đệm công tác hạt thô P = m x 20 KN/m3 = 120 KN/m3 nhƣ hình 3.2 62 Hình 3.2 Mơ hình đất yếu dạng II chưa gia cường chịu tác dụng tải trọng 3.4.1 Tính tổng độ lún Nền đất yếu nhiều lớp chƣa đƣợc gia cố cọc cát dƣới tác dụng tải trọng cơng trình Tiêu biểu cho việc tính tốn thiết kế giải pháp gia cố ba dạng phân bố phổ biến khu vực Hải Phịng dạng II với cấu trúc đất tạo ba lớp yếu khác nhƣ hình 3.2, chịu tải trọng khối đất đắp Tổng độ lún cuối đất yếu dƣới tải trọng phân bố khối đất đắp phía đƣợc xác định theo cơng thức: S = Si + Sc + Ss (3.1) Trong đó: S : tổng độ lún ổn định cuối cùng, m,( mm) Si: độ lún tức thời, m, (mm) Sc: độ lún cố kết ban đầu, m, (mm) Ss: độ lún thứ cấp; m, (mm) 63 Hiện có nhiều phƣơng pháp tính tổng độ lún S nhƣ trị số độ lún thành phần (S , Sc, Ss) nhƣ phƣơng pháp cộng lớp, phƣơng pháp lớp đất tƣơng đƣơng, phƣơng pháp cân bằng, phƣơng pháp phần từ hữu hạn Dƣới tác giả luận văn xin trình bầy số phƣơng pháp tính tốn nói phƣơng pháp cộng lớp tƣơng đƣơng phƣơng pháp cân để xác định tổng độ lún cuối đất yếu dƣới tải trọng khối đất đắp phía Giả thiết trụ trịn có đƣờng kính B = 2b = 1,9m Chịu tải trọng phân bố p = 120 KN/ m2 Khi ta có sơ đồ ứng suất nhƣ hình 5.3 Tổng độ lún ba lớp đƣợc tính tốn theo cơng thức (5.1) trị số độ lún thành phần đƣợc xác định nhƣ sau: a Độ lún tức thời: Theo phƣơng pháp gần Janbu cải tiến, ta có : Hiện có nhiều phƣơng pháp tính tổng độ lún S nhƣ trị số độ lún thành phần (S , Sc, Ss) nhƣ phƣơng pháp cộng lớp, phƣơng pháp lớp đất tƣơng đƣơng, phƣơng pháp cân bằng, phƣơng pháp phần từ hữu hạn Dƣới phƣơng pháp cộng lớp tƣơng đƣơng phƣơng pháp cân để xác định tổng độ lún cuối đất yếu dƣới tải trọng khối đất đắp phía Để thuận lợi cho việc kiểm chứng kết hai phƣơng pháp tính tay tính máy có hỗ trợ phần mềm Plaxis tác giả luận văn sử dung mơ hính hố trụ trịn đơn vị đất để tính Giả thiết trụ trịn có đƣờng kính B = 2b = 1,9m Chịu tải trọng phân bố p = 120 KN/ m2 Khi ta có sơ đồ ứng suất nhƣ hình 3.3 Tổng độ lún ba lớp đƣợc tính tốn theo cơng thức trị số độ lún thành phần đƣợc xác định nhƣ sau: Theo phƣơng pháp gần Janbu cải tiến, ta có: Si  0 * 1 P*B E *s (3.2) 64 Trong đó: µ0: hệ số ảnh hƣởng độ sâu chơn móng so với bề dày mặt đất (D): Ta có: D/B = nên µ0 = 1,0 µ1: hệ số ảnh hƣởng hình dạng móng, tốn xét có tiết diện móng hình trịn H/B=16/1,9=8,4 nên ta đƣợc µ1 = 0,57 n Es  * E h oi i n n h  2714 * 2,5  1622 *  2148 * 2,5  2027 KN / m 2,5   2,5 i l Hình 3.3 Sơ đố tính tốn tổng độ lún đất yếu nhiều lớp theo phương pháp cân 65 Thay trị số vào công thức vào (3.2) ta nhận đƣợc: S1  1, * 0,57 * 120 *1,9  0, 064m 2027 b Độ lún cố kết ban đầu (Sc): Theo phƣơng pháp cân bằng, ta có: n Si   ei * H (3.3) Trong đó:   oi'   ci  Cci e  log    eoi   oi  * i (3.4) Chiều dày lớp đất phân bố, trƣờng hợp toán lấy σ’oi: Ứng suất hữu hiệu tầng phủ lớp đất phân bố chia Kết tính độ lún cố kết ban đầu (Sc) đƣợc lập chia thành bảng dƣới đây: Bảng 3.4 Kết qủa tính tốn độ lún cố kết ban đầu cấutrúc dạng II chưa gia cố cọc cát 66 c Độ lún thứ cấp (Ss): Giả sử Ss = 0,25 x Sc = 0,25 x 0,37 = 0,093 m Vậy độ lún tạo lớp đất yếu dƣới tác dụng tải trọng 120 KN/ m2 khối đất đắp phía gây là: S = 0,064 + 0,37 + 0,093 = 0,52m Vậy tổng độ lún là: S = 520 mm 3.4.2 Nến đất yếu nhiều lớp đƣợc gia cố cọc cát: Giả thiết cọc cát gia cƣờng đất yếu đƣợc bố trí theo sơ đồ tam giác đều, tỉ số diện tích thay as = 0,1; tỉ số chiều dài cọc cát với đƣờng kính L/D = Vật liệu cát làm cọc có tính chất nhƣ bảng 5.1 Với E0 = 20000 KN/m2, Do khối lƣợng tính toán lớn, nên luận văn này, tác giả vào tính tốn cụ thể trƣờng hợp gia cƣờng ba dạng đất yếu (dạng I, dạng II, dạng III), giải pháp cọc cát với giá trị as = 0,1, L = 10m, L/D = 20 Trong trình bày chi tiết bƣớc tính tốn cho trƣờng hợp không đồng lớp (dạng II) Ta có: as = 0,907(D/S)2 as = 0,907(0,6/1,8)2 = 0,1 De = 1,05.S = 1,05 x1,8m =1,9m Rê = 0,95m Hình 3.4 Sơ đồ trụ đơn vị (a) mặt bố trí theo hình tam giác (b) 67 a TÝnh hÖ sè tËp trung øng suÊt: n EC  E i n  2274 KN / m Ta có Mơđun đàn hồi đất: Vậy ta có tỷ số: Theo mối tƣơng quan n tỉ số Es/Ec hình 3.4 ta tìm đƣợc n=2,4 c  1   0,87  n  1as  2,  1*0,1 Hệ số giảm ứng suất đất sét yếu bao quanh đầu cọc cát, đƣợc tính: Es 20000  9 Ec 2274 b Tính độ lún cố kết ban đầu: Độ lún cố kết ban đầu đất yếu gia cƣờng cọc cát dƣới tác dụng khối đắp bên có giá trị P = 120 KN/m2 đƣợc kết đƣợc lập thành bảng sau: Hình 3.5 Kết tính tốn độ lún cố kết ban đầu cho có cấu trúc dạng II gia cố cọc cát 68 3.4.3 Tính tốn tốc độ lún cố kết ban đầu theo thời gian: a Tính tốn hệ số cố kết ngang đứng: n Ch  Ch  0,014(m / ngaydem) i * Chi n h i Ch  h 2, 0, 016  0, 01  2, 0, 017 2,   2, (3.5) Tính tốn hệ số cố kết trung bình theo phƣơng ngang: Thay vào ta có: Tính tốn hệ số cố kết trung bình theo phƣơng đứng: n Cv  h i      n hi Cvi     (3.6) Theo điều kiện tốn: Tổng mức độ cố kết trung bình theo phƣơng ngang phƣơng đứng (U) Cv  Ch 0, 014   0, 007(m2 / ngaydem) 2 đƣợc xác định nhƣ sau: U = - (1 - Uh)(1 - Uv) (3.7) Trong đó: Uh : Mức độ cố kết theo phƣơng ngang, đƣợc xác định:  8Th  U h   exp    F ( n)  (3.8) Các cọc cát đƣợc bố trí theo sơ đồ tam giác với khoảng cách cọc là: S=1,9m Ch t Dc2 C Chi  2Cvi  Cvi  hi Th  Ta có: De = 1,05*S = 1,05*1,8 = 1,9 m Xét thời gian cố kết t = 90 ngày đêm ta có: 69 Th  0, 014*90  0,35 1,9 F(n); Hệ số Barron F( n ) n2 3n2   ln(n)  n 1 4n 32 3.32  F(3)  ln(3)  1 4.32 F(3)  0,51 Thay giá trị F(3) vừa tìm đƣợc vào công thức (3.8) ta nhận đƣợc:  8.0,35  U h   exp    0,51  U h   exp(55)  0,99 Uv : mức độ cố kết theo phƣơng đứng : Uv    M exp M 2Tv M 2m  1 Ở đây: Tv: Là hệ số không thứ nguyên theo phƣơng đứng: Tv  Cv 0, 007 * t , hayT  90  0, 004 v H2 122 Với Tv = 0,004 tra bảng ta đƣợc Uv= 10% = 0,1 Thay cá giá trị: Uh= 0,99 Uv= 0,1 vào công thức (3.7) ta đƣợc: U = - (1 - 0,99)(1 - 0,1) = = 100% -Tốc độ lún cố kết ban đầu sau t = 90 ngày đêm đất yếu trƣớc gia cƣờng là: S0t = SC* Uv = 0,37 * 0,1 = 0,037m - Tốc độ lún cố kết ban đầu sau t = 90 ngày đêm đất yếu sau gia cƣờng là: St = Stc * U = 0,35 * = 0,35 (m) 70 Nhƣ qua tính tốn cho thấy đất sau đƣợc gia cố cọc cát có nén với tải trọng P = 120KN/m2 tƣơng ứng với khối đất cao 6m với = 20KN/m3 khoảng thời gian 90 ngày đêm (3 tháng) cố kết xong với U = 100% 3.4.4 Độ lún thứ cấp SS đất gia cƣờng cọc cát t1: Thời gian bắt đầu lún thứ cấp (thời gian đạt độ lún cố kết đƣợc 90%) t1 = 90 ngày đêm 3.4.5 Trị số tăng độ bền đất sau gia cố cọc cát: Trị số gia cƣờng độ bền cắt theo thời gian (Ct) trình cố kết đất sau đƣợc gia cƣờng cọc cát đƣợc tính theo cơng thức: Ct  K1 ( * c )(U )  C '  * c (U ) Kết q tính tốn với lớp có chiều dầy 1m lập thành bảng sau: 71 Bảng 3.6 Kết tính tốn trị số gia tăng độ bền cắt trình cố kết đất yếu có cấu trúc dạng II sau thời gian t = 90 ngày đêm Qua tính tốn trị số gia tăng độ bền cắt ta thấy độ bền cắt đất tăng phạm vi tính từ mặt đất đến độ sâu 8,5m, độ sâu làm việc có hiệu cọc cát 3.5 Kết tính tốn: Qua q trình tính tốn giải pháp cọc cát việc gia cố đất yếu có cấu trúc thuộc dạng II khu vực Hải Phòng cho kết thể bảng 3.6, nhƣ sau: 72 3.6 Kết luận chƣơng III Ở chƣơng đánh giá đặc điểm địa chất khu vực Hải Phòng cụ thể đặc điểm loại địa chất đánh giá cụ thể hầu hết diện tích thành phố Hải Phịng có kiểu nhiều lớp có xuất lớp đất yếu Chính việc lựa chọn xử lý đất yếu cọc cát hợp lý cho tình hình địa chất khu vực Hải Phịng Tơi sƣu tầm tham khảo 01 cơng trình tuyến đƣờng cao tốc Hải Phòng – Hà Nội việc tính tốn đƣợc chia thành 03 đoạn độ dày lớp đất yếu khác sâu vào việc: Tính tốn diện tích xử lý, tính tốn chiều sâu xử lý, tính tốn đƣờng kính, khoảng cách cọc, số lƣợng cọc sơ đồ bố trí cọc Qua địa chất Hải Phịng tơi lựa chọn 01 lớp đất yếu điển hình từ phân tích cụ thể độ lún chƣa gia cố cọc cát gia cố cọc cát 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Cọc cát dùng để gia cố đất yếu cho loại cơng trình dân dụng công nghiệp Trong luận văn nhận xét khả áp dụng cọc cát cho việc gia cố đất yếu cho việc xây dựng đƣờng địa bàn Hải Phòng Ở Hải Phịng có nhiều nơi gặp tầng đất yếu có chiều dày khoảng đến 10m, loại đất yếu thƣờng đất sét, sét pha, cát pha dẻo mềm, có góc ma sát khoảng từ đến 10o việc sử dụng cọc cát để gia cố đất yếu địa bàn Hải Phòng hợp lý thích hợp Trên địa bàn Hải Phịng có đoạn đƣờng áp dụng cọc cát để gia cố đất yếu đạt hiệu tốt Nhƣ vậy, chứng tỏ việc áp dụng cọc cát để gia cố đất yếu để xây dựng đƣởng địa bàn Hải Phịng hợp lý có sở lý thuyết thực tiễn Cọc cát thƣờng dùng có đƣờng kính từ φ = 50 – 60cm, dài hết chiều sâu chịu nén cực hạn Ha, Cọc cát phải dùng cát cát vàng hạt khô Phải sử dụng thiết bị thi công máy ép rung chuyên dụng để đảm bảo cho cọc cát có độ chặt đồng Cọc cất nên bố trí mạng lƣới tam giác, cách L=(2,5÷3)d, d đƣờng kính cọc Phải đảm bảo đủ lƣợng cát vàng cần thiết (có thể dùng lƣợng cát tăng thể tích hố ép khoảng 20÷25%) để độ chặt cọc cát có K ≥ 0,9 có độ chặt tất cọc cát đồng đều, không bị lún không Hiện Việt Nam thiết bị thi công cọc cát cịn cơng nghệ thi cơng khơng đại (Thực tế, Việt Nam có loại máy ép rung chuyên dùng với đƣờng kính từ ϕ = 50 – 60cm chiều dài cọc 10 m) Do nhập từ Trung Quốc Nhật Bản Nhật Bản dùng phổ biến loại cọc cát có đƣờng kính từ ϕ = 80 – 100cm chiều dài cọc lên đến 30m, 74 để gia cố cho cơng trình lấn biển, cho cơng trình cơng nghiệp lớn đặc biệt Hải Phịng có địa chất đất yếu nghiên cứu áp dụng loại máy thi công đại Qua việc nghiên cứu đặc tính địa chất cơng trình phân bố trầm tích đất yếu Holocen sơ phân chia đất khu vực nghiên cứu ba dạng cấu trúc nền, ba phụ kiểu 10 dạng 10 Đối với đặc trƣng tính chất địa chất cơng trình lớp đất yếu khu vực Hải Phịng việc áp dụng giải pháp gia cố nhƣ : bấc thấm, tạo cốt (cọc xi măng đất , cọc vôi đất) cọc cát hiệu quả, 11 Với kết tính tốn ta thấy, phƣơng pháp gia cƣờng đất yếu cọc cát làm giảm đáng kể độ lún Trị số giảm độ lún giảm tăng tỷ số thay diện tích as (Ví dụ trƣờng hợp đất yếu nhiều lớp không gia cƣờng tức as = với tải trọng đắp phía 6m có độ lún 0,53m; trƣờng hợp gia cƣờng cọc cát với tỷ số diện tích thay as = 0,1 với tải trọng lún cịn 0,44m Nhƣ độ lún giảm đƣợc tới 12% Còn tỉ số thay diện tích tăng lên đến 0,3 độ lún giảm đến gần 70%) 12 Tốc độ lún đƣợc gia cố cọc cát diễn nhanh nhiều so với không đƣợc gia cố ( cụ thể với có cấu trúc dạng II chƣa gia cố thời gian 90 ngày đầu cố kết đƣợc 10% sau thời gian 18.250 ngày độ cố kết đạt 95%, đƣợc gia cố cọc cát 90 ngày đầu độ cố kết đạt 95%) 13 Với giá trị n tính tốn đƣợc ta thấy hoàn toàn phù hợp với thực tế Lớp đất yếu tỷ số tập trung ứng suất lớn Điều có nghĩa lớp đất yếu ứng suất tập trung vào cọc cát nhiều 14 Khi đất đƣợc gia cƣờng cọc cát chuyển vị ngang giảm giá trị tỷ lệ nghịch với biến đổi tỷ diện tích thay (as)., vào độ sâu có chuyển vị ngang, biến dạng đứng để xác định chiều dài cọc cát cần để 75 gia cố 15 Với đƣợc gia cố cọc cát giá trị tập trung ứng suất n thay đổi theo độ sâu Giá trị tiến tới giá trị xác định chân cọc cát đất yếu khu vực Hải Phịng giá trị n từ đến chân cọc cho giá trị n Nhƣ với cách tính tốn tay ta lựa chọn n giá trị cho tồn cọc cát chƣa xác Về vấn đề chúng tơi hy vọng cịn tiếp tục nghiên cứu sâu tƣơng lai