Nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ xử lý nền đất yếu bằng cọc cát,luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Luận văn thạc sỹ MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.2 Phương pháp nghiên cứu 1.3 Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 2: 2.1 LÝ THUYẾT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Khái niệm đất yếu 2.2 Đặc điểm trạng xây dựng đường ô tô đất yếu nước ta 2.2.1 Đặc điểm chung 2.2.2 Những cố kỹ thuật chủ yếu xẩy xây dựng đường đất yếu 2.2.2.1 Mất ổn định trượt 2.2.2.2 Mất ổn định lún 11 2.3 Các công nghệ xây dựng đắp đất yếu phạm vi áp dụng thích hợp cơng nghệ: 14 2.3.1 Khái quát công nghệ xử lý đất yếu 14 2.3.2 Lý thuyêt tính tốn xử lý đất 18 2.3.2.1 Các yêu cầu ổn định 18 2.3.2.2 Các yêu cầu độ lún cách tính tốn: 21 2.3.2.3 Một vài nhận xét lý thuyết phương pháp tính đất yếu 27 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT Đà ĐƯỢC ÁP DỤNG 29 3.1 Hiện trạng sử dụng công nghệ xử lý đất yếu cọc cát 29 3.2 Đặc điểm phạm vi áp dụng cọc cát 31 3.2.1 khai niệm cọc cát 31 3.2.2 Nguyên lý làm việc cọc cát 31 3.2.2.1 Đối với loại đất cát, cát 31 3.2.2.2.Đối với loại đất sét, đất dính 32 3.2.3 Đặc điểm cọc cát phạm vi áp dụng 32 3.3 Tổng quan phương pháp tính tốn cọc cát 34 3.3.1 Phương pháp tính tốn cọc cát 35 3.3.1.1 Dự tính độ lún tổng cộng S độ lún tức thời Si 35 3.3.1.2 Tính độ lún cố kết Sc chưa xử lý 35 3.3.1.3 Các tham sô sử dụng cho thiết kế cọc cát 37 3.3.1.4 Tính tốn khoảng cách bố trí cọc cát 39 3.3.1.5 Tính độ lún cố kết Sc xử lý cọc cát 40 Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường ô tô thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ 3.3.1.6 Tính sức khắng cắt cọc cát 42 3.3.2 Ổn định mái dốc 45 3.3.2.1.Kiểm toán ổn định theo phương pháp cường độ chống cắt trung bình 45 3.3.2.2.Kiểm tốn ổn định theo phương pháp có xét đến tương tác cọc cát đất 46 3.3.2 Độ lún đất yếu xử lý công nghệ cọc cát 47 3.4 Các biện pháp thi công cọc cát 49 3.4.1.Phương pháp nén chặt rung động 49 3.4.2.Phương pháp khoan tạo lỗ 50 3.4.3 Phương pháp rung động kết hợp 51 3.4.3.1 Thiết bị thi công 52 3.4.3.2 Trình tự thi cơng 53 3.5 Quản lý chất lượng cọc cát 55 3.5.1 Chất lượng q trình thi cơng 55 3.5.2 Chất lượng sau thi công xong 56 3.6 Một số vần đề tồn sử dụng cọc cát 56 CHƯƠNG 4: GHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP GĨP PHẦN HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC CÁT 59 4.1 Sự ảnh hưởng thông số tính tốn đến độ cố kết đạt sử dụng cọc cát xử lý đất yếu 60 4.1.1 Các thơng số tính tốn ảnh hưởng tới thời gian cố kế 61 4.1.2 Hệ số cố kết theo phương ngang Ch 62 4.1.2.1 Ví dụ khảo sát ảnh hưởng thông số Ch đến độ cố kết đạt sử dụng cọc cát trường hợp thời gian t không đổi 62 4.1.2.2 Ví dụ khảo sát ảnh hưởng biến đổi độ cố kết trung bình theo phương ngang Uh thay đổi hệ số cố kết Ch theo Cv 64 4.1.2.3 Nhận xét 65 4.1.3 Khoảng cách bố trí cọc cát d 66 4.1.3.1.Ví dụ khảo sát ảnh hưởng khoảng cách bố trí giếng cát d đến mức độ cố kết U (%) 68 4.1.3.2 Nhận xét: 69 4.1.4 Đường kính cọc cát D 70 4.1.4.1 Ví dụ khảo sát ảnh hưởng thơng số đường kính cọc cát D (xét trường hợp cọc cát có đường kính từ 0.1  0.80m) đến độ cố kết đạt sử dụng giải pháp xử lý cọc cát 70 4.1.4.2 Nhận xét: 71 Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường tơ thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ 4.2 Nghiên cứu mỏ vật liêu cát dùng làm đệm cát, cọc cát, giếng cát để xử lý đất yếu địa bàn tỉnh Nghệ An 72 4.2.1 Tình hình sử dụng cát nước ta địa bàn tỉnh Nghệ An 72 4.2.2.Nghiên cứu phòng hệ số thấm thành phần hạt số mỏ cát địa bàn tỉnh Nghệ An 76 4.2.2.1 Nội dung nghiên cứu: 76 4.2.2.2 Các tiêu phân loại cát phương pháp thí nghiệm: 76 4.2.2.3 Hệ số thấm phương pháp thí nghiệm: 77 4.2.2.3.1 Các phương pháp thí nghiệm thấm phịng: 77 4.2.2.3.2 Các phương pháp thí nghiệm thấm trường(ngoài trời): 79 4.2.2.3 Lựa chọn phương pháp tiến hành thí nghiệm xác định hệ số thấm k: 79 4.2.2.4 Thiết bị trình tự thí nghiệm hệ số thấm: 79 4.2.3 Nội dung thí nghiệm kết thí nghiệm thành phần hạt hệ số thấm số mỏ cát Nghệ An 84 4.2.3.4 Tiêu chí chọn mỏ cát: 84 4.2.3.5 Giới thiêu số mỏ cát lấy mẫu: 84 4.2.3.6 Đặc điểm mỏ vật liệu cát lấy mẫu 84 4.2.3.6 Số lượng mẫu thí nghiệm, : 88 4.2.3.7 Kết thí nghiệm: 89 4.2.4 Xử lý kết thí nghiệm kết luận 92 4.2.4.1 Đánh giá khả sử dụng loại cát: 92 4.2.4.2 Quan hệ độ chặt hệ số thấm 97 4.2.4.3 Mối quan hệ mô dun độ lớn hệ số thấm 98 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 102 5.1 Đánh giá chung 102 5.2 Kết qua nghiên cứu luận văn 102 5.3 Một số hạn chế luận văn 104 5.4 Kiến nghị 104 Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường ô tô thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ DANH MỤC BẢNG BIỀU VÀ HÌNH VẼ I BẢNG BIỀU Bảng 2.1: Các đặc trưng lý đất yếu Trung Quốc theo [3] Bảng 2.2: Các đặc trưng lý đất yếu ph áp theo [1] Bảng 2.3: Bảng tóm tắt khối lượng giải pháp xử lý đất yếu Bảng 2.4: Bảng tóm tắt chi phí đầu tư xử lý đất yếu Bảng 2.5: Một số cố đắp đất yếu bị ổn định Bảng 2.6: Các tượng lún xẩy thực tế thu thập từ số dự án .12 Bảng 2.7: Tóm tắt giải pháp công nghệ xây dựng đất yếu cơng trình giao thơng: 15 Bảng 2.8: Độ lún thi công cho phép[3] 26 Bảng 2.9: Độ lún cố kết cho phép lại trục tim đường 26 Bảng 3.1 : Mối quan hệ tỷ lệ thay thế, góc ma sát hệ số phân bố ứng suất 44 Bảng 3.2: Khối lượng xử lý đất yếu giếng cát số dự án PMU Mỹ Thuận triển khai (theo báo cáo PMU Mỹ Thuận) 57 Bảng 4.1: Kết tính tốn độ cố kết trung bình U hệ số cố kết C h biến đổi khoảng (25)Cv bố trí theo sơ đồ mạng hình vng 63 Bảng 4.2: Kết tính tốn độ cố kết trung bình U hệ số cố kết C h biến đổi khoảng (25)Cv bố trí theo sơ đồ mạng tam giác 63 Bảng 4.3: Kết tính tốn độ cố kết trung bình Uh theo thời gian xử lý đất cọc cát có biến đổi hệ số cố kết Ch 64 Bảng 4.4: Kết tính tốn độ cố kết tồn phần U khoảng cách bố trí cọc cát d biến đổi từ 1.04.0m bố trí theo sơ đồ mạng hình vng 68 Bảng 4.5: Kết tính tốn độ cố kết trung bình U khoảng cách bố trí cọc cát d biến đổi từ 1.04.0m bố trí theo sơ đồ mạng hình tam giác 68 Bảng 4.6: Kết tính tốn độ cố kết trung bình U trị số đường kính cọc cát D biến đổi khoảng 0.10.80m bố trí theo sơ đồ hình vng 70 Bảng 4.7: Kết tính tốn độ cố kết trung bình U trị số đường kính cọc cát D biến đổi khoảng 0.10  0.80m bố trí theo sơ đồ tam giác 71 Bảng 4.7: Thành phần hạt số mỏ cát số dự án thi công địa bàn tỉnhNghệ An 74 Bảng 4.8: Kết thí nghiệm cát hạt thô – Mỏ cát Nam Đàn 89 Bảng 4.9: Kết thí nghiệm cát hạt thơ - Mỏ cát Đơ Lương 89 Bảng 4.10: Kết thí nghiệm cát hạt thơ - Mỏ cát Sông Hiếu 90 Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường tơ thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ Bảng 4.11: Kết thí nghiệm cát hạt nhỏ - Mỏ cát Bến Thủy 91 Bảng 4.12: Bảng đánh giá cát hạt trung - mỏ Nam Đàn 92 Bảng 4.13: Bảng đánh giá cát hạt thô - mỏ Đô Lương 93 Bảng 4.14: Bảng đánh giá cát hạt nhỏ - mỏ cát Sông Hiếu 94 Bảng 4.15: Bảng đánh giá cát hạt thô - mỏ cát Bến Thủy 95 Bảng 4.16: Bảng đánh giá cát theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 Việt Nam JTJ017-96 Trung Quốc tầng đệm cát 96 Bảng 4.17: Bảng đánh giá cát theo tiêu chuẩn 22TCN262-2000 Việt Nam JTJ017-96 Trung Quốc giếng cát 96 Bảng 4.18: Bảng quan hệ hệ số thấm độ chặt cát hạt trung Mỏ Nam Đàn mỏ Đô lương 97 Bảng 4.19: Bảng quan hệ hệ số thấm độ chặt cát hạt trung mỏ Sông Hiếu mỏ Bến Thủy 98 Bảng 4.20: Mối quan hệ hệ số thấm ứng mô đun độ lớn bốn mỏ 99 II HÌNH VẼ Hình 2.1 Hình ảnh hình nguồn gốc đất yếu Hình 2.2 Trượt đắp Km120+880 ~ Km121+040, QL1A 10 Hình 2.3 Trượt đắp Km0+600 ~ Km0+720, đường dẫn cầu vượt Hoàng Long, QL1A 10 Hình 2.4 Sơ hoạ cơng tác xử lý đất yếu 14 Hình 2.5: a - Sơ đồ tính ổn định taluy theo Fellenius; b - theo Bishop 19 Hình 2.6: Tốn đồ xác định hệ số độ lún F trục tim tải trọng đắp hình thang [3] 24 Hình 2.7: Diễn biến chiều cao cấu tạo hình học đắp thi cơng 28 Hình -1 Sơ đồ bố trí cọc cát đầm chặt mặt 38 Hình 3.2 Sơ đồ bố trí cọc cát mặt cắt ngang 38 Hình 3.3 Sơ hoạ sơ đồ đắp 42 Hình 3.4 Phương pháp Casagrande hiệu chỉnh lún cố kết theo sơ đồ đắp thực tế 42 Hình 3.5 Phân bố ứng suất cọc cát đầm chặt 43 Hình 3.6 Phương pháp mặt trượt cung trịn hình trụ tính hệ số ổn định trượt 45 Hình 3.7 Phân tích ổn định phương pháp xét đến làm việc cọc cát đất 46 Hình 3.8 Mơ tả q trình thi cơng cọc cát băng phương pháp rung động 49 Hình 3.9 Loại đất thích hợp áp dụng thi cơng cọc cát băng phương pháp rung động 50 Hình 3.10 Phương pháp khoan tạo lỗ 51 Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường tơ thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ Hình 3.11 Thiết bị thi công cọc cát đầm chặt 52 Hình 3.12 Trình tự thi cơng cọc cát đầm chặt 54 Hình 3.13 Sơ đồ di chuyển mũi cọc cát đầm chặt 55 Hình 4.1: Đồ thị biểu diễn mức độ cố kết đạt hệ số cố kết theo phương ngang Ch biến đổi từ (25)Cv; Theo sơ đồ hình vng tam giác 63 Hình 4.2: Biểu đồ quan hệ độ cố kết trung bình Uh theo thời gian có biến đổi hệ số Ch 65 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn mức độ cố kết đạt khoảng cách bố trí cọc cát d biến đổi từ 1.04.0m cho hai sơ đồ hình vng tam giác 69 Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn độ cố kết U (%) đạt trị số đường kính cọc cát D biến đổi từ 0.10  0.80m theo sơ đồ hình vng tam giác 71 Hình 4.5: Sơ đồ mỏ vật liệu cát địa bàn tỉnh nghệ an qua vùng đất yếu 75 Hình 4.6 : Thiết bị thấm đầu nước khơng đổi 80 Hình 4.7 : Vị trí mỏ cát Bến Thủy 85 Hình 4.8 : Vị trí mỏ cát Nam Đàn 86 Hình 4.9 : Vị trí mỏ cát Đô Lương 87 Hình 4.10 : Vị trí mỏ cát Sơng Hiếu 88 Hình 4.11 : Biểu đồ thành phần hạt mỏ cát Nam Đàn 93 Hình 4.12 : Biểu đồ thành phần hạt mỏ cát Đô Lương 94 Hình 4.13: Biểu đồ thành phần hạt mỏ cát Sơng Hiếu 94 Hình 4.14: Biểu đồ thành phần hạt mỏ cát Bến Thủy 95 Hình 4.15: Biểu đồ quan hệ hệ số thấm ứng mô đun độ lớn cát tương ứng với độ chặt K85 99 Hình 4.16: Biểu đồ quan hệ hệ số thấm ứng mô đun độ lớn cát tương ứng với độ chặt K90 100 Hình 4.17: Biểu đồ quan hệ hệ số thấm ứng mô đun độ lớn cát tương ứng với độ chặt K95 100 Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường ô tô thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Những năm gần kinh tế nước ta có tốc độ phát triển nhanh với phát triển hệ thống hạ tầng giao thông phục vụ nhu cầu phát triển kinh tế năm tới đạt nhiều thành tựu đáng kể vấn đề giải pháp công nghệ xử lý đất yếu Việt Nam nhiều nước giới quan tâm nghiên cứu áp dụng như: Tầng đệm cát, bệ phản áp, giếng cát, bấc thấm, cọc balát, cọc cát… Hiện công nghệ xử lý đất yếu cọc cát (thoát nước thẳng đứng) áp dụng rộng rãi từ xưa đến từ nước đến nước Nhưng việc áp dụng xử lý đất yếu Cọc cát theo thói quen theo điều kiện sẵn có Tuy nhiên hiệu việc áp dụng công nghệ để xử lý đất yếu lớn từ công nghệ khảo sát, công nghệ thiết công nghệ thi công Cọc cát …vv mà trước chưa có tài liệu nghiên cứu vấn đề Thực chất hiệu công nghệ xử lý đất yếu phương pháp cọc cát hiệu tổng hợp nhiều yếu tố Đất yếu Việt Nam phân bố rộng lớn nhiều việc xây dựng đất yếu khơng thể tránh Đặc biệt tới xây dựng nhiều tuyến đường cao tốc như: Đường cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình, Đường Cao tốc Sài Gòn Trung Lương, Đường cao tốc Hà Nội - Hải Phịng, đường Hồ Chí Minh đoạn Chơn Thành – Đước hòa, nâng cấp mở rộng QL1A đoạn Diễn Châu – Quán hành, Hà Tĩnh… yêu cầu kỹ thuật tuyến tránh bắt phải xây dựng đất yếu Cát Viêt Nam nhiều nên việc sử dụng cọc cát, giếng cát, đệm cát phổ biến chiếm khối lượng lớn, dẫn đến việc chí phí đường qua vùng đất yếu khủng khiếp Các đơn vị, nhà thầu tư vấn thiết kế, nhà thầu đầu tư xây dựng đơn vi thi cơng … có kinh nghiệm thói quen sử dụng cọc cát người ta u thích cơng nghệ thấy có nhiều ưu điểm Tuy nhiên bên cạnh nhiêu khuyết điểm đề tài “ Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ xử lý đất yếu Cọc cát” hình thành vấn đề khoa học, thực tiễn có ý nghĩa Những nội dung nghiên cứu tác giả nghiên cứu luận văn hy vọng có đóng góp hữu ích, tham khảo thiết kế tính toán xử lý đường đắp qua vùng đất yếu góp phần tích cực vào nghiệp phát triển hệ thống giao thơng nước Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường ô tô thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ 1.1 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu giới thiệu cách tổng quát công nghệ xử lý đất yếu xây đường - Nghiên cứu công nghệ xử lý cọc cát về: khảo sát, thiết kế, vật liệu cát, thi công… - Đưa số giải pháp nhằm góp phần hồn thiện cơng nghệ xử lý đất yếu cọc cát 1.2 Phương pháp nghiên cứu Với mục tiêu đề tài nêu trên, phương pháp nghiên cứu luận văn gồm: - Lý thuyết tính toán xử lý đất yếu chủ yếu phương pháp giải toán địa kỹ thuật lún, biến dạng, toán cố kết đặc trưng lý đất - Điều tra, khảo sát, nghiên cứu tài liệu, cơng trình thực tế liên quan đến xử lý đất yếu số dự án, đúc rút từ kinh nghiệm thực tiễn - Nghiên cứu tài liệu, kết hợp với thân đề xuất phương án giải 1.3 Nội dung nghiên cứu Toàn nội dung nghiên cứu thể qua chương mục sau: - Chương 1: Mở đầu - Chương 2: Lý thuyết xử lý đất yếu - Chương 3: Phân tích đánh giá cơng nghệ xử lý đất yếu phương pháp cọc cát áp dụng - Chương 4: Nghiên cứu giải pháp để hồn thiện cơng nghệ xử lý đất yếu phương pháp cọc cát - Chương 5: Kết luận Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường tơ thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 2.1 Khái niệm đất yếu Nền đất yếu đất có biến dạng lớn mức cho phép, khơng đảm bảo chất lượng để tiến hành xây dựng cơng trình bên Khái niệm đất yếu tương đối, phụ thuộc vào trạng thái vật lý đất tương quan khả chịu lực đất với tải trọng mà móng cơng trình truyền lên Sau vài khái niệm đơn giản cụ thể đất yếu: “Đất yếu đất có khả chịu lực thấp (0,5 – 1,0 kG/cm2), hoàn toàn bảo hịa nước, có hệ số rỗng lớn (thường  vài phần mười vài ba đơn vị ), môđun tổng biến dạng bé ( Eo < 50kG/cm), trị số sức chống cắt không đáng kể[4] hay theo tiêu chuẩn 22TCN 262 -200 mục 1.4 “ Đất Sét sét đất yếu trạng thái tự nhiên, độ ẩm chúng gần cao giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét e1,5 , sét e1), lực dính (C) theo kết cắt nhanh khơng nước từ 0,15 daN/cm2 trở xuống, góc nội ma sát () từ - 100 lực dính từ kết thí nghiệm cắt cánh trường Cu0,35 daN/cm2” [2]; Đất yếu phân lọai theo nguồn gốc, theo phân lọai đất yếu có ba lọai, lọai tạo thành lục địa, lọai tạo thành vũng, vịnh biển Lọai tạo thành lục địa tàn tích, sườn tích, hồng tích, lở tích, gió, lầy, băng người ( đất đắp ) Lọai có nguồn gốc vũng vịnh cửa sơng, tam giác châu Dựa thành phần đặc trưng lý đất, đất yếu phân thành ba lọai theo thành phần cấu tạo bao gồm đất sét yếu, bùn đất than bùn Dưới đất vài hình ảnh đặc trưng lý đất yếu tông kết số nước: a Than bùn rêu b Than bùn gỗ Hình 2.1 Hình ảnh hình nguồn gốc đất yếu Bảng 2.1: Các đặc trưng lý đất yếu Trung Quốc theo [3] Nguyễn Đình khang Lớp: Xây dựng đường ô tô thành phố K14 Trang Luận văn thạc sỹ Loại đất yếu Dung trọng tự nhiên (KN/m2) Đất yếu Đất bùn Bùn Đất đầm lầy Than Bùn 16-19 10-16 10 Hàm Hệ số Cường độ Hệ lượng nén Hệ số cắt cánh Độ ẩm số hữu chặt thấm k W (%) rỗng (Mpa- (cm/s) Cu u e 1) (%) (kPa) (®é) >1,0 10 >50