Tínhcấpthiếtcủađềtài
Với đặc điểm địa chất và tốc độ phát triển hạ tầng giao thông ở nước ta, việc xâydựng đường đắp cao trên nền đất yếu là vẫn đề đã và sẽ thường xuyên gặp phải. Cùngvới đó là các yêu cầu gắt gao về mặt kỹ thuật cũng như sự đòi hỏi đẩy nhanh quá trìnhthi công để sớm đưa công trình vào khai thác Giải pháp cọc xử lý nền đất yếu đã đượcứng dụng ở nước ta từ những năm8 0 v ớ i c á c g i ả i p h á p c ô n g n g h ệ n h ư c ọ c đ ấ t x i măng, đất gia cố vôi, cọc tiết diện nhỏ như cọc BT, cọc BTCT Các giải pháp nàythườngkếthợpvớisàngiảmtảiBTCTvớimụcđíchtruyềntoànbộtảitrọngđấtđắp và giao thông xuống cọc, không cho đất yếu dưới phần đắp chịu tải trọng Giải phápnày hiệu quả mặt kỹ thuật, an toàn cho thiết kế tuy nhiên có thể dẫn đến lãng phí vềmặt kinhtế.
Tìm hiểu giải pháp công nghệ sàn giảm tải sử dụng kết hợp với cọc, NCS nhậnthấy giải pháp sàn giảm tải bằng vật liệu địa kỹ thuật (ĐKT) cường độ cao (bao gồmlưới hoặc vải ĐKT – gọi chung là cốt ĐKT) đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãiở nhiều nước trên thế giới Thay vì sử dụng sàn giảm tải cứng bằng tấm BTCT, mộthoặc một số lớp cốt ĐKT được trải trên đỉnh cọc để tạo thành lớp truyền tải mềm, xengiữa các lớp cốt này có thể sử dụng cốt liệu thô như cát, đá dăm Vai trò của lớptruyền tải này có được nhờ đặc điểm khả năng chịu kéo rất lớn của các lớp cốt ĐKT,cốt phát huy vai trò của hiệu ứng màng của bản thân và hiệu ứng vòm trong phần đấtđắp từ đó làm tăng hiệu quả truyền tải xuống cọc và giảm tải trọng truyền xuống đấtyếu một cách hiệu quả Ngoài ra, ưu điểm của giải pháp công nghệ này còn thể hiện ởtính đơn giản, tốc độ trong thi công và rất thân thiện với môi trường Chính vì nhữngưuđiểmđóđãcórấtnhiềucôngtrìnhlựachọngiảiphápnàychocácvịtríđắpc ao,yêu cầu độ lún nhỏ như đường đầu cầu, phần mở rộng của đường hiện hữu, Songsongvớiviệcứngdụnggiảipháplànghiêncứutừthựcnghiệmđếnlýthuyếtv ềsựlàm việc phối hợp cọcvà cốt ĐKTn h ư : c ơ c h ế t r u y ề n t ả i t r ọ n g , s ự p h â n b ố l ự c k é o trên cốt, hơn nữa một số nước đã ban hành tiêu chuẩn thiết kế cho giải pháp côngnghệnàynhư Anh,Đức,
Tổnghợpcác n g h i ê n c ứ u côngbố tr ên T h ế giới, ở V i ệ t Nam vàp hư ơn gp há p tính toán thiết kế trong tiêu chuẩn của Anh BS8006:1-2010, của Đức EBGEO 2004,NCScómộtsốnhậnđịnhsau:
- Phương pháp thực nghiệm mô hình: Các mô hình vật lý thu nhỏ cùng với sự hạnchế về loại vật liệu và kết cấu mặc dù đã mô phỏng được nguyên lý làm việc nhưngkhôngthểphảnánhsátthựcvớibàitoánthựctếvớisựđadạngcủavậtliệu,địatầng vàđấtđắp.Tuynhiên,cácthínghiệmtrênmôhìnhthunhỏlàcơsởrấttincậychovi ệc phát triển, kiểm tra đối chiếu khẳng định các phương pháp tính toán giải tích haycácphươngphápsố.
- Phương pháp giải tích và phương pháp trong tiêu chuẩn: Phần lớn các phươngpháp đều dựa trên các kết luận của các mô hình thực nghiệm trong phòng và xây dựngcácbàitoáncânbằnggiớihạn.Hạnchếcủacácphươngphápnàyxuấtpháttừchín hsự hạn chế của các mô hình thực nghiệm và những giả thiết nhằm đơn giản hóa lời giảikhi mô phỏng bài toán thực nghiệm về bài toán cân bằng giới hạn như không xét đếnảnh hưởng của đất yếu, đất đắp, khoảng cách cọc Và các thí nghiệm trên các vật liệusử dụng khác nhau kèm theo các giả thuyết khác nhau đã dẫn đến sự khác biệt rất lớntrong kết quả tính Ví dụ tiêu chuẩn Anh tồn tại hai cách tính tải trọng truyền tải xuốngcọcdựavàohaithựcnghiệmcốngchìmcủaMarstonnăm1913vàHewlettvàRandolph năm
1988 của đã cho ra các kết quả rất khác nhau Bàn luận về phương pháptính sự truyền tải, chính bản thân tiêu chuẩn Anh cũng khuyến cáo nên có nhữngphương pháp tính toán phân tích khác để phù hợp với điều kiện địa chất, vật liệu cụ thểtạitừngtrườnghợp,đặcbiệtlàphươngphápsố.Ngoàira,khitínhtoánlựckéotrê ncốt ĐKT, các phương pháp đều giả thiết lực phân bố trên cốt chỉ tập trung vào rải cốtgiữahai cọc,điềunàydẫnđếngiátrịtínhtoánlựckéo sẽquálớnsovớithực tế.
- Phương pháp số: Nhìn chung việc sử dụng phương pháp số gồm phương phápphần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn để phân tích bài toán cọc kết hợp với cốt ĐKTngày càng phổ biến Nhờ khả năng phân tích số trên hầu hết các dạng mô hình hìnhhọc, kết cấu vật liệu và đất, một số phần mềm ĐKT xây dựng trên cơ sở phương phápsốđ ư ợ c s ử d ụ n g r ộ n g r ã i t r o n g s ả n x u ấ t v à n g h i ê n c ứ u n h ư F L A C , P l a x i s , Tuy nhiên độ chính xác của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào việc mô phỏng số mô hìnhhình học bài toán phân tích, các điều kiện biên, mô phỏng sự tiếp xúc của vật liệu vớikết cấu và đặc biệt là mô hình vật liệu lựa chọn Bên cạnh đó, việc sử hữu một phầnmềm ĐKT và kĩ thuật viên sử dụng phần mềm đôi khi là một vấn đề khó trong thực tếsảnxuất.
Như vậy vấn đề đặt ra đó là cơ chế truyền tải trọng xuống cọc, cốt ĐKT và đấtyếu có xét đến các yếu tố đất đắp, kích thước đầu cọc, khoảng cách cọc, mô đun đànhồi của cọc và đất yếu, đặc trưng cơ học của cốt ĐKT, phân tích lực kéo trên cùng mộtlớp cốt và trên các lớp cốt từ đó bước đầu xây dựng quy trình tính toán thiết kế hệ cọckết hợp với cốt ĐKT cũng như các công cụ hỗ trợ phục vụ tính toán Đó chính là lý dohình thành đề tài: “Nghiên cứu tính toán lớp cốt địa kỹ thuật kết hợp cọc chống sửdụngtrongnềnđắptrênđấtyếu ’’
Mụcđích,đốitượngvàphạmvinghiêncứu
Nghiên cứu đề xuất phương pháp tính toán lớp cốt ĐKT kết hợp cọc chống sửdụng trong nền đắp trên đất yếu từ đó đưa ra quy trình tính toán và lập trình tự độnghóacácbướctínhtoán. Đốitượngnghiêncứu:
Sựlàmviệccủa cọckếthợpvới cốtĐKTgia cốnềnđấtyếudưới nềnđườngđắp.
Sự truyền tải trọng xuống cọc, chiều cao đất đắp tối thiểu và lực kéo trong cốtĐKT khi hệ chịu tác dụng của tải trọng phân bố thẳng đứng và hệ móng cọc đã đượctínhtoánđủkhảnăngchịutảicủacọc,củanềnvàđộlúnđảmbảoyêu cầuthiếtkế.
Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễn
- Tổng kết tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp công nghệcọc kết hợp vớicốt ĐKTđã góp phần đánh giá sự khả thi, tính thực tế của giải pháp trong lĩnh vực xửlýnềnmóngkhixâydựngđườngđắptrênđấtyếu.
- Luận án phân tích được một số hạn chế của một số phương pháp thiết kế, tínhtoán hiện tại và chứng minh được sự phù hợp khi xây dựng mô hình số 3D phân tíchvới các điều kiện biên phù hợp, đồng thời lựa chọn được mô hình đất và mô hình vậtliệu phù hợp góp phần thuận lợi cho việc lựa chọn mô hình tính khi sử dụng phươngphápsốđểphântích,thiếtkế.
- Các công thức NCS đề xuất đã thể hiện được tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng tớisự truyền tải trong hệ cọc làm việc với cốt ĐKT, điều này các nghiên cứu trước đâychưalàmđược.
- Xây dựng được trình tự tính toán, thiết kế hệ cọc kết hợp với vật liệu ĐKT dựatrên cơ sở của tiêu chuẩn Anh BS 8006:1-2010 và trên các đề xuất của NCS khi tínhchiềucaovòmđất, hiệuquảtruyềntảivàlựckéotrêncốt.
- Xây dựng được sơ đồ thuật toán để lập chương trình cho phép tự động hóa cácbước tính, từ đó tăng nhanh tốc độ tính toán cũng như đảm bảo tính chính xác của từngbướctính.
Bốcụccủaluậnán
Tổngquanvềđấtyếu
1.1.1.1 Cáchphânbiệtnềnđấtyếu Ở nước ta, định nghĩa và phân loại đất yếu được chỉ dẫn cụ thể ở điều 1.4
"Quytrình khảo sát thiết kế nền đường ôtô đắp trên đất yếu, 22TCN 262-2000" [2]. Dựa vàocáctiêu chícụ thể màcócác cáchphân loạinềnđấtyếunhư sau: a Phânloạitheo nguồngốchình thành
Loạicónguồngốckhoángvật:thườnglàséthoặcáséttrầmtíchtrongnướcởv en biển, vũng vịnh, đầm hồ, đồng bằng tam giác châu Đối với loại đất này, được xácđịnh là đất yếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúng thường gần bằng hoặc lớn hơngiới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (đất sét mềm e1,5, đất á sét e1), cường độ lực dínhkhôngthoátnước15kPa,gócmasáttrongtừ0 0 đến10 0 hoặccườngđộlựcdínhtừ k ế t q u ả c ắ t c á n h h i ệ n t r ư ờ n g < 3 5 k P a N g o à i r a , c á c v ù n g t h u n g l ũ n g c ò n h ì n h thànhđấtyếudướidạngbùncát,bùncátmịn(hệsốrỗng e>1,độbãohòaG>0,8).
Loại có nguồn gốc hữu cơ: hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thườngxuyên, mực nước ngầm cao, tại đây các loại thực vật phát triển, thối rữa, phân huỷ tạora các vật lắng hữu cơ lẫn với trầm tích khoáng vật Loại này thường được gọi là đấtđầm lầy than bùn, thường có màu đen hay nâu sẫm,hàm lượng hữu cơ chiếm từ 20%đến80%vàđượcphânthành:
- Hàmlượnghữucơtrên 60%:thanbùn. b Phânloạitheochỉtiêu cơlý (trạng tháitựnhiên) Để đánh giá sơ bộ về tính chất công trình trên đất yếu, từ đó xem xét các giảipháp thiết kế nền đường tương ứng, đấty ế u đ ư ợ c p h â n l o ạ i t h e o t r ạ n g t h á i t ự n h i ê n củachúngsư sau:
- Vớiđấtlàséthoặcásét:đượcphânloạitheođộsệtB.KhiB>1thìgọilàđấtbùns ét,khi0,75