Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu khái niệm nền liên hợp với cọc bê tông xi măng và các lý thuyết tính toán liên quan đến nền này là rất quan trọng Nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng giúp cải thiện khả năng chịu tải và ổn định cho công trình Việc áp dụng các lý thuyết tính toán phù hợp sẽ tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn cho nền móng.
Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn để khảo sát sự biến thiên khoảng cách, độ phủ mũ cọc và cường độ lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp với cọc bê tông xi măng Giải pháp này được đề xuất ứng dụng dựa trên kết quả khảo sát bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nhằm thiết kế xử lý nền đất yếu trong điều kiện Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu
Thu thập số liệu, tài liệu phục vụ cho việc nghiên cứu khái niệm, lý thuyết nền đường liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Nghiên cứu sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn để giải các bài toán liên quan
Vận dụng phần mềm phần tử hữu hạn khảo sát bài toán đặt ra.
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Bài viết trình bày lý thuyết về bản chất và phương pháp tính toán nền đường liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng Nó khảo sát sự biến thiên khoảng cách giữa các cọc bê tông xi măng, độ phủ mũ cọc và cường độ lớp đệm đầu cọc Giải pháp này được ứng dụng trong thiết kế xử lý nền đất yếu, phù hợp với điều kiện xây dựng tại Việt Nam.
Bố cục đề tài
Nội dung của đề tài được thể hiện trong 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về nền liên hợp
1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.2 Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.3 Ảnh hưởng của lớp đệm trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng 1.4 Kết luận chương 1
Chương 2: Phương pháp luận và các phương pháp tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.1 Nguyên lý hình thành nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.2 Các phương pháp lý thuyết tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.3 Tính toán độ lún nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Chương 3: Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phần tử hữu hạn
3.1 Giới thiệu phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus
3.2 Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus để khảo sát bài toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
4.3 Hạn chế của đề tài
4.4 Hướng phát triển của luận văn.
TỔNG QUAN VỀ NỀN LIÊN HỢP
Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.3 Ảnh hưởng của lớp đệm trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng 1.4 Kết luận chương 1
Chương 2: Phương pháp luận và các phương pháp tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.1 Nguyên lý hình thành nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.2 Các phương pháp lý thuyết tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.3 Tính toán độ lún nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Chương 3: Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phần tử hữu hạn
3.1 Giới thiệu phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus
3.2 Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus để khảo sát bài toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
4.3 Hạn chế của đề tài
4.4 Hướng phát triển của luận văn.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN LIÊN HỢP Để đảm bảo ổn định, bằng phẳng, vận hành với vận tốc cao trong thiết kế đường cao tốc cũng như đường cấp cao khác cần phải khống chế bến dạng và tính ổn định của nền đường, nền đường có khả năng xuất hiện các nguyên nhân gây hư hỏng khác là một trong những nhân tố khống chế quan trọng đầu tiên trong việc kiểm soát chất lượng đảm bảo tiến độ của đường, chất lượng của đường cao tốc Tuy nhiên nền đường tự nhiên khó có khả năng tiếp nhận được toàn bộ tải trọng và đảm bảo sức chịu tải hoặc các yêu cầu về độ lún, từ đó cần phải thiết kế xử lý đảm bảo ổn định của nền đường Các giải pháp đang áp dụng như thoát nước cố kết, thay đất, cọc xi măng đất, cọc bê tông xi măng đúc sẵn hay cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ (hệ cọc cứng) tạo thành nền liên hợp Nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng trong một số năm gần đây được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới để xử lý nền đất yếu Giải pháp nền liên hợp với những ưu điểm thời gian thi công nhanh sau khi xử lý nền có thể tiến hành đắp trực tiếp đến cao độ thiết kế, dễ dàng quản lý chất lượng, rất thích hợp cho xử lý nền các công trình đường cao tốc Giải pháp này đã được Ấn Độ, Trung Quốc ứng dụng nhiều vào xử lý nền đường ô tô cao tốc, đường sắt cao tốc, tuy nhiên giá thành còn cao, cần nghiên cứu thiết kế để hạ giá thành Ở Việt Nam để giải pháp này trở thành giải pháp chính thức cần có nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm tạo thành luận chứng đầy đủ để áp dụng giải pháp này rộng rãi trong các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô cấp cao Tác giả đã tìm hiểu các lý thuyết tính toán nền liên hợp và trong chương mục này, tác giả luận văn trình bày các nội dung cơ bản sau:
Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Ảnh hưởng của lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1.1 Tổng quan về nền liên hợp a Sự hình thành và phát triển của biện pháp xử lý nền đất yếu
Việc xây dựng đường trên nền đất yếu và địa chất phức tạp là một thách thức lớn không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới Để đảm bảo nền đường ổn định và đáp ứng yêu cầu khai thác, nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu đã được áp dụng.
Nhóm 1: nhóm giải pháp cải thiện sức chịu tải của nền đất như:
Đào thay đất: Sử dụng ở lớp mặt nền đất yếu có chiều dày nhỏ hơn 3m thường kết hợp với thoát nước theo chiều thẳng đứng
1 lớp vải ĐKT loại dệt c-ờng độ 50 kN/m Đào thay đất h=2-3m Đắp trả bằng cát hạt nhỏ
Hình 1.1: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng đệm cát
Đầm chặt bằng quả rơi tự do: áp dụng cho nền đất yếu có độ ẩm nhỏ, tận dụng được nền đất thiên nhiên, giảm khối lượng đào đắp
Bệ phản áp: dùng để tăng độ ổn định và chống trượt trồi công trình Không cần khống chế tiến trình đắp
Hình 1.2: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng bệ phản áp
Thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước là phương pháp hiệu quả trong xử lý lớp bùn đất và bùn sét, với độ sâu xử lý có thể lên tới 40m Mặc dù phương pháp này yêu cầu thời gian thi công kéo dài để đất cố kết lún, nhưng nó thường được áp dụng song song với gia tải trước để tăng cường hiệu quả.
Hình 1.3: Nền đường sử dụng phương tiện thoát nước thẳng đứng
Phương pháp thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải bằng hút chân không là giải pháp hiệu quả cho bùn đất và nền móng thuộc lớp bùn dính Phương pháp này có thể được kết hợp với giếng cát hoặc bấc thấm để nâng cao hiệu quả thoát nước.
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ hút chân không
Nhóm 2: nhóm giải pháp gia cường nền đất yếu như:
Sử dụng cọc tre và cọc cừ tràm là phương pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu có chiều sâu nhỏ và nền đất ẩm ướt Phương pháp này giúp tăng cường sức chịu tải và giảm thiểu độ lún của nền đất, đảm bảo tính ổn định cho công trình.
Cọc cát đầm: chiều sâu xử lý tương đối lớn, tăng cường độ ổn định nền đắp, rút ngắn thời gian thi công
Vải địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bền và tính ổn định của công trình Chúng tạo ra ma sát giữa lớp đất đắp và vải địa kỹ thuật, giúp giữ khối đất đắp vững chắc cho các tuyến đường đi qua những khu vực có nền đất yếu như sét mềm, bùn và than bùn Để đạt được hiệu quả cao hơn, vải địa kỹ thuật thường được kết hợp với các phương pháp xử lý khác.
Hình 1.5: Bố trí vải địa kỹ thuật để tăng cường chống trượt cho thân nền đường
Cọc đá balát: làm tăng độ bền, sức chống cắt cho đất yếu, giảm độ lún công trình, sử dụng khi nền đất yếu mỏng, không quá 15m
Cọc xi măng đất và cọc vôi là giải pháp hiệu quả để thay thế một phần đất yếu, tạo ra lực ma sát giữa cọc và đất, giúp cọc và đất cùng làm việc Phương pháp này tăng cường khả năng kháng cắt và giảm độ lún của nền móng công trình, đặc biệt phù hợp với các loại đất yếu Bên cạnh đó, nó còn rút ngắn thời gian thi công so với biện pháp thoát nước thẳng đứng.
Cọc ống bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ đóng vai trò quan trọng trong việc chịu tải trọng nền đắp, giúp giảm độ lún của nền đường Chúng có thời gian thi công nhanh, kiểm soát chất lượng tốt, mang lại độ ổn định cao cho công trình và giảm chiều cao đắp.
Do yêu cầu về tiến độ và độ ổn định trong khai thác, nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng giải pháp gia cường nền đất yếu bằng hệ thống cọc đặc biệt, bao gồm cọc bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ, cho các công trình đường sắt và đường cao tốc Giải pháp này lần đầu tiên được triển khai rộng rãi tại Hà Lan vào năm 2007 với 14km nền đường gia cố, và đến năm 2009, đã có ít nhất 20 công trình đường cao tốc và đường sắt áp dụng Tại Đức, cọc đặc biệt được sử dụng cho tuyến đường sắt Hamburg - Berlin dài 13km vào năm 2003 Ở Trung Quốc, tuyến đường sắt cao tốc Bắc Kinh - Thiên Tân dài 115km sử dụng cọc bê tông đúc sẵn với đường kính 45cm và chiều dài lên tới 35m Tại Việt Nam, cọc xi măng đất đã được áp dụng trong dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây và đại lộ Đông Tây.
Hình 1.6: Tuyến đường sắt HamBurg - Berlin sử dụng cọc bê tông xi măng
Hình 1.7: Quá trình thi công tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Hình 1.8: Nền đường sau khi thi công cọc tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Với sự tiến bộ trong các phương pháp xử lý nền đất yếu tại Việt Nam và trên thế giới, các kỹ thuật này ngày càng được cải thiện để rút ngắn thời gian thi công Điều này giúp đáp ứng nhanh chóng nhu cầu đưa công trình vào khai thác, đồng thời tối ưu hóa khả năng làm việc của nền đất yếu, từ đó giảm chi phí tổng thể của dự án.
Hiện nay, nhiều quốc gia đã áp dụng giải pháp sử dụng cọc xi măng đất và cọc bê tông xi măng để xử lý nền đất yếu, nhằm khắc phục nhược điểm của công nghệ truyền thống và rút ngắn thời gian thi công Các tiêu chuẩn quốc tế như BS8006:1995 của Anh, EBGEO 2004 của Đức, chỉ dẫn thiết kế của quân đội Mỹ năm 1991, và tiêu chuẩn JGJ/T 213 - 2010 của Trung Quốc đã được thiết kế và nghiên cứu cho giải pháp này Tại Việt Nam, dự thảo sửa đổi 22TCN 262-2000 đã đề xuất tính toán thiết kế sử dụng biện pháp gia cường đất, cùng với TCXDVN 385:2006 về gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng Mặc dù giải pháp gia cường nền đất yếu bằng cọc bê tông xi măng đã được áp dụng rộng rãi và mang lại kết quả tốt ở nhiều nước, nhưng tại Việt Nam, công nghệ này chủ yếu mới chỉ được áp dụng trong các công trình xây dựng dân dụng và tại các vị trí sàn giảm tải của nền đường đắp đầu cầu.
Công trình xây dựng trên nền đất tự nhiên thường thiếu ổn định, do đó cần áp dụng các giải pháp xử lý để tạo ra nền đất nhân tạo, đảm bảo an toàn cho công trình phía trên Nền liên hợp là khái niệm mới, thường được áp dụng cho các tuyến đường cấp cao, trong đó nền đất tự nhiên được gia cường, thay thế hoặc thiết kế bằng các vật liệu có cốt, nhằm tạo ra vùng gia cố hiệu quả.
L-íi gia c-êng Đất tốt hoặc đá
Cọc thẳng đứng Đất tốt hoặc đá
Hình 1.9: Cấu tạo nền liên hợp sử dụng cọc cứng [22]
Việc ứng dụng công nghệ gia cường đất yếu cho các loại công trình có những đặc điểm xử lý khác nhau Đối với công trình dân dụng, do tải trọng tập trung và độ lún cho phép nhỏ, nền thường được xử lý bằng hệ đài cọc để truyền tải trọng xuống lớp đất tốt Trong khi đó, công trình đường có tải trọng phân bố rộng và khối lượng nền lớn, việc áp dụng đơn thuần hệ cọc chịu tải 100% sẽ tốn kém và không khả thi Để giảm chi phí và đảm bảo tính khả thi, các nhà thiết kế đã nghiên cứu phương pháp cho phép đất nền cùng tham gia chịu tải, tạo ra nền liên hợp Trong hệ thống này, cọc chỉ chịu tối đa 90% tải trọng, phần còn lại do nền đất xung quanh đảm nhiệm Ưu điểm của nền liên hợp là tận dụng sự làm việc đồng thời giữa cọc và nền đất yếu, giúp tiết kiệm chi phí, giảm chiều cao đất đắp, rút ngắn thời gian thi công và giảm tính nén lún sau khi hoàn thành.
Nền liên hợp sử dụng cọc cứng là giải pháp hiệu quả cho nền đường đắp khi đất không đủ sức chịu tải Giải pháp này bao gồm cọc thẳng đứng có cường độ bê tông từ 15 đến 20, tạo ra vùng gia cố để truyền tải trọng Phần đầu cọc được thiết kế với lớp lưới địa kỹ thuật, giúp điều chỉnh phân bố tải trọng và ứng suất giữa cọc và đất nền Hệ thống này, bao gồm cọc, đất giữa cọc, lớp gia cường và nền đắp, cùng nhau chịu tải trọng, giảm độ lún và tăng cường độ ổn định của nền.
Lớp đất đắp trên có vai trò quan trọng trong việc truyền tải trọng của xe và tải trọng bản thân xuống lớp lưới địa kỹ thuật gia cường Sự kết hợp giữa lớp đất và lưới địa kỹ thuật gia cường giúp tạo ra sự cân bằng và phân bố lại ứng suất cho cọc cũng như đất giữa các cọc.
Kết luận chương 1
Chương 2: Phương pháp luận và các phương pháp tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.1 Nguyên lý hình thành nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.2 Các phương pháp lý thuyết tính toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
2.3 Tính toán độ lún nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Chương 3: Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phần tử hữu hạn
3.1 Giới thiệu phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus
3.2 Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus để khảo sát bài toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
4.3 Hạn chế của đề tài
4.4 Hướng phát triển của luận văn.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN LIÊN HỢP Để đảm bảo ổn định, bằng phẳng, vận hành với vận tốc cao trong thiết kế đường cao tốc cũng như đường cấp cao khác cần phải khống chế bến dạng và tính ổn định của nền đường, nền đường có khả năng xuất hiện các nguyên nhân gây hư hỏng khác là một trong những nhân tố khống chế quan trọng đầu tiên trong việc kiểm soát chất lượng đảm bảo tiến độ của đường, chất lượng của đường cao tốc Tuy nhiên nền đường tự nhiên khó có khả năng tiếp nhận được toàn bộ tải trọng và đảm bảo sức chịu tải hoặc các yêu cầu về độ lún, từ đó cần phải thiết kế xử lý đảm bảo ổn định của nền đường Các giải pháp đang áp dụng như thoát nước cố kết, thay đất, cọc xi măng đất, cọc bê tông xi măng đúc sẵn hay cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ (hệ cọc cứng) tạo thành nền liên hợp Nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng trong một số năm gần đây được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới để xử lý nền đất yếu Giải pháp nền liên hợp với những ưu điểm thời gian thi công nhanh sau khi xử lý nền có thể tiến hành đắp trực tiếp đến cao độ thiết kế, dễ dàng quản lý chất lượng, rất thích hợp cho xử lý nền các công trình đường cao tốc Giải pháp này đã được Ấn Độ, Trung Quốc ứng dụng nhiều vào xử lý nền đường ô tô cao tốc, đường sắt cao tốc, tuy nhiên giá thành còn cao, cần nghiên cứu thiết kế để hạ giá thành Ở Việt Nam để giải pháp này trở thành giải pháp chính thức cần có nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm tạo thành luận chứng đầy đủ để áp dụng giải pháp này rộng rãi trong các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô cấp cao Tác giả đã tìm hiểu các lý thuyết tính toán nền liên hợp và trong chương mục này, tác giả luận văn trình bày các nội dung cơ bản sau:
Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Ảnh hưởng của lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1.1 Tổng quan về nền liên hợp a Sự hình thành và phát triển của biện pháp xử lý nền đất yếu
Xây dựng đường trên nền đất yếu và địa chất phức tạp là vấn đề quan trọng không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới Nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu đã được áp dụng nhằm đảm bảo sự ổn định cho nền đường, đáp ứng yêu cầu khai thác hiệu quả.
Nhóm 1: nhóm giải pháp cải thiện sức chịu tải của nền đất như:
Đào thay đất: Sử dụng ở lớp mặt nền đất yếu có chiều dày nhỏ hơn 3m thường kết hợp với thoát nước theo chiều thẳng đứng
1 lớp vải ĐKT loại dệt c-ờng độ 50 kN/m Đào thay đất h=2-3m Đắp trả bằng cát hạt nhỏ
Hình 1.1: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng đệm cát
Đầm chặt bằng quả rơi tự do: áp dụng cho nền đất yếu có độ ẩm nhỏ, tận dụng được nền đất thiên nhiên, giảm khối lượng đào đắp
Bệ phản áp: dùng để tăng độ ổn định và chống trượt trồi công trình Không cần khống chế tiến trình đắp
Hình 1.2: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng bệ phản áp
Thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước là phương pháp hiệu quả trong xử lý lớp bùn đất và bùn sét, với độ sâu xử lý có thể lên tới 40m Mặc dù phương pháp này đòi hỏi thời gian thi công kéo dài do cần thời gian để đất cố kết lún, nhưng nó thường được áp dụng cùng với gia tải trước để tăng cường hiệu quả.
Hình 1.3: Nền đường sử dụng phương tiện thoát nước thẳng đứng
Phương pháp thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải bằng hút chân không là giải pháp hiệu quả cho bùn đất và nền móng thuộc lớp bùn dính Phương pháp này có thể được áp dụng cùng với giếng cát hoặc bấc thấm để tăng cường khả năng thoát nước.
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ hút chân không
Nhóm 2: nhóm giải pháp gia cường nền đất yếu như:
Sử dụng cọc tre và cọc cừ tràm là giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu có chiều sâu nhỏ và trong trạng thái ẩm ướt Phương pháp này giúp tăng cường sức chịu tải của nền đất, đồng thời giảm thiểu độ lún, đảm bảo tính ổn định cho công trình.
Cọc cát đầm: chiều sâu xử lý tương đối lớn, tăng cường độ ổn định nền đắp, rút ngắn thời gian thi công
Vải địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bền và tính ổn định của các công trình xây dựng Chúng tạo ra lực ma sát giữa lớp đất đắp và vải địa kỹ thuật, giúp giữ khối đất đắp vững chắc cho các tuyến đường đi qua những khu vực có nền đất yếu như sét mềm, bùn và than bùn Để đạt được hiệu quả cao hơn, vải địa kỹ thuật thường được kết hợp với các phương pháp xử lý khác.
Hình 1.5: Bố trí vải địa kỹ thuật để tăng cường chống trượt cho thân nền đường
Cọc đá balát: làm tăng độ bền, sức chống cắt cho đất yếu, giảm độ lún công trình, sử dụng khi nền đất yếu mỏng, không quá 15m
Cọc xi măng đất và cọc vôi là giải pháp hiệu quả để thay thế một phần đất yếu, tạo ra lực ma sát giữa cọc và đất, giúp cọc và đất cùng hoạt động Phương pháp này tăng cường tính kháng cắt và giảm độ lún cho nền móng công trình, đặc biệt thích hợp với các loại đất yếu Hơn nữa, cọc xi măng đất và cọc vôi còn rút ngắn thời gian thi công so với biện pháp thoát nước thẳng đứng.
Cọc ống bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ đóng vai trò quan trọng trong việc chịu tải trọng nền đắp, giúp giảm độ lún của nền đường Với thời gian thi công nhanh chóng và khả năng kiểm soát chất lượng tốt, các loại cọc này đảm bảo độ ổn định cao cho công trình, đồng thời giảm chiều cao đắp.
Để đáp ứng yêu cầu về tiến độ và độ ổn định trong khai thác, nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng giải pháp gia cường nền đất yếu bằng hệ thống cọc đặc biệt, bao gồm nhóm cọc có cường độ cao như cọc bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ, cho các công trình đường sắt và đường cao tốc Giải pháp này được áp dụng lần đầu tiên tại Hà Lan vào năm 2007 với chiều dài nền đường gia cố 14km, và đến năm 2009 đã có ít nhất 20 công trình sử dụng Tại Đức, giải pháp này được áp dụng cho tuyến đường sắt Hamburg - Berlin dài 13km vào năm 2003 Đặc biệt, tuyến đường sắt cao tốc Bắc Kinh - Thiên Tân dài 115km sử dụng cọc bê tông đúc sẵn đường kính 45cm và chiều dài lên tới 35m Tại Việt Nam, cọc xi măng đất đã được sử dụng trong dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây và dự án đại lộ Đông Tây.
Hình 1.6: Tuyến đường sắt HamBurg - Berlin sử dụng cọc bê tông xi măng
Hình 1.7: Quá trình thi công tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Hình 1.8: Nền đường sau khi thi công cọc tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Với sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp xử lý nền đất yếu tại Việt Nam và trên thế giới, các kỹ thuật này đang ngày càng được cải tiến để rút ngắn thời gian thi công Điều này không chỉ giúp đưa công trình vào khai thác sớm hơn mà còn tận dụng hiệu quả khả năng làm việc của nền đất yếu, từ đó giảm chi phí xây dựng.
Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng giải pháp sử dụng cọc xi măng đất và cọc bê tông xi măng để xử lý nền đất yếu, nhằm khắc phục nhược điểm của công nghệ truyền thống và rút ngắn thời gian thi công Các tiêu chuẩn quốc tế như BS8006:1995 (Anh), EBGEO 2004 (Đức), chỉ dẫn thiết kế của quân đội Mỹ năm 1991, và tiêu chuẩn JGJ/T 213 - 2010 (Trung Quốc) đã được thiết kế và thực hiện cho giải pháp này Tại Việt Nam, bản dự thảo sửa đổi 22TCN 262-2000 đã đề xuất tính toán thiết kế sử dụng biện pháp gia cường đất, cùng với TCXDVN 385:2006 về gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng Mặc dù công nghệ gia cường nền đất yếu bằng cọc bê tông xi măng đã được áp dụng rộng rãi và đạt kết quả tốt trên thế giới, nhưng tại Việt Nam, công nghệ này vẫn chủ yếu được sử dụng trong các công trình xây dựng dân dụng và tại các vị trí sàn giảm tải của nền đường đắp đầu cầu.
Công trình xây dựng trên nền đất tự nhiên thường thiếu ổn định, do đó cần áp dụng các giải pháp xử lý để tạo ra nền đất nhân tạo, đảm bảo an toàn cho công trình Nền liên hợp là khái niệm mới, thường được sử dụng cho đường cấp cao, nhằm gia cường, thay thế hoặc thiết kế vật liệu cốt để hình thành vùng gia cố, như minh họa trong hình vẽ số 1.9.
L-íi gia c-êng Đất tốt hoặc đá
Cọc thẳng đứng Đất tốt hoặc đá
Hình 1.9: Cấu tạo nền liên hợp sử dụng cọc cứng [22]
Việc ứng dụng công nghệ gia cường đất yếu cho các loại công trình khác nhau có những đặc điểm riêng Đối với công trình xây dựng dân dụng, do tải trọng tập trung và độ lún cho phép nhỏ, việc xử lý nền chủ yếu thông qua hệ đài cọc để truyền tải trọng xuống lớp đất tốt Trong khi đó, công trình đường có tải trọng phân bố rộng và khối lượng nền lớn, việc chỉ sử dụng cọc chịu tải 100% sẽ làm tăng chi phí Để giảm giá thành và đảm bảo tính khả thi, thiết kế đã hướng đến việc cho đất nền cùng tham gia chịu tải, với cọc chỉ chịu tối đa 90% tải trọng Điều này giúp tối ưu hóa sự làm việc đồng thời giữa cọc và nền đất yếu, từ đó tiết kiệm chi phí, giảm chiều cao đất đắp và thời gian thi công, đồng thời giảm tính nén lún sau khi hoàn thành.
Nền liên hợp sử dụng cọc cứng là giải pháp hiệu quả cho nền đường đắp khi đất không đủ sức chịu tải Hệ thống cọc thẳng đứng với cường độ mác bê tông từ 15 đến 20 giúp truyền tải trọng và chịu tải tốt hơn Đầu hệ cọc được thiết kế với lớp lưới địa kỹ thuật ngang, tạo ra đài cọc mềm để điều chỉnh phân bố tải trọng và ứng suất giữa cọc và đất nền Sự kết hợp giữa hệ cọc, đất giữa cọc, lớp gia cường và nền đắp tạo thành hệ nền liên hợp, giúp giảm độ lún và tăng cường độ ổn định cho công trình.
Lớp đất đắp trên có vai trò quan trọng trong việc truyền tải trọng của xe và tải trọng bản thân xuống lớp lưới địa kỹ thuật gia cường Sự kết hợp giữa lớp đất đắp và lưới địa kỹ thuật gia cường giúp tạo ra sự cân bằng và phân bố lại ứng suất cho cọc và đất giữa các cọc.
PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NỀN LIÊN HỢP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG XI MĂNG
Kết luận chương 2
Chương 3: Khảo sát sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng xử lý nền đất yếu bằng phần tử hữu hạn
3.1 Giới thiệu phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus
3.2 Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus để khảo sát bài toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
4.3 Hạn chế của đề tài
4.4 Hướng phát triển của luận văn.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN LIÊN HỢP Để đảm bảo ổn định, bằng phẳng, vận hành với vận tốc cao trong thiết kế đường cao tốc cũng như đường cấp cao khác cần phải khống chế bến dạng và tính ổn định của nền đường, nền đường có khả năng xuất hiện các nguyên nhân gây hư hỏng khác là một trong những nhân tố khống chế quan trọng đầu tiên trong việc kiểm soát chất lượng đảm bảo tiến độ của đường, chất lượng của đường cao tốc Tuy nhiên nền đường tự nhiên khó có khả năng tiếp nhận được toàn bộ tải trọng và đảm bảo sức chịu tải hoặc các yêu cầu về độ lún, từ đó cần phải thiết kế xử lý đảm bảo ổn định của nền đường Các giải pháp đang áp dụng như thoát nước cố kết, thay đất, cọc xi măng đất, cọc bê tông xi măng đúc sẵn hay cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ (hệ cọc cứng) tạo thành nền liên hợp Nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng trong một số năm gần đây được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới để xử lý nền đất yếu Giải pháp nền liên hợp với những ưu điểm thời gian thi công nhanh sau khi xử lý nền có thể tiến hành đắp trực tiếp đến cao độ thiết kế, dễ dàng quản lý chất lượng, rất thích hợp cho xử lý nền các công trình đường cao tốc Giải pháp này đã được Ấn Độ, Trung Quốc ứng dụng nhiều vào xử lý nền đường ô tô cao tốc, đường sắt cao tốc, tuy nhiên giá thành còn cao, cần nghiên cứu thiết kế để hạ giá thành Ở Việt Nam để giải pháp này trở thành giải pháp chính thức cần có nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm tạo thành luận chứng đầy đủ để áp dụng giải pháp này rộng rãi trong các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô cấp cao Tác giả đã tìm hiểu các lý thuyết tính toán nền liên hợp và trong chương mục này, tác giả luận văn trình bày các nội dung cơ bản sau:
Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Ảnh hưởng của lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1.1 Tổng quan về nền liên hợp a Sự hình thành và phát triển của biện pháp xử lý nền đất yếu
Xây dựng đường trên nền đất yếu và địa chất phức tạp là một thách thức lớn không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn cầu Nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu đã được áp dụng để đảm bảo sự ổn định và đáp ứng yêu cầu khai thác của nền đường.
Nhóm 1: nhóm giải pháp cải thiện sức chịu tải của nền đất như:
Đào thay đất: Sử dụng ở lớp mặt nền đất yếu có chiều dày nhỏ hơn 3m thường kết hợp với thoát nước theo chiều thẳng đứng
1 lớp vải ĐKT loại dệt c-ờng độ 50 kN/m Đào thay đất h=2-3m Đắp trả bằng cát hạt nhỏ
Hình 1.1: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng đệm cát
Đầm chặt bằng quả rơi tự do: áp dụng cho nền đất yếu có độ ẩm nhỏ, tận dụng được nền đất thiên nhiên, giảm khối lượng đào đắp
Bệ phản áp: dùng để tăng độ ổn định và chống trượt trồi công trình Không cần khống chế tiến trình đắp
Hình 1.2: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng bệ phản áp
Thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước là phương pháp hiệu quả trong xử lý lớp bùn đất và bùn sét, với độ sâu xử lý lên tới 40m Tuy nhiên, thời gian thi công có thể kéo dài do cần thời gian để đất cố kết lún Phương pháp này thường được áp dụng cùng với gia tải trước để đạt hiệu quả tối ưu.
Hình 1.3: Nền đường sử dụng phương tiện thoát nước thẳng đứng
Phương pháp thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải bằng hút chân không là giải pháp hiệu quả cho bùn đất và nền móng thuộc lớp bùn dính Phương pháp này có thể được áp dụng cùng với giếng cát hoặc bấc thấm để tăng cường hiệu quả thoát nước.
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ hút chân không
Nhóm 2: nhóm giải pháp gia cường nền đất yếu như:
Sử dụng cọc tre và cọc cừ tràm là giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu có chiều sâu nhỏ và trong điều kiện ẩm ướt Phương pháp này giúp tăng cường sức chịu tải và giảm thiểu độ lún của nền đất, đảm bảo tính ổn định cho công trình.
Cọc cát đầm: chiều sâu xử lý tương đối lớn, tăng cường độ ổn định nền đắp, rút ngắn thời gian thi công
Vải địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bền và tính ổn định của các công trình xây dựng Chúng tạo ra ma sát giữa lớp đất đắp và vải địa kỹ thuật, giúp giữ khối đất đắp chắc chắn, đặc biệt là ở những khu vực có nền đất yếu như sét mềm, bùn và than bùn Để đạt được hiệu quả tối ưu, vải địa kỹ thuật thường được kết hợp với các phương pháp xử lý khác.
Hình 1.5: Bố trí vải địa kỹ thuật để tăng cường chống trượt cho thân nền đường
Cọc đá balát: làm tăng độ bền, sức chống cắt cho đất yếu, giảm độ lún công trình, sử dụng khi nền đất yếu mỏng, không quá 15m
Cọc xi măng đất và cọc vôi giúp thay thế một phần đất yếu, tạo lực ma sát giữa cọc và đất, từ đó nâng cao khả năng làm việc chung của chúng Phương pháp này không chỉ tăng tính kháng cắt mà còn giảm độ lún của nền móng công trình, rất phù hợp cho các loại đất yếu Hơn nữa, nó rút ngắn thời gian thi công so với biện pháp thoát nước thẳng đứng.
Cọc ống bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ đóng vai trò quan trọng trong việc chịu tải trọng nền đắp, giúp giảm độ lún của nền đường Với thời gian thi công nhanh chóng và khả năng kiểm soát chất lượng tốt, loại cọc này đảm bảo độ ổn định cao cho công trình, đồng thời giảm chiều cao đắp.
Để đảm bảo tiến độ và độ ổn định trong khai thác, nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng giải pháp gia cường nền đất yếu bằng hệ thống cọc đặc biệt, bao gồm cọc bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ, cho các công trình đường sắt và đường cao tốc Giải pháp này lần đầu tiên được triển khai rộng rãi tại Hà Lan vào năm 2007 với chiều dài nền đường gia cố lên tới 14km, và đến năm 2009 đã có ít nhất 20 công trình sử dụng Tại Đức, cọc này đã được áp dụng cho tuyến đường sắt Hamburg - Berlin dài 13km vào năm 2003 Đặc biệt, tuyến đường sắt cao tốc Bắc Kinh - Thiên Tân dài 115km sử dụng cọc bê tông đúc sẵn có đường kính 45cm và chiều dài lên tới 35m Ở Việt Nam, cọc xi măng đất đã được sử dụng trong dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây và dự án đại lộ Đông Tây.
Hình 1.6: Tuyến đường sắt HamBurg - Berlin sử dụng cọc bê tông xi măng
Hình 1.7: Quá trình thi công tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Hình 1.8: Nền đường sau khi thi công cọc tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Với sự tiến bộ trong các phương pháp xử lý nền đất yếu, Việt Nam và thế giới đang nỗ lực rút ngắn thời gian thi công Điều này không chỉ giúp đưa công trình vào khai thác sớm hơn mà còn tối ưu hóa khả năng làm việc của nền đất yếu, từ đó giảm chi phí xây dựng.
Hiện nay, nhiều quốc gia đã áp dụng giải pháp sử dụng cọc xi măng đất và cọc bê tông xi măng để xử lý nền đất yếu, nhằm khắc phục nhược điểm của công nghệ truyền thống và rút ngắn thời gian thi công Các tiêu chuẩn quốc tế như BS8006:1995 của Anh, EBGEO 2004 của Đức, và TCXDVN 385:2006 của Việt Nam đã được thiết lập để hướng dẫn thiết kế và thi công Mặc dù giải pháp gia cường nền đất yếu bằng cọc bê tông xi măng đã được áp dụng rộng rãi và đạt hiệu quả tốt trên thế giới, tại Việt Nam, công nghệ này vẫn chủ yếu được sử dụng trong các công trình xây dựng dân dụng và ở vị trí sàn giảm tải của nền đường đắp đầu cầu.
Công trình xây dựng trên nền đất tự nhiên thường gặp vấn đề về ổn định, do đó cần áp dụng giải pháp xử lý để tạo ra nền đất nhân tạo, đảm bảo an toàn cho công trình Nền liên hợp là một khái niệm mới, thường được sử dụng cho đường cấp cao, trong đó nền đất tự nhiên được xử lý thông qua các phương pháp gia cường, thay thế hoặc thiết kế vật liệu có cốt để hình thành vùng gia cố, như minh họa trong hình vẽ số 1.9.
L-íi gia c-êng Đất tốt hoặc đá
Cọc thẳng đứng Đất tốt hoặc đá
Hình 1.9: Cấu tạo nền liên hợp sử dụng cọc cứng [22]
Việc ứng dụng công nghệ gia cường đất yếu khác nhau tùy thuộc vào loại công trình Đối với công trình xây dựng dân dụng, do tải trọng tập trung và độ lún cho phép nhỏ, việc xử lý nền chủ yếu thông qua hệ đài cọc truyền tải trọng xuống lớp đất tốt, trong khi nền đất không tham gia chịu tải Ngược lại, đối với công trình đường, với tải trọng phân bố rộng và khối lượng nền lớn, việc chỉ sử dụng cọc chịu tải 100% sẽ tốn kém và không khả thi Để giảm chi phí và tăng tính khả thi, các nhà thiết kế đã phát triển giải pháp cho phép đất nền cùng tham gia chịu tải, tạo ra nền liên hợp, nơi cọc chỉ chịu tối đa 90% tải trọng, phần còn lại do nền đất xung quanh đảm nhận Ưu điểm của nền liên hợp là tận dụng sự làm việc đồng thời giữa cọc và nền đất yếu, qua đó tiết kiệm chi phí xử lý, giảm chiều cao đất đắp, rút ngắn thời gian thi công và giảm tính nén lún sau khi hoàn thành.
Nền liên hợp sử dụng cọc cứng là giải pháp hiệu quả cho nền đường đắp khi đất không đủ sức chịu tải Giải pháp này bao gồm việc gia cường bằng hệ cọc thẳng đứng có cường độ bê tông từ 15 đến 20, tạo ra vùng gia cố giúp truyền tải trọng và chịu tải tốt hơn Trên đầu hệ cọc, lớp lưới địa kỹ thuật được thiết kế theo phương ngang để hình thành hệ đài cọc mềm, điều chỉnh phân bố tải trọng và ứng suất giữa cọc và đất nền Hệ cọc, đất giữa cọc, lớp gia cường và nền đắp cùng nhau tạo thành hệ nền liên hợp, giúp giảm độ lún và tăng cường độ ổn định cho công trình.
Lớp đất đắp trên có vai trò quan trọng trong việc truyền tải trọng từ xe và tải trọng bản thân xuống lớp lưới địa kỹ thuật gia cường Sự kết hợp giữa lớp đất đắp và lưới địa kỹ thuật gia cường giúp cân bằng và phân bố lại ứng suất cho cọc và đất giữa các cọc.
KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA NỀN LIÊN HỢP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG XI MĂNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Giới thiệu phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus
3.2 Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus để khảo sát bài toán nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
4.3 Hạn chế của đề tài
4.4 Hướng phát triển của luận văn.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN LIÊN HỢP Để đảm bảo ổn định, bằng phẳng, vận hành với vận tốc cao trong thiết kế đường cao tốc cũng như đường cấp cao khác cần phải khống chế bến dạng và tính ổn định của nền đường, nền đường có khả năng xuất hiện các nguyên nhân gây hư hỏng khác là một trong những nhân tố khống chế quan trọng đầu tiên trong việc kiểm soát chất lượng đảm bảo tiến độ của đường, chất lượng của đường cao tốc Tuy nhiên nền đường tự nhiên khó có khả năng tiếp nhận được toàn bộ tải trọng và đảm bảo sức chịu tải hoặc các yêu cầu về độ lún, từ đó cần phải thiết kế xử lý đảm bảo ổn định của nền đường Các giải pháp đang áp dụng như thoát nước cố kết, thay đất, cọc xi măng đất, cọc bê tông xi măng đúc sẵn hay cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ (hệ cọc cứng) tạo thành nền liên hợp Nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng trong một số năm gần đây được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới để xử lý nền đất yếu Giải pháp nền liên hợp với những ưu điểm thời gian thi công nhanh sau khi xử lý nền có thể tiến hành đắp trực tiếp đến cao độ thiết kế, dễ dàng quản lý chất lượng, rất thích hợp cho xử lý nền các công trình đường cao tốc Giải pháp này đã được Ấn Độ, Trung Quốc ứng dụng nhiều vào xử lý nền đường ô tô cao tốc, đường sắt cao tốc, tuy nhiên giá thành còn cao, cần nghiên cứu thiết kế để hạ giá thành Ở Việt Nam để giải pháp này trở thành giải pháp chính thức cần có nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm tạo thành luận chứng đầy đủ để áp dụng giải pháp này rộng rãi trong các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô cấp cao Tác giả đã tìm hiểu các lý thuyết tính toán nền liên hợp và trong chương mục này, tác giả luận văn trình bày các nội dung cơ bản sau:
Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Ảnh hưởng của lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1.1 Tổng quan về nền liên hợp a Sự hình thành và phát triển của biện pháp xử lý nền đất yếu
Việc xây dựng đường trên nền đất yếu và địa chất phức tạp là một thách thức lớn không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới Để đảm bảo sự ổn định và đáp ứng yêu cầu khai thác của nền đường, nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu đã được áp dụng.
Nhóm 1: nhóm giải pháp cải thiện sức chịu tải của nền đất như:
Đào thay đất: Sử dụng ở lớp mặt nền đất yếu có chiều dày nhỏ hơn 3m thường kết hợp với thoát nước theo chiều thẳng đứng
1 lớp vải ĐKT loại dệt c-ờng độ 50 kN/m Đào thay đất h=2-3m Đắp trả bằng cát hạt nhỏ
Hình 1.1: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng đệm cát
Đầm chặt bằng quả rơi tự do: áp dụng cho nền đất yếu có độ ẩm nhỏ, tận dụng được nền đất thiên nhiên, giảm khối lượng đào đắp
Bệ phản áp: dùng để tăng độ ổn định và chống trượt trồi công trình Không cần khống chế tiến trình đắp
Hình 1.2: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng bệ phản áp
Thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước là một phương pháp hiệu quả trong xử lý lớp bùn đất và bùn sét, với độ sâu xử lý có thể lên tới 40m Mặc dù biện pháp này đòi hỏi thời gian thi công kéo dài do cần thời gian để đất cố kết lún, nhưng nó thường được áp dụng cùng với gia tải trước để tăng cường hiệu quả.
Hình 1.3: Nền đường sử dụng phương tiện thoát nước thẳng đứng
Phương pháp thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải bằng hút chân không là giải pháp hiệu quả cho bùn đất và nền móng trong lớp bùn dính Phương pháp này có thể được kết hợp với giếng cát hoặc bấc thấm để tối ưu hóa quá trình thoát nước.
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ hút chân không
Nhóm 2: nhóm giải pháp gia cường nền đất yếu như:
Sử dụng cọc tre và cọc cừ tràm là giải pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu có chiều sâu nhỏ và ở trạng thái ẩm ướt Phương pháp này giúp tăng cường sức chịu tải và giảm thiểu độ lún của nền đất, đảm bảo tính ổn định cho công trình.
Cọc cát đầm: chiều sâu xử lý tương đối lớn, tăng cường độ ổn định nền đắp, rút ngắn thời gian thi công
Vải địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật giúp tăng cường độ bền và tính ổn định của công trình bằng cách tạo ra ma sát giữa lớp đất đắp và vải địa kỹ thuật Chúng tạo lực giữ khối đất đắp, đặc biệt hiệu quả cho các tuyến đường đi qua những khu vực có nền đất yếu như sét mềm, bùn và than bùn Để đạt được hiệu quả cao hơn, thường kết hợp với các phương pháp xử lý khác.
Hình 1.5: Bố trí vải địa kỹ thuật để tăng cường chống trượt cho thân nền đường
Cọc đá balát: làm tăng độ bền, sức chống cắt cho đất yếu, giảm độ lún công trình, sử dụng khi nền đất yếu mỏng, không quá 15m
Cọc xi măng đất và cọc vôi là giải pháp hiệu quả để thay thế một phần đất yếu, tạo ra lực ma sát giữa cọc và đất, giúp cọc và đất cùng làm việc Phương pháp này tăng tính kháng cắt và giảm độ lún của nền móng công trình, đặc biệt phù hợp với các loại đất yếu Ngoài ra, nó còn rút ngắn thời gian thi công so với biện pháp thoát nước thẳng đứng.
Cọc ống bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ đóng vai trò quan trọng trong việc chịu tải trọng nền đắp, giúp giảm độ lún của nền đường Với thời gian thi công nhanh chóng và khả năng kiểm soát chất lượng tốt, các loại cọc này đảm bảo độ ổn định cao cho công trình và giảm chiều cao đắp.
Để đảm bảo tiến độ và độ ổn định trong khai thác, nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng giải pháp gia cường nền đất yếu bằng hệ thống cọc đặc biệt, bao gồm cọc bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ, cho các công trình đường sắt và đường cao tốc Giải pháp này lần đầu tiên được áp dụng rộng rãi tại Hà Lan vào năm 2007 với chiều dài nền đường gia cố 14km, và đến năm 2009 đã có ít nhất 20 công trình sử dụng Tại Đức, giải pháp này được triển khai cho tuyến đường sắt Hamburg - Berlin dài 13km vào năm 2003, trong khi tuyến đường sắt cao tốc Bắc Kinh - Thiên Tân dài 115km sử dụng cọc bê tông đúc sẵn đường kính 45cm và chiều dài lên tới 35m Tại Việt Nam, cọc xi măng đất đã được áp dụng trong dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây và đại lộ Đông Tây.
Hình 1.6: Tuyến đường sắt HamBurg - Berlin sử dụng cọc bê tông xi măng
Hình 1.7: Quá trình thi công tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Hình 1.8: Nền đường sau khi thi công cọc tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Với sự tiến bộ trong các phương pháp xử lý nền đất yếu, cả ở Việt Nam và trên thế giới, thời gian thi công ngày càng được rút ngắn Điều này giúp đáp ứng nhanh chóng yêu cầu đưa công trình vào khai thác, đồng thời tối ưu hóa khả năng làm việc của nền đất yếu, góp phần giảm giá thành công trình.
Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng giải pháp sử dụng cọc xi măng đất và cọc bê tông xi măng để xử lý nền đất yếu, nhằm khắc phục nhược điểm của công nghệ truyền thống và rút ngắn thời gian thi công Các quy trình quy phạm như BS8006:1995 của Anh, EBGEO 2004 của Đức, và tiêu chuẩn JGJ/T 213 - 2010 của Trung Quốc đã được thiết kế và thi công thành công Tại Việt Nam, bản dự thảo sửa đổi 22TCN 262-2000 đã đề xuất tính toán thiết kế cho các biện pháp gia cường đất, trong khi TCXDVN 385:2006 hướng dẫn gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng Mặc dù công nghệ gia cường nền đất yếu bằng cọc bê tông xi măng đã được áp dụng rộng rãi và đạt kết quả tốt ở nhiều nước, nhưng tại Việt Nam, công nghệ này vẫn chủ yếu được sử dụng trong các công trình xây dựng dân dụng và tại các vị trí sàn giảm tải của nền đường đắp đầu cầu.
Công trình xây dựng trên nền đất tự nhiên thường gặp vấn đề về ổn định, do đó cần áp dụng các giải pháp xử lý để tạo ra nền đất nhân tạo, đảm bảo an toàn cho công trình Nền liên hợp là khái niệm mới, thường được sử dụng cho đường cấp cao, trong đó nền đất tự nhiên được gia cường, thay thế hoặc thiết kế với các vật liệu có cốt để hình thành vùng gia cố, như thể hiện trong hình vẽ số 1.9.
L-íi gia c-êng Đất tốt hoặc đá
Cọc thẳng đứng Đất tốt hoặc đá
Hình 1.9: Cấu tạo nền liên hợp sử dụng cọc cứng [22]
Việc ứng dụng công nghệ gia cường đất yếu cho các loại công trình khác nhau có những đặc điểm riêng Đối với công trình xây dựng dân dụng, do tải trọng tập trung và độ lún cho phép nhỏ, việc xử lý nền chủ yếu thông qua hệ đài cọc để truyền tải trọng xuống lớp đất tốt Trong khi đó, với công trình đường, tải trọng phân bố rộng và khối lượng nền lớn, việc chỉ sử dụng cọc chịu tải 100% sẽ làm tăng chi phí và không khả thi Để giảm chi phí và nâng cao tính khả thi, các nhà thiết kế đã phát triển giải pháp cho phép nền đất cùng tham gia chịu tải, tạo ra sự đồng bộ giữa cọc và nền đường Cọc gia cường trong nền liên hợp chỉ chịu tối đa 90% tải trọng, phần còn lại do nền đất chịu Ưu điểm của nền liên hợp là tiết kiệm chi phí xử lý, giảm chiều cao đất đắp, rút ngắn thời gian thi công và giảm tính nén lún sau khi hoàn thành.
Nền liên hợp sử dụng cọc cứng là giải pháp hiệu quả cho nền đường đắp khi đất không đủ sức chịu tải Hệ thống cọc thẳng đứng (cọc cứng) có cường độ bê tông từ 15 đến 20 giúp truyền tải trọng và chịu tải tốt Trên đầu cọc, lớp lưới địa kỹ thuật được thiết kế theo phương ngang tạo ra hệ đài cọc mềm, điều chỉnh phân bố tải trọng và ứng suất giữa cọc và đất nền Sự kết hợp giữa hệ cọc, đất giữa cọc, lớp gia cường và nền đắp tạo thành nền liên hợp, giúp giảm độ lún và tăng cường độ ổn định cho công trình.
Lớp đất đắp đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải trọng từ xe và tải trọng bản thân xuống lớp lưới địa kỹ thuật gia cường Sự kết hợp giữa lớp đất đắp và lưới địa kỹ thuật gia cường giúp cân bằng và phân bố lại ứng suất cho cọc và đất giữa các cọc.
Kết luận chương
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
4.3 Hạn chế của đề tài
4.4 Hướng phát triển của luận văn.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN LIÊN HỢP Để đảm bảo ổn định, bằng phẳng, vận hành với vận tốc cao trong thiết kế đường cao tốc cũng như đường cấp cao khác cần phải khống chế bến dạng và tính ổn định của nền đường, nền đường có khả năng xuất hiện các nguyên nhân gây hư hỏng khác là một trong những nhân tố khống chế quan trọng đầu tiên trong việc kiểm soát chất lượng đảm bảo tiến độ của đường, chất lượng của đường cao tốc Tuy nhiên nền đường tự nhiên khó có khả năng tiếp nhận được toàn bộ tải trọng và đảm bảo sức chịu tải hoặc các yêu cầu về độ lún, từ đó cần phải thiết kế xử lý đảm bảo ổn định của nền đường Các giải pháp đang áp dụng như thoát nước cố kết, thay đất, cọc xi măng đất, cọc bê tông xi măng đúc sẵn hay cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ (hệ cọc cứng) tạo thành nền liên hợp Nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng trong một số năm gần đây được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới để xử lý nền đất yếu Giải pháp nền liên hợp với những ưu điểm thời gian thi công nhanh sau khi xử lý nền có thể tiến hành đắp trực tiếp đến cao độ thiết kế, dễ dàng quản lý chất lượng, rất thích hợp cho xử lý nền các công trình đường cao tốc Giải pháp này đã được Ấn Độ, Trung Quốc ứng dụng nhiều vào xử lý nền đường ô tô cao tốc, đường sắt cao tốc, tuy nhiên giá thành còn cao, cần nghiên cứu thiết kế để hạ giá thành Ở Việt Nam để giải pháp này trở thành giải pháp chính thức cần có nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm tạo thành luận chứng đầy đủ để áp dụng giải pháp này rộng rãi trong các công trình đường ô tô, đặc biệt là đường ô tô cấp cao Tác giả đã tìm hiểu các lý thuyết tính toán nền liên hợp và trong chương mục này, tác giả luận văn trình bày các nội dung cơ bản sau:
Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Sự làm việc của nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
Ảnh hưởng của lớp đệm đầu cọc trong nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1 Sự phát triển nền liên hợp sử dụng cọc bê tông xi măng
1.1.1 Tổng quan về nền liên hợp a Sự hình thành và phát triển của biện pháp xử lý nền đất yếu
Việc xây dựng đường trên nền đất yếu và địa chất phức tạp là một thách thức lớn không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới Để đảm bảo sự ổn định và đáp ứng yêu cầu khai thác của nền đường, nhiều biện pháp xử lý nền đất yếu đã được áp dụng hiệu quả.
Nhóm 1: nhóm giải pháp cải thiện sức chịu tải của nền đất như:
Đào thay đất: Sử dụng ở lớp mặt nền đất yếu có chiều dày nhỏ hơn 3m thường kết hợp với thoát nước theo chiều thẳng đứng
1 lớp vải ĐKT loại dệt c-ờng độ 50 kN/m Đào thay đất h=2-3m Đắp trả bằng cát hạt nhỏ
Hình 1.1: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng đệm cát
Đầm chặt bằng quả rơi tự do: áp dụng cho nền đất yếu có độ ẩm nhỏ, tận dụng được nền đất thiên nhiên, giảm khối lượng đào đắp
Bệ phản áp: dùng để tăng độ ổn định và chống trượt trồi công trình Không cần khống chế tiến trình đắp
Hình 1.2: Mặt cắt ngang xử lý nền đất yếu bằng bệ phản áp
Thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải trước là một phương pháp hiệu quả trong xử lý lớp bùn đất và bùn sét, với độ sâu xử lý lên tới 40m Tuy nhiên, thời gian thi công có thể kéo dài do cần thời gian để đất cố kết lún Phương pháp này thường được áp dụng cùng với gia tải trước để tăng cường hiệu quả xử lý.
Hình 1.3: Nền đường sử dụng phương tiện thoát nước thẳng đứng
Phương pháp thoát nước thẳng đứng kết hợp gia tải bằng hút chân không là giải pháp hiệu quả cho bùn đất và nền móng thuộc lớp bùn dính Phương pháp này có thể được kết hợp với giếng cát hoặc bấc thấm để tối ưu hóa quá trình thoát nước.
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ hút chân không
Nhóm 2: nhóm giải pháp gia cường nền đất yếu như:
Sử dụng cọc tre và cọc cừ tràm là phương pháp hiệu quả để xử lý nền đất yếu có chiều sâu nhỏ, đặc biệt là trong điều kiện nền đất ẩm ướt Phương pháp này không chỉ giúp tăng cường sức chịu tải của nền đất mà còn giảm thiểu hiện tượng lún, đảm bảo ổn định cho công trình.
Cọc cát đầm: chiều sâu xử lý tương đối lớn, tăng cường độ ổn định nền đắp, rút ngắn thời gian thi công
Vải địa kỹ thuật và lưới địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ bền và tính ổn định cho các công trình xây dựng Chúng tạo ra ma sát giữa lớp đất đắp và vải địa kỹ thuật, giúp giữ chặt khối đất đắp, đặc biệt là ở những khu vực có nền đất yếu như sét mềm, bùn và than bùn Để đạt được hiệu quả cao hơn, vải địa kỹ thuật thường được kết hợp với các phương pháp xử lý khác.
Hình 1.5: Bố trí vải địa kỹ thuật để tăng cường chống trượt cho thân nền đường
Cọc đá balát: làm tăng độ bền, sức chống cắt cho đất yếu, giảm độ lún công trình, sử dụng khi nền đất yếu mỏng, không quá 15m
Cọc xi măng đất và cọc vôi là giải pháp hiệu quả để cải thiện tính chất của đất yếu, giúp tăng cường lực ma sát giữa cọc và đất, từ đó cho phép chúng cùng hoạt động Phương pháp này không chỉ nâng cao khả năng kháng cắt mà còn giảm thiểu độ lún của nền móng công trình Đặc biệt, nó rất thích hợp cho các loại đất yếu và rút ngắn thời gian thi công so với phương pháp thoát nước thẳng đứng.
Cọc ống bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ đóng vai trò quan trọng trong việc chịu tải trọng nền đắp, giúp giảm độ lún của nền đường Với thời gian thi công nhanh và khả năng kiểm soát chất lượng tốt, loại cọc này đảm bảo độ ổn định cao cho công trình và giảm chiều cao đắp, mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật vượt trội.
Để đảm bảo tiến độ và độ ổn định trong khai thác, nhiều quốc gia áp dụng giải pháp gia cường nền đất yếu bằng hệ thống cọc đặc biệt, bao gồm cọc bê tông xi măng đúc sẵn và cọc bê tông xi măng đổ tại chỗ, cho các công trình đường sắt và đường cao tốc Giải pháp này được triển khai rộng rãi lần đầu tiên tại Hà Lan vào năm 2007 với 14km nền đường gia cố, và đến năm 2009 đã có ít nhất 20 công trình áp dụng Tại Đức, nó được sử dụng cho tuyến đường sắt Hamburg - Berlin dài 13km vào năm 2003, trong khi tuyến đường sắt cao tốc Bắc Kinh - Thiên Tân dài 115km sử dụng cọc bê tông đúc sẵn có đường kính 45cm và chiều dài 35m Tại Việt Nam, cọc xi măng đất được áp dụng trong dự án đường cao tốc TP Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây và dự án đại lộ Đông Tây.
Hình 1.6: Tuyến đường sắt HamBurg - Berlin sử dụng cọc bê tông xi măng
Hình 1.7: Quá trình thi công tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Hình 1.8: Nền đường sau khi thi công cọc tại tuyến đường sắt Bắc Kinh - Thiên Tân
Sự phát triển của các phương pháp xử lý nền đất yếu tại Việt Nam và trên thế giới đang hướng tới việc rút ngắn thời gian thi công Điều này không chỉ giúp đưa công trình vào khai thác sớm hơn mà còn tận dụng hiệu quả khả năng làm việc của nền đất yếu, từ đó giảm giá thành công trình.
Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng giải pháp sử dụng cọc xi măng đất và cọc bê tông xi măng để xử lý nền đất yếu, nhằm khắc phục nhược điểm của công nghệ truyền thống và rút ngắn thời gian thi công Các quy trình quy phạm như BS8006:1995 của Anh, EBGEO 2004 của Đức, và tiêu chuẩn JGJ/T 213 - 2010 của Trung Quốc đã được thiết kế và nghiên cứu cụ thể cho giải pháp này Tại Việt Nam, bản dự thảo sửa đổi 22TCN 262-2000 đã đề xuất tính toán thiết kế cho các biện pháp gia cường đất, trong khi TCXDVN 385:2006 quy định việc gia cố nền đất yếu bằng trụ đất xi măng Mặc dù giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi và đạt kết quả tốt ở nhiều nước, nhưng tại Việt Nam, công nghệ này chủ yếu chỉ được sử dụng trong các công trình xây dựng dân dụng và tại các vị trí sàn giảm tải của nền đường đắp đầu cầu.
Công trình xây dựng trên nền đất tự nhiên thường gặp vấn đề về ổn định, do đó cần áp dụng các giải pháp xử lý để tạo ra nền đất nhân tạo, đảm bảo an toàn cho công trình phía trên Nền liên hợp, một khái niệm mới, thường được sử dụng cho các tuyến đường cấp cao, là nền đất tự nhiên được gia cường, thay thế hoặc thiết kế với các vật liệu có cốt, nhằm hình thành vùng gia cố như thể hiện trong hình vẽ số 1.9.
L-íi gia c-êng Đất tốt hoặc đá
Cọc thẳng đứng Đất tốt hoặc đá
Hình 1.9: Cấu tạo nền liên hợp sử dụng cọc cứng [22]
Việc ứng dụng công nghệ gia cường đất yếu cho các loại công trình có cách xử lý khác nhau Đối với công trình xây dựng dân dụng, do tải trọng tập trung và độ lún cho phép nhỏ, nền thường được xử lý bằng hệ đài cọc để truyền tải trọng xuống lớp đất tốt, trong khi nền đất không tham gia chịu tải Ngược lại, với công trình đường, tải trọng phân bố rộng và khối lượng nền lớn, việc chỉ áp dụng cọc chịu tải 100% sẽ tốn kém và không khả thi Để giảm chi phí và đảm bảo tính khả thi, các nhà thiết kế đã phát triển giải pháp cho phép nền đất cùng tham gia chịu tải, với cọc gia cường chỉ chịu tối đa 90% tải trọng, phần còn lại do nền đất xung quanh đảm nhận Ưu điểm của nền liên hợp là tận dụng sự làm việc đồng thời giữa cọc và nền đất yếu, giúp tiết kiệm chi phí xử lý, giảm chiều cao đất đắp, rút ngắn thời gian thi công và giảm độ nén lún sau khi hoàn thành.
Nền liên hợp sử dụng cọc cứng là giải pháp hiệu quả cho nền đường đắp khi đất không đủ sức chịu tải Giải pháp này bao gồm việc gia cường bằng cọc thẳng đứng có cường độ mác bê tông từ 15 đến 20, tạo thành vùng gia cố giúp truyền tải trọng và chịu tải Đặc biệt, lớp lưới địa kỹ thuật được thiết kế trên đầu hệ cọc giúp điều chỉnh phân bố tải trọng và ứng suất giữa cọc và đất nền Hệ thống này, bao gồm cọc, đất giữa cọc và lớp gia cường, kết hợp với nền đắp, tạo thành nền liên hợp chịu tải trọng, giảm độ lún và tăng cường độ ổn định.
Lớp đất đắp trên có vai trò quan trọng trong việc truyền tải trọng xe và tải trọng bản thân xuống lớp lưới địa kỹ thuật gia cường Sự kết hợp giữa lớp đất đắp và lưới địa kỹ thuật giúp tạo ra sự cân bằng, đồng thời phân bố lại ứng suất cho các cọc và đất giữa các cọc một cách hiệu quả.