Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật

Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật.

HÀ NỘI, NĂM 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGÔ BÌNH GIANG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT

KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGÔ BÌNH GIANG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT

KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT

Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng

Mã số: 9580211

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.

2 GS TS TRỊNH MINH THỤ PGS TS MAI DI TÁM

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quảnghiên cứu và kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ mộtnguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đãđược thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Ngô Bình Giang

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến cố PGS.TS Mai Di Tám, GS.TS Trịnh MinhThụ đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án.Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo,Khoa Công trình, Bộ môn Địa kỹ thuật, các nhà khoa học, đặc biệt là PGS TS Đỗ Thắng

đã có những đóng góp ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn sát cánh giúp

đỡ, hỗ trợ và động viên về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC BẢNG, BIỂU 10

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 11

1 Danh mục các từ viết tắt 11

2 Giải thích ký hiệu 11

MỞ ĐẦU 16

1 Tính cấp thiết của đề tài 16

2 Mục tiêu nghiên cứu 17

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 17

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 17

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 18

6 Bố cục của luận án 18

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 19

1.1 Tổng quan về đất yếu 19

1.2 Tổng quan về đường đầu cầu 24

1.3 Tổng quan về trụ xi măng đất và lưới địa kỹ thuật 29

1.4 Những vấn đề còn tồn tại và các vấn đề luận án tiếp tục giải quyết 38

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỀ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG HỆ NỀN CỌC GIA CƯỜNG LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT 39

2.1 Giới thiệu chung 39

2.2 Lý thuyết tính toán hệ trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật 42

2.3 Kết luận chương 2 58

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG BẰNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT 59

3.1 Giới thiệu chung 59

3.2 Điều kiện về địa hình, thủy văn 60

3.3 Điều kiện về địa chất 61

3.4 Giải pháp thiết kế 62

3.5 Tính toán theo phương pháp giải tích 62

3.6 Tính toán theo phương pháp số 65

3.7 Kết luận chương 3 76

CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT 77

4.1 Vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc 77

4.2 Các thiết bị thí nghiệm 78

4.3 Quy trình kiểm tra và kiểm soát quan trắc 90

4.4 Xử lý số liệu quan trắc 91

4.5 Hình ảnh lắp đặt thiết bị quan trắc và thu thập dữ liệu 92

4.6 Kết quả quan trắc 93 4.7 So sánh kết quả tính toán theo mô hình số với giải tích và thí nghiệm hiện trường 94

4.8 Kết luận chương 4 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

1 Kết luận 97

2 Những đóng góp mới của luận án 97

3 Các tồn tại và định hướng phát triển nghiên cứu 98

4 Kiến nghị 98

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Độ bằng phẳng i theo phương dọc tim đường 24

Hình 1.2 Phạm vi đường đầu cầu 25

Hình 1.3 Trình tự thi công trụ xi măng đất 30

Hình 1.4 Một số hình dạng bố trí trụ xi măng đất 30

Hình 1.5 Ba nhóm lưới ĐKT 33

Hình 2.1 Trạng thái ứng suất trong khối đắp theo Terzaghi (1943) 40

Hình 2.2 Cơ chế truyền tải hệ GRPS theo Han và Gabr (2002) 41

Hình 2.3 Màn trập theo kinh nghiệm của Terzaghi (1943) 42

Hình 2.4 Hiệu ứng vòm trên hệ lưới vuông của Hewlett và Randolph (1988) 46

Hình 2.5 Mô hình dạng lưới theo đề xuất của Guido và cộng sự (1987) 47

Hình 2.6 Mô hình đề xuất bởi Carlson và cộng sự (1987) 49

Hình 2.7 Mô hình lưới theo SINTEF (2002) 49

Hình 2.8 Tấm truyền tải gia cường theo nguyên lý dầm của Collin (2007) 50

Hình 3.1 Mặt bằng quy hoạch 1/500 khu đô thị Mizuki Park 59

Hình 3.2 Mặt cắt ngang tuyến đường D1 xử lý nền 60

Hình 3.3 Vị trí dự án 60

Hình 3.4 Mặt cắt địa chất 61

Hình 3.5 Giao diện sử dụng của Abaqus 68

Hình 3.6 Giao diện sử dụng FLAC3D [53] 68

Hình 3.7 Giao diện sử dụng của Midas GTS [54] 69

Hình 3.8 Mô hình số 3D bài toán 73

Hình 4.1 Mặt bằng vị trí quan trắc 77

Hình 4.2 Mặt bằng bố trí thiết bị quan trắc 77

Hình 4.3 Thiết bị quan trắc biến dạng lưới ĐKT 79

Hình 4.4 Thiết bị đọc dữ liệu 79

Hình 4.5 Lắp đặt thiết bị đo biến dạng lưới ĐKT tại hiện trường 80

Hình 4.6 Thiết bị đo áp lực đất (earth pressure) 84

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý đo chuyển dịch ngang theo chiều sâu 85

Hình 4.8 Thiết bị đo dịch chuyển ngang theo chiều sâu 86

Hình 4.9 Quy trình lắp đặt ống đo chuyển dịch ngang theo chiều sâu 86

Hình 4.10 Thiết bị đo áp lực lỗ rỗng 87

Hình 4.11 Kiểm tra cao độ đầu cọc và lắp đặt thiết bị đo biến dạng lưới ĐKT 92

Hình 4.12 Mặt bằng bố trí thiết bị quan trắc (trên và phía dưới lớp lưới ĐKT) 92

Hình 4.13 Hoàn tất lắt đặt các thiết bị quan trắc hiện trường 92

Hình 4.14 Thu thập dữ liệu quan trắc trong giai đoạn thi công lớp đất số 1 93

Hình 4.15 Ứng suất tại đỉnh trụ XMĐ theo chiều cao đắp 94

Hình 4.16 Hệ số tập trung ứng suất 94

Hình 4.17 Lực kéo trong lưới ĐKT 95

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Bảng 1.1 Quy định độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường đoạn chuyển tiếp 24

Bảng 3.2 Tương quan giữa các loại mô đun đàn hồi của đất (Duncan & Wong, 1999) .71

Bảng 3.3 Các tính chất cơ lý của đất nền khai báo trong Plaxis 3D 72

Bảng 4.1 Tổng hợp khối lượng quan trắc 90

Bảng 4.2 Chu kỳ quan trắc 90

Bảng 4.3 Kết quả quan trắc tại hiện trường 93

FEM: phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

HKC: hệ kết cấu (trụ xi măng đất, lưới địa kỹ thuật và đất nền)

GRPS: Hệ nền cọc gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật (Geosynthetics Reinforced Pile Supported)

𝐴# Chuyển vị của khối móng

𝐸! Mô đun đàn hồi của trụ XMĐ

𝐸 Mô đun đàn hồi của hệ nền cọc gia cố

𝐸' Mô đun đàn hồi nền đất đắp

𝐸() Mô đun đàn hồi không thoát nước

𝐸!% Mô đun tới hạn

𝐸'* Mô đun đàn hồi tương đương

E tr Hiệu quả truyền tải trọng

𝐿 Vi phân toán tử trong phương pháp số

𝐿!- Chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu

𝐿. Chiều dài đoạn đường gần mố cầu

𝐿/ Chiều dài từ cạnh gần mố đến đoạn đường thông thường

𝐿' Chiều dài gia cường tối thiểu

13

𝐿0 Chiều dài liên kết của lưới ĐKT chống lại lực kéo ngang của nền đắp

𝑙$! Chiều dài đặt tải cục bộ

𝑀1$2 Mô men lớn nhất trong trụ XMĐ

[𝑀] Mô men giới hạn của trụ XMĐ

𝑄- Tổng tải trọng nền đắp và hoạt tải tác dụng

𝑞 Tải trọng xe quy đổi

𝑞5 Cường độ chịu nén tới hạn

𝑆2 Khoảng cách giữa 2 trụ theo phương x

𝑆# Khoảng cách giữa 2 trụ theo phương y

𝑆𝑃𝑇 Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT

𝑆𝑅𝑅 Tỷ số giảm ứng suất (Stress Reduction Ratio)

𝑆1$2 Chuyển vị lún lớn nhất

𝑆6&+ Chuyển vị lệch

𝑠 Khoảng cách từ tim đến tim trụ XMĐ

𝑇7 Lực kéo dọc trục lưới ĐKT

𝑇8 Cường độ chịu kéo tới hạn lưới ĐKT

𝑇1$2 Cường độ chịu kéo lớn nhất của lưới ĐKT

𝑡 Chiều dày lớp lưới ĐKT

𝑊9 Tải trọng phân bố trên lưới ĐKT

7

14

𝑊 Độ ẩm ở trạng thái tự nhiên

𝑊: Độ ẩm ở trạng thái giới hạn chảy

𝑊; Độ ẩm ở trạng thái giới hạn dẻo

𝜎4 Ứng suất trong đất nền giữa các cọc

𝜎4 Ứng suất thẳng đứng trung bình tại đáy nền đắp

𝜀 Độ biến dạng của lưới ĐKT

𝜀 Thành phần biến dạng trong phương pháp số

𝜀7,1$2 Biến dạng dọc trục lớn nhất

∆𝑆 Độ lún lệch

∆𝑆! Độ lún dư kết cấu mố cầu

∆𝑆+ Độ lún dư của đoạn đường gần mố cầu hoặc cống sau 15 năm

∆𝑆6 Độ lún dư của đoạn nền đường thông thường sau 15 năm

∆𝑆!8 Độ lún dư thiết kế của kết cấu cống sau 15 năm

∆𝜎 Sự gia tăng ứng suất tổng

∆𝜎7 Sự gia tăng ứng suất đứng

∆𝜀 Sự gia tăng biến dạng

∆𝜀 , Sự gia tăng biến dạng dẻo

𝜇!?3 Hệ số tập trung ứng suất lên trụ XMĐ

𝜈 Hệ số Poisson đất nền

𝜅 Hệ số trương nở của đất nền

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trước thực trạng nhiều tuyến đường xảy ra tình trạng lún lệch tại chỗ tiếp giáp giữađường và cầu, gây ra sự khó chịu cho người tham gia và nguy cơ mất an toàn giaothông, Bộ Giao thông vận tải đã ban hành Quy định tạm thời về các giải pháp kỹ thuậtcông nghệ đối với đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu (cống) trên đường ô tô kèmtheo Quyết định 3095/QĐ-BGTVT năm 2013 Quy định này cũng đã được Tổng cụcđường bộ Việt Nam (nay là Cục đường bộ Việt Nam) cập nhật vào phụ lục E của Tiêuchuẩn khảo sát, thiết kế nền ô tô trên nền đất yếu TCCS 41:2022/TCĐBVN [1] Nộidung của phụ lục E đề cập các yêu cầu kỹ thuật, công nghệ về thiết kế, thi công, bảodưỡng và sửa chữa để đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu (cống) đảm bảo êm thuận.Giải pháp kỹ thuật công nghệ cho đoạn đường chuyển tiếp giữa đường và cầu có thểlà: tăng chiều dài cầu để hạ thấp chiều cao đất đắp sau mố cầu; làm sàn giảm tải (trên

hệ móng cọc); cống hộp dọc thay thế nền đắp; xử lý nền đất yếu dưới nền đắp; hoặckết hợp xử lý nền đất yếu với các phương án trên Trong nhóm các giải pháp xử lý nềnđất yếu, khi các giải pháp tăng nhanh độ cố kết của đất yếu không khả thi thì trụ ximăng đất có thể là một giải pháp gia cường nền đất yếu cần được ưu tiên xem xét Đểtăng hiệu quả của giải pháp trụ xi măng đất, trên đỉnh trụ thường bố trí lớp truyền tảinhằm tăng tải trọng truyền vào trụ và giảm tải trọng truyền xuống đất yếu giữa cáccọc Lớp truyền tải này trước đây thường sử dụng cát vàng gia cố xi măng 6  8% dày

từ 0,7  1m Tuy nhiên, thời gian thi công kéo dài do phải chờ lớp này hình thànhcường độ rồi mới tiến hành đắp các lớp bên trên Ngoài ra, cường độ chịu kéo uốn củalớp cát gia cố xi măng nhỏ nên khả năng bị nứt tách khá cao khi chịu tải trọng lớn, dẫnđến giảm hiệu quả truyền tải

Gần đây, việc sử dụng lớp truyền tải mềm bằng lưới địa kỹ thuật kết hợp với cát, đádăm hoặc cấp phối đá dăm … được áp dụng khá phổ biến Việc kết hợp lớp truyền tảimềm bằng lưới địa kỹ thuật với trụ xi măng đất còn được gọi là hệ nền cọc GRPS Ưuđiểm của giải pháp công nghệ này là đơn giản, tốc độ thi công nhanh, đảm bảo ổn địnhtốt và thân thiện với môi trường

Trên thế giới, các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ nền cọc GRPS đã được quantâm thông qua các công bố quốc tế và tiêu chuẩn hóa để áp dụng rộng rãi như tiêuchuẩn Anh, BS 8006-1:2010 [2], hướng dẫn thiết kế của Đức, EBGEO:1995 [3] … TạiViệt Nam, nghiên cứu về vấn đề này gần đây cũng được chú ý và thu được các kết quả

có giá trị Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở nghiên cứu lý thuyết, hoặc

mô hình vật lý thu nhỏ trong phòng thí nghiệm Trụ xi măng đất trong các mô hình số

và mô hình

vật lý mới chỉ xét ở dạng cọc chống (mũi cọc nằm tại tầng đất tốt), chưa xét tới bàitoán với mô hình cọc treo/ ma sát (mũi cọc vẫn nằm trong tầng đất yếu có chiều dàylớn) Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu trên nền đất yếu gia cườngtrụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật” thông qua phân tích số với mô hình cọc treo

và kiểm chứng với kết quả thí nghiệm hiện trường là cần thiết, có ý nghĩa khoa học vàthực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng mô hình số nghiên cứu sự phân bố ứng suất và độ lún của trụ xi măng đất(dạng cọc treo) và đất nền xung quanh trụ trên đoạn đường đầu cầu xây dựng trênnền đất yếu được gia cường bằng trụ xi măng đất kết hợp với lưới địa kỹ thuật

- Thông qua thí nghiệm hiện trường kiểm chứng lại mô hình số, phân tích hiệu quảcủa giải pháp xử lý, độ tin cậy của kết quả tính toán lý thuyết và mô hình số

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: đường đầu cầu xây dựng trên nền đất yếu có chiều dày lớn

(≈30m) được gia cường bằng trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phân bố ứng suất, độ lún của trụ xi măng đất và

nền đất yếu xung quanh trụ, lực kéo lưới địa kỹ thuật thông qua mô hình số và thínghiệm hiện trường

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: thu thập và phân tích các tài liệu cũng như các kết quả

nghiên cứu đã có liên quan đến vấn đề nền đường đầu cầu được gia cường bằng trụ

xi măng đất kết hợp với lưới địa kỹ thuật

- Phương pháp sử dụng mô hình số: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (thông qua

phần mềm Plaxis) để thiết lập mô hình vật liệu cho nền đắp, trụ xi măng đất, nền đấtyếu, lưới địa kỹ thuật để xác định trạng thái ứng suất, biến dạng của nền đường giacường

- Phương pháp thí nghiệm hiện trường: quan trắc áp lực đất, biến dạng của lưới địa

kỹ thuật, áp lực nước lỗ rỗng và độ lún theo chiều sâu để đánh giá hiệu quả của giảipháp xử lý, độ tin cậy của kết quả tính toán lý thuyết và mô hình số

- Phương pháp chuyên gia: thông qua các hội thảo để lấy ý kiến đóng góp của các

chuyên gia trong và ngoài nước về cách tiếp cận, nghiên cứu, các luận cứ khoa học

và các giải pháp

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Thông qua việc tổng kết tình hình nghiên cứu và ứng dụng giải pháp trụ xi măng đấtkết hợp với lưới địa kỹ thuật, luận án phân tích được các ưu điểm và chỉ ra các điểmcòn tồn tại của các phương pháp thiết kế được áp dụng phổ biến hiện nay

- Xây dựng mô hình số theo phương pháp phần tử hữu hạn 3D nghiên cứu sự phân bốứng suất và độ lún của trụ xi măng đất và đất nền xung quanh trụ trên đoạn đườngdẫn đầu cầu trên nền yếu được gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật

- Thiết lập hệ thống quan trắc và quy trình quan trắc hiện trường, kết quả quan trắckhẳng định được việc sử dụng trụ XMĐ dạng cọc treo kết hợp lưới ĐKT là giảipháp xử lý nền đất yếu hiệu quả, phù hợp với đoạn đường đầu cầu, đồng thời bổsung các đánh giá phân tích, so sánh giữa mô hình số và thực tế công trình

6 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án bao gồm:

- Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán về phân bố ứng suất trong hệ nền cọc gia cường lưới địa kỹ thuật

- Chương 3: Phân tích ứng xử của nền đường đầu trên nền đất yếu gia cường bằng trụ

xi măng đất kết hợp với lưới địa kỹ thuật

- Chương 4: Thí nghiệm hiện trường nghiên cứu ứng xử của hệ trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về đất yếu

1.1.1 Khái niệm về đất yếu

Theo tiêu chuẩn khảo sát, thiết kế nền đường ôtô trên nền đất yếu TCCS41:2022/TCĐBVN [1] và 22TCN 262 – 2000 [4], đất yếu là đất có sức kháng cắt nhỏ

và tính biến dạng (nén lún) lớn, do vậy nền đắp trên đất yếu, nếu không có các biệnpháp xử lý thích hợp thường dễ bị mất ổn định toàn khối hoặc lún nhiều, lún kéo dàiảnh hưởng đến mặt đường, công trình trên đường và cả mố cầu lân cận Những loại đấtyếu thường gặp là đất loại sét (cát pha, sét pha và sét) trạng thái dẻo chảy đến chảy, cátbụi bão hòa nước hoặc các loại đất ở dạng bùn, than bùn Theo nguồn gốc, đất yếu

có thể được hình thành trong điều kiện lục địa, vịnh, đầm hồ ở khu vực vùng cửa sông,vịnh biển hoặc nguồn gốc biển được hình thành ở khu vực nước nông, khu vực thềmlục địa

1.1.2 Cách nhận biết đất yếu

1.1.2.1 Nhận biết đất yếu theo hệ số rỗng và cường độ kháng cắt

Đất sét hoặc sét pha, được xem là đất yếu nếu ở trạng thái tự nhiên, độ ẩm của chúnggần bằng hoặc cao hơn giới hạn chảy, hệ số rỗng lớn (sét có e ≥ 1,5, sét pha có e ≥1,0), sức kháng cắt ≤ 15 kPa, góc nội ma sát φ < 10° (theo phương pháp cắt nhanhkhông thoát nước trong phòng) hoặc Su ≤ 35 kPa (theo phương pháp cắt cánh hiệntrường); có sức kháng mũi xuyên tĩnh qc ≤ 0,1 MPa (theo kết quả xuyên tĩnh); có chỉ sốxuyên tiêu chuẩn Nspt < 5 (theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT)

Đất yếu dưới dạng bùn cát, bùn cát mịn (hệ số rỗng e > 1,0; độ bão hòa G > 0,8) đượchình thành ở các vùng thung lũng

Đất hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, nơi nước tích đọng thường xuyên, mựcnước ngầm cao, tại đây các loài thực vật phát triển, thối rữa và phân hủy, tạo ra các vậtlắng hữu cơ lẫn với các trầm tích khoáng vật Loại này thường gọi là đất đầm lầy thanbùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20 ÷ 80%, thường có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúckhông

mịn Đối với loại này thường được xem là đất yếu nếu hệ số rỗng và các đặc trưng sức kháng cắt của chúng cũng đạt các trị số như nêu trên

Đất yếu đầm lầy than bùn còn được phân theo tỷ lệ lượng hữu cơ có trong chúng:

- Lượng hữu cơ có từ (20 ÷ 30)%: Đất nhiễm than bùn

- Lượng hữu cơ có từ (30 ÷ 60)%: Đất than bùn

- Lượng hữu cơ > 60%: Than bùn

1.1.2.2 Nhận dạng đất yếu theo trạng thái tự nhiên

Để đánh giá sơ bộ về tính chất công trình của đất yếu, từ đó bước đầu xem xét các giải pháp thiết kế nền đường tương ứng, đất yếu được nhận dạng theo độ sệt (B) như sau:

B  W  W P

Trong đó: W, WP, WL là độ ẩm ở trạng thái tự nhiên, giới hạn dẻo và giới hạn chảy củađất yếu

- Nếu B > 1: Đất yếu ở trạng thái chảy (được gọi là bùn sét);

- Nếu 0,75 < B ≤ 1: Đất yếu dẻo chảy

Đất có nguồn gốc hữu cơ thường hình thành từ đầm lầy, có hàm lượng hữu cơ chiếmtới (20 ÷ 80)%, thường có màu đen hay nâu sẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn dưthực vật) được gọi là đất đầm lầy than bùn Loại này thường được xem là đất yếu nếu

hệ số rỗng và các đặc trưng cường độ kháng cắt của đất cũng đạt các trị số nêu tại mục1.1.2.1

Ở trạng thái tự nhiên, đất đầm lầy than bùn được phân thành loại I, II, III:

- Loại I: Loại có độ sệt ổn định; thuộc loại này nếu vách đất đào thẳng đứng sâu 1 m trong chúng vẫn duy trì được ổn định từ 1 ÷ 2 ngày;

- Loại II: Loại có độ sệt không ổn định; loại này không đạt tiêu chuẩn loại I nhưng đất than bùn chưa ở trạng thái chảy;

- Loại III: Đất than bùn ở trạng thái chảy

1.1.3 Công nghệ xử lý nền đất yếu cho đường giao thông

1.1.3.1 Phân loại các công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu

Tuỳ theo đối tượng trực tiếp tác động của giải pháp xử lý, hiện nay người ta thườngchia công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu thành 2 loại sau:

a Loại chỉ tác động đến bản thân nền đắp

Để bảo đảm nền ổn định và giảm lún, các giải pháp công nghệ này không đụng đếnnền đất phía dưới mà chỉ tác động đến cấu tạo và quá trình xây dựng nền đắp phía trên.Các giải pháp công nghệ loại này gồm có:

- Xây dựng nền đắp theo giai đoạn (vừa đắp vừa chờ lún);

- Xây dựng các bệ phản áp hai bên nền đắp;

- Đắp gia tải trước để tăng nhanh lún;

- Giảm tải trọng của nền đắp: đắp bằng vật liệu nhẹ (polyetylen nở, lốp xe ), đặt thêm các ống cống trong thân nền đắp;

- Tăng cường ổn định cho nền đắp bằng cách bố trí thêm các lớp vải hoặc lưới địa kỹ thuật ở đáy và thân nền đắp

b Giải pháp tác động đến nền đất yếu phía dưới nền đắp

- Thay toàn bộ hay một phần đất yếu bằng vật liệu đắp tốt;

- Bố trí các phương tiện thoát nước thẳng đứng: giếng cát, bấc thấm;

- Hút chân không để tạo cố kết vùng đất yếu;

- Trụ balát, cọc cát;

- Đất gia cố vôi hoặc ximăng theo công nghệ trộn ướt hoặc trộn khô;

- Tăng nhanh cố kết của đất yếu bằng công nghệ điện thấm;

- Xây dựng nền đắp trên hệ cọc đóng trong đất yếu

c Các nguyên tắc lựa chọn công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu

Khả năng thực hiện tại chỗ như điều kiện về vật liệu, thiết bị, tay nghề; tác động củaquá trình thi công đến môi trường xung quanh; thời hạn thi công tối đa; tuổi thọ côngtrình; chi phí

- Về vật tư thiết bị, ngoài các thiết bị chuyên dùng cho mỗi loại công nghệ (như thiết

bị thi công bấc thấm, giếng cát, khoan và phun trộn đất gia cố ximăng, vôi ) cònphải chú trọng khả năng cung cấp vật liệu như cát, nước (trong công nghệ cọc đất ximăng bằng trộn ướt .), đá balát (cột đá balát), hoặc vật liệu đắp nhẹ (nhưpolyetylen nở, lốp ôtô phế thải) hay vải, lưới địa kĩ thuật, xi măng hoặc cùng vớiđiều kiện vận chuyển đến công trường

- Về tác động môi trường của giải pháp lựa chọn cần phải xét đến:

+ Điều kiện về giải phóng mặt bằng (khi áp dụng giải pháp đáp bệ phản áp);

+ Điều kiện giao thông địa phương qua lại dưới hoặc trên công trình nền đắp;

+ Chỗ đổ đất thải (trong giải pháp thay đất);

+ Tác động đến nguồn nước, khả năng duy trì được các dòng chảy tự nhiên, khảnăng bảo vệ nguồn nước ngầm trong quá trình thi công (đặc biệt phải xét đếnyếu tố này khi chọn giải pháp cột đất ximăng phun trộn ướt);

+ Khả năng chống bụi, gây chấn động trong quá trình thi công đối với khu vực dân

cư lân cận (nhất là bụi do vôi hoặc ximăng và chấn động do khoan, đóng cọc )

- Về thời hạn thi công: thông thường thời hạn thi công hạng mục nền đắp trên đất yếunằm trên đường găng của sơ đồ tổ chức thi công chung toàn bộ công trình Do vậyphải dựa trên cơ sở của một bản thiết kế tổ chức thi công tốt để xác định càng đúngcàng tốt thời hạn thi công hạng mục nền đắp trên đất yếu Trong đó có xét đến thờigian chờ (giữa các đợt đắp, cốt kết ) và cả những yếu tố bất trắc do khả năng dựbáo trước kém chính xác (thời gian chờ được điều chỉnh giảm hoặc tăng thêm theothực tế) Đối với tất cả các giải pháp xây dựng nền đắp trên đất yếu, trong mọitrường hợp nên tận dụng khởi công sớm nhất có thể và thực hiện một số công việcngay cả trong thời gian chuẩn bị thi công (nếu được)

- Về yêu cầu khai thác sử dụng công trình lâu dài: khi chọn giải pháp cần đặc biệt chútrọng đến yêu cầu về hạn chế độ lún (độ lún cho phép hoặc tốc độ lún cho phép cònlại sau khi đưa công trình vào sử dụng).

- Về chi phí: cần phải so sánh tổng chi phí trong quá trình thi công và sau khi đưacông trình vào sử dụng (đối với một số giải pháp phải tiếp tục thực hiện bù lúntrong quá trình khai thác)

Nguyên tắc lựa chọn giải pháp công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu thường là: đềcập các giải pháp đơn giản (vùng đất yếu có bề dày nhỏ hoặc không có đất yếu, đắptrực tiếp hoặc chỉ tác động đến bản thân nền đắp ), sau đó là các giải pháp xử lý nôngrồi mới xét đến các giải pháp xử lý sâu Căn cứ vào các tiêu chí nêu trên, tiến hành sosánh kinh tế - kĩ thuật để lựa chọn phương án có tổng chi phí xây dựng và khai thácthấp, đáp ứng mọi yêu cầu, mục tiêu của công trình xây dựng

1.1.3.2 Phạm vi sử dụng các giải pháp công nghệ xây dựng nền đắp trên đất yếu

Theo kinh nghiệm trên thế giới, thường kết hợp sử dụng 2, 3 giải pháp công nghệ nóitrên để đạt được mục tiêu xử lý:

- Tầng cát đệm kết hợp với giếng cát hoặc bấc thấm;

- Bệ phản áp kết hợp với thoát nước đứng: phản áp để giữ cho nền đắp ổn định trong quá trình thoát nước cố kết;

- Gia tải trước kết hợp với thoát nước đứng nhưng cần chú ý đảm bảo ổn định cho nền đắp trong quá trình chờ cố kết;

1.2 Tổng quan về đường đầu cầu

1.2.1 Khái niệm về đường đầu cầu

Đoạn đường yêu cầu sự chuyển tiếp một cách hài hòa, êm thuận trên toàn bộ mặt cắtngang từ đường đến vị trí tiếp giáp công trình cầu trên đường ô tô (Hình 1.1)

Độ bằng phẳng (i) theo phương dọc tim đường là độ dốc dọc giữa hai điểm trên mặtđường theo phương dọc tim đường do sự chênh lệch độ lún của hai điểm đó

Hình 1.1 Độ bằng phẳng i theo phương dọc tim đường

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật

1.2.2.1 Yêu cầu về độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường

Nhằm đảm bảo sự chuyển tiếp êm thuận, không gây ‘‘xóc’’ mạnh cho xe chạy qua

đoạn chuyển tiếp thì độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường (i) của đoạn chuyển

tiếp giữa đường và cầu được quy định trong bảng 1.1

Trong một số trường hợp cho phép tạo ‘‘vồng’’ trước cho đoạn đường chuyển tiếp với

độ dốc dọc lớn nhất là 1/125 nhằm dự phòng bù lún trước

Bảng 1.1 Quy định độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường đoạn chuyển tiếp

Đoạn chuyển tiếp đường và công trình

1.2.2.2 Xác định chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu

a Trường hợp xây dựng ở nơi đất yếu

Chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu được xác định từ mép về phía đường củatường đỉnh mố cầu về mỗi phía nền đường tính theo công thức:

Trong đó:

- 𝐿!-: chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu/ cống (m);

- 𝐿.: chiều dài đoạn đường gần mố cầu hoặc cạnh cống (m);

- 𝐿/: chiều dài đoạn đường từ cạnh gần mố đến đoạn đường thông thường (m);

- Chiều dài 𝐿. lấy như Hình 1.2;

Hình 1.2 Phạm vi đường đầu cầu

- Đối với đoạn đường gần mố:

𝐿. ≥ (Δ𝑆+ − Δ𝑆!)/𝑆 nhưng không nhỏ hơn 3𝐻 + (3 ÷ 5)m (1.3)

- Đối với đoạn đường cạnh cống:

𝐿. ≥ (Δ𝑆+ − Δ𝑆!8)/𝑆 nhưng không nhỏ hơn 𝐷 + 2𝐻 (1.4)

- Chiều dài 𝐿/ tính theo công thức sau:

𝐿/ ≥ (Δ𝑆. − Δ𝑆/)/𝑆 (1.5)Trong các công thức (1.3), (1.4), (1.5):

- Δ𝑆!: độ lún dư kết cấu mố cầu lấy theo quy định của TCVN 11823:2017 [7] bằng 25,4 trong vòng 100 năm, (mm);

- Δ𝑆+: độ lún dư của đoạn đường gần mố cầu hoặc cống sau 15 năm với nền đường dưới mặt đường mềm hoặc 30 năm đối vớ nền đường dưới mặt đường BTXM, (m);

- Δ𝑆6: độ lún dư của đoạn nền đường thông thường sau 15 năm với nền đường dưới mặt đường mềm hoặc 30 năm đối với nền đường dưới mặt đường BTXM, (m);

- Δ𝑆!8: độ lún dư thiết kế của kết cấu cống sau 15 năm đối với cống dưới mặt đường mềm hoặc 30 năm đối với cống dưới mặt đường BTXM, (m)

- H: chiều cao đất đắp sau mố hay cạnh cống (Hình 1.2), (m)

- D: khẩu độ cống, (m)

- i: độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường lấy theo Bảng 1.1

b Trường hợp công trình xây dựng ở nơi không có đất yếu

Chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu (hoặc cống) là 𝐿!- = 𝐿. lấy bằng phạm

vi đoạn tiếp giáp giữa đường và cầu theo mục 7.6.1 của TCVN 9436:2012 [8]

1.2.3 Giải pháp công nghệ đảm bảo êm thuận đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu

1.2.3.1 Tăng chiều dài cầu để hạ thấp chiều cao đất đắp sau mố cầu

Chiều cao đất đắp sau mố cầu nên chọn nhỏ hơn 6m đối với vị trí không có đất yếu và nhỏ hơn 4m tại vị trí đất yếu

1.2.3.2 Xử lý nền đất yếu dưới nền đắp trong phạm vi đoạn chuyển tiếp

Nền đất yếu dưới nền đường phải được xử lý bằng các giải pháp thích hợp để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về kiểm soát độ lún dư theo quy định

a Nguyên lý chung

Đối với đoạn chuyển tiếp có thể dùng một hoặc kết hợp nhiều giải pháp xử lý đất yếu

để đảm bảo chuyển tiếp êm thuận độ lún dư từ đường và cầu, cần chia đoạn chuyểntiếp thành các đoạn nhỏ có chiều dài từ 5 ÷ 15m Với mỗi đoạn chia nhỏ cần lựa chọnyêu cầu xử lý ở các mức độ khác nhau để tránh không tạo ra các ‘‘bước nhảy’’ do lúndư

- Xử lý nền đất yếu bằng các phương pháp gia cường như:

+ Cọc (trụ) đất gia cố chất liên kết vô cơ (xi măng hoặc vôi);

+ Cọc vật liệu hạt (cọc cát, đá dăm …)

Lưu ý trước tiên cần tiến hành khảo sát địa chất đất nền kỹ lưỡng Trong tính toán xử

lý đất yếu khu vực mố cầu cần phải xét đầy đủ chi tiết tới thành phần lún theo thờigian, với tất cả các tải trọng, trình tự thi công … Tính toán độ lún tương ứng với cácphương pháp xử lý khác nhau, để xác định và lựa chọn biện pháp xử lý phù hợp, đảmbảo tính kinh tế, kỹ thuật

Trong khi thi công cần phối hợp chặt chẽ giữa các đơn vị thi công về trình tự thi công,vừa đảm bảo thời gian chờ lún tối thiểu của phương pháp xử lý nền đất yếu, vừa khônggây ảnh hưởng tới kết cấu mố cầu như hiện tượng ma sát âm, mố chuyển vị dọc …Thông thường nền đường được xử lý đất yếu đạt tối thiểu 90% độ cố kết tính toán thìmới bắt đầu thi công mố cầu

- Khi biện pháp xử lý đất yếu không khả thi, có thể áp dụng

Kết cấu bê tông cốt thép có bệ cọc bê tông cốt thép xuyên qua nền đất yếu, có tác dụngtruyền tải trọng từ đất đắp, hoạt tải xuống lớp đất tốt hơn phía dưới, một số kết cấuthường dùng sau mố cầu như sau:

+ Sàn giảm tải (trên hệ móng cọc) đỡ trực tiếp phần đất đắp nền đường dẫn sau mố;+ Cống hộp dọc thay thế cho phần nền đường đắp đầu cầu, pho phép xe chạy trựctiếp trên nắp cống, giảm áp lực tác dụng lên đất nền

Khi sử dụng hệ cọc bê tông cốt thép gia cố cần có so sánh cụ thể với các phương pháp

xử lý nền đất yếu khác hoặc phương pháp kéo dài thêm nhịp cầu, nhằm đảm bảo cácchỉ tiêu kỹ thuật và hợp lý về kinh tế của phương án lựa chọn

Để đảm bảo yêu cầu độ bằng phẳng ở Bảng 1.1 khi áp dụng các kết cấu cọc móng gia

cố cần đặc biệt chú ý chuyển dần độ cứng chống lún giữa đường và cầu bằng các giảipháp thay đổi chiều sâu và mật độ cọc Bước giảm chiều sâu hạ cọc và mật độ cọc tùytheo kết quả tính toán lún, có thể tham khảo mỗi bước giảm chiều sâu hạ cọc bằng10÷15% chiều dài cọc, khoảng cách các cọc có thể tăng dần từ 1,2÷1,5 lần khoảngcách các cọc

Khi áp dụng giải pháp thay đổi chiều dài cọc và mật độ cọc gia cố cần chia sàn giảmtải thành nhiều đoạn, mỗi đoạn có chiều dài theo phương dọc tim đường bằng 10÷15m,

có thể chia sàn giảm tải và sử dụng cọc gia cố ở mỗi đoạn có chiều dài bằng nhau theodạng bậc thang

1.3 Tổng quan về trụ xi măng đất và lưới địa kỹ thuật

1.3.1 Trụ xi măng đất

1.3.1.1 Khái niệm

Trụ xi măng đất có dạng hình trụ được chế tạo bằng cách trộn xi măng hoặc vữa ximăng với đất tại chỗ (có thể kèm thêm phụ gia) Giải pháp trụ xi măng đất (trộn sâu)nhằm cải thiện các đặc trưng của đất, như tăng cường độ kháng cắt, giảm tính nén lún,bằng cách trộn xi măng (vữa xi măng) với đất nền để chúng tương tác với nhau Hỗnhợp mới tốt hơn nhờ trao đổi ion tại bề mặt các hạt sét, gắn kết các hạt đất và lấp các lỗrỗng bởi các sản phẩm của phản ứng hóa học

Trụ xi măng đất bắt đầu xuất hiện tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 1960.Trộn khô dùng vôi bột chưa tôi được áp dụng ở Nhật Bản từ những năm 1970 Khoảngthời gian đó trụ vôi đất cũng đã được sử dụng ở Thụy Điển Trộn ướt dùng vữa ximăng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 1970 Phương pháp này đượcphổ biến ra thế giới, gần đây hỗn hợp ximăng, vôi với thạch cao, tro bay, xỉ cũng đãđược giới thiệu., thiết bị trộn cũng đã được cải tiến Phương pháp này được áp dụng tạinhiều nước để giải quyết các vấn đề môi trường như ngăn chặn và xử lý các vùng bị ônhiễm

Có nhiều cách phân loại trụ xi măng đất như:

- Phân loại theo chất kết dính: xi măng, vôi, thạch cao, tro bay ;

- Phân loại theo phương pháp trộn: khô /ướt, quay/ phun tia, guồng xoắn hoặc lưỡi cắt.Hiện nay ở nước ta, cách phân loại đơn giản và phổ biến nhất là trộn cơ học (deepmixing) và bơm phụt vữa áp lực cao (jet grouting) Đối với bơm phụt vữa áp lực cao,phương pháp này tạo ra các trụ tròn xi măng có đường kính không đồng đều, do đóliên kết của trụ xi măng đất chưa đồng nhất, khi thi công cần kiểm soát chặt chẽ áp lựcbơm trong điều kiện địa chất phức tạp Đối với phương pháp trộn cơ học (XMĐ), ximăng hay vữa xi măng được xử lý tại chỗ sử dụng gầu xoắn, trụ xi măng đất được thicông theo phương pháp này có đường kính đồng nhất và chất lượng ổn định Do đóphương pháp trộn cơ học được áp dụng phổ biến tại các nước tiến tiến (Nhật Bản, Mỹ,

Thụy Điển ) và nước đang phát triển (Thái Lan).

Trình tự thi công của phương pháp trộn cơ học bao gồm 5 bước:

(1) Định vị tim trụ;

(2) Khoan phá kết cấu đến cao độ mũi trụ;

(3) Bơm vữa xi măng kết hợp trộn;

(4) Rút gàu khoan kết hợp trộn;

(5) Kết thúc quá trình thi công và nghiệm thu

Hình 1.3 Trình tự thi công trụ xi măng đấtPhương pháp trộn sâu ngày càng phổ biến do tăng cường sức chịu tải, giảm độ lún,chống trượt và tăng ổn định cho nền Trụ xi măng đất có cách bố trí phù hợp với côngtrình: khối trụ, tường trụ, lưới, nhóm trụ

Hình 1.4 Một số hình dạng bố trí trụ xi măng đấtCác tính chất của trụ xi măng đất được xem xét bao gồm: cường độ nén không nởhông, hệ số Poisson, modun đàn hồi, ứng xử thoát nước và không thoát nước ba trục,tính thấm, cường độ chịu kéo và chịu uốn, khối lượng riêng và giá trị pH Thôngthường, các tính chất kỹ thuật của trụ xi măng đất xuất phát từ thí nghiệm nén ba trục,thí nghiệm nén không nở hông và thí nghiệm thấm nhỏ giọt

1.3.1.2 Phương pháp tính toán trụ xi măng đất

Hiện nay có nhiều phương pháp tính toán trụ xi măng đất, tuy nhiên có thể xếp chúngvào một trong ba quan điểm sau:

a Quan điểm coi trụ XMĐ là cọc cứng

Trong sơ đồ tính coi trụ XMĐ có độ cứng tương đối lớn và tải trọng ngoài truyền chủyếu thông qua trụ Trụ làm việc như sơ đồ cọc chống (khi mũi trụ đặt ở tầng đất chịutải) hoặc sơ đồ cọc ma sát (khi mũi trụ vẫn ở trong tầng đất yếu, không đặt ở tầng đất

có khả năng chịu tải lớn) Khi đó, trụ XMĐ được đánh giá ổn định theo hai TTGH

- TTGH1: trụ XMĐ đủ khả năng chịu tải và đảm bảo chuyển vị, công thức:

+ [N]: nội lực giới hạn của trụ XMĐ;

+ [M]: mômen giới hạn của trụ XMĐ;

Thực tế, quan điểm tính toán trên có nhiều hạn chế, đặc biệt là xác định sự phân bốứng suất trong trụ XMĐ rất khó khăn, tính toán sức chịu tải hay độ lún thường là giảthiết Ngoài ra, độ cứng trụ XMĐ thay đổi trong quá trình chịu lực, nên quan điểm cọccứng sẽ không phản ánh đúng sự làm việc của hệ cọc

b Quan điểm nền tương đương

Trụ XMĐ được coi là cọc mềm, có độ cứng nhỏ và được xem như vật liệu đất nền.Nền được gia cố trụ XMĐ coi như một nền mới đồng nhất Khi đó, trụ XMĐ biếndạng đồng thời với nền đất dưới tác dụng của tải trọng Theo quan điểm trên, hệ nềncọc đồng nhất bằng cách quy đổi các đặc trưng độ bền, độ cứng trung bình theo tỷ lệdiện tích gia cố ac từ độ bền, độ cứng tương ứng của cọc và đất yếu xung quanh theocông thức (1.10):

- As : diện tích đất giữa các cọc trong hệ nền cọc tính toán;

- 𝜑<, 𝑐<, 𝐸<, 𝜑!, 𝑐!, 𝐸!, 𝜑, 𝑐, 𝐸: tương ứng là góc nội ma sát, lực dính đơn vị,

mô đun đàn hồi của đất tự nhiên, trụ XMĐ và hệ nền cọc gia cố

Khi có các chỉ tiêu của nền đồng nhất, các bước tính toán tiếp theo tương tự như chonền đất tự nhiên bao gồm kiểm tra điều kiện giới hạn về cường độ và biến dạng

Phương pháp nền tương đương là phương pháp tính toán đơn giản, thường được ứngdụng trong bài toán phân tích ổn định tổng thể Tuy nhiên, vì coi là nền đồng nhất nênphương pháp này không phân biệt được sự khác nhau của ứng suất, chuyển vị tại vị trí

đất nền và trụ XMĐ Điều này làm cho trụ XMĐ chịu tải trọng nhỏ hơn thực tế, trongkhi đó đất nền xung quanh trụ chịu tải lớn hơn.

c Quan điểm tính toán hỗn hợp (hệ nền cọc)

Dựa trên giả thiết cọc nửa cứng và mô hình phá hoại đồng thời cả trụ XMĐ và nền đấtyếu xung quanh trụ, phương pháp này yêu cầu phân tích ổn định sức chịu tải trụ theophương pháp cọc nửa cứng và tính toán lún, ổn định tổng thể theo phương pháp nềntương đương

Phương pháp tính toán hỗn hợp hệ nền cọc giảm được hạn chế của phương pháp cọccứng (coi trụ XMĐ chủ yếu chịu lực) hay phương pháp nền tương đương (khi trụXMĐ chịu tải ít hơn, đất nền chịu tải nhiều hơn thực tế), do đó phương pháp này đượcnghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các tiêu chuẩn của Thái Lan, Nhật Bản, TrungQuốc

Hiện nay tại Việt Nam có hai tiêu chuẩn về trụ XMĐ xử lý nền đất yếu bao gồm:TCVN 9403:2012 [9], Gia cố nền đất yếu - Phương pháp trụ đất xi măng, sử dụngphương pháp nền tương đương để đánh giá ổn định tổng thể công trình, lún của hệ nềntrụ XMĐ; và TCVN 9906:2014 [10], Cọc đất xi măng theo phương pháp Jet grouting -Yêu cầu thiết kế thi công và nghiệm thu cho xử lý nền đất yếu, sử dụng phương pháptính toán hỗn hợp hệ nền cọc

1.3.2 Lưới địa kỹ thuật

Lưới địa kỹ thuật (ĐKT) là một loại cốt địa kỹ thuật, được chế tạo từ polyme tổng hợpnhư Polypropylen (PP), Polyetylen (PE) và Polyetylen-Terelat (PET), dạng tấm phẳng

có lỗ hình vuông, chữ nhật hoặc oval, kích thước lỗ thay đổi tuỳ theo loại lưới, có tácdụng cài chặt với đá, sỏi, đất … được sử dụng trong gia cố kết cấu, tăng cường ổn địnhnền, chống xói lở

Theo khả năng chịu lực, lưới ĐKT chia thành 3 nhóm: lưới một trục, hai và ba trục

Hình 1.5 Ba nhóm lưới ĐKT

Lưới ĐKT 1 trục (uniaxial geogrid): loại lưới khi được trải ra, lực căng được phân bổ 1trục theo toàn bộ chiều dài của cuộn (hay còn gọi là hướng dọc máy) Các mắt lướiđược liên kết liên tục dọc theo chiều cuộn của lưới tạo nên một kết cấu vững chắc Kếtcấu này có ứng suất kéo và sức chịu kéo cao, cao hơn các loại thép có hàm lượngcarbon thấp, ưu việt hơn so với các loại vật liệu gia cường truyền thống.

Lưới ĐKT 2 trục (biaxial geogrid): loại lưới có khả năng chịu kéo theo cả hai hướngdọc và ngang tương đương nhau Với đặc điểm chịu lực này, lưới ĐKT 2 trục thườngdùng để gia cố nền móng công trình, khi ứng suất phân bố đều theo hướng dọc vàngang tương đương nhau

Lưới ĐKT 3 trục (triaxial geogrid): loại lưới có khả năng chịu kéo phân bố đều theocác hướng do mắt lưới dạng tam giác đều Lưới được sản xuất từ một tấmPolyPropylen được đóng lỗ và kéo theo ba hướng thẳng với nhiều mấu lưới nguyênvẹn Với đặc điểm chịu lực này, lưới ĐKT 3 trục phù hợp để gia cố kết cấu áo đườngkhi ứng suất phân bố đều theo các phương trong không gian

Lưới ĐKT cường độ cao có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các loại cốt ĐKTthông thường khác như vải ĐKT hay màng ĐKT

Về mặt cường độ, lưới ĐKT cường độ cao có sức chịu kéo rất lớn (cường độ chịu kéocủa lưới từ 300 kN/m cho đến hơn 2000 kN/m, tương đương với khả năng chịu kéocủa thanh kim loại); lưới có độ bền ưu việt về chống ăn mòn và hóa chất (hệ số an toànvật liệu có tính đến độ bền FD < 1,05), khả năng chịu va chạm khi thi công cao (hệ số

an toàn vật liệu có tính đến tổn thương trong thi công FC < 1,03) và khả năng chốngsuy giảm cường độ theo thời gian rất tốt

Về khả năng gia cường, lưới ĐKT cường độ cao có hiệu quả hơn so với vải ĐKT.Theo nghiên cứu của J Zhang và G Hurta năm 2008 [11], cơ chế gia cố nền đất củalưới ĐKT và vải ĐKT là khác nhau Vải ĐKT nâng cao khả năng chịu lực của nền đấtbằng cơ chế ma sát bề mặt (interface friction) với vật liệu đắp, trong khi lưới ĐKT chủyếu thông qua cơ chế cài chặt vật liệu (interlocking) Cơ chế cài chặt hiệu quả hơn sovới cơ chế ma sát bề mặt Ngoài ra, lưới ĐKT cường độ cao có độ cứng cao hơn nhiềulần so với vải ĐKT nên hạn chế việc bị chọc thủng hay rách khi rải trên đỉnh cọc/ trụ,

do đó lưới ĐKT cường độ cao được đánh giá phù hợp hơn trong ứng dụng giải phápcọc kết hợp cốt ĐKT để xử lý nền đất yếu

Việc thi công trải lưới ĐKT rất đơn giản, nhanh chóng nên tiết kiệm thời gian thi công,nhân lực và máy móc, phù hợp với các công trình đòi hỏi tiến độ thi công nhanh Trải

qua nhiều thập kỷ nghiên cứu phát triển, thí nghiệm và áp dụng tại hàng chục nghìn dự

án trên khắp toàn cầu, lưới ĐKT đang chứng tỏ được ưu điểm về tính kinh tế, tiến độthi công cũng như khả năng thân thiện môi trường Do đó lưới ĐKT nói chung và lướiĐKT cường độ cao nói riêng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựngcông trình giao thông Một số ứng dụng của lưới ĐKT như: ổn định nền móng, gia cố

và nâng cao khả năng chịu tải nền đất; ngăn ngừa, giảm thiểu sự nứt vỡ, rạn nứt, nângcao tuổi thọ của đường cao tốc, đường sắt, sân bay, cảng container, bãi đỗ xe; giacường sườn dốc để chống lại sạt/ trượt nền đường giao thông; kết hợp với hệ cọc (trụXMĐ, cọc bê tông cốt thép, cọc cát xi măng ) để tạo ra giàn đỡ truyền tải trọng từcác công trình bên trên tới tất cả các cọc/ trụ một cách hiệu quả, giúp tiết kiệm được sốlượng cọc sử dụng

1.3.3 Giải pháp trụ xi măng đất và lưới địa kỹ thuật trong xử lý nền đất yếu

1.3.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Giải pháp trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đất yếu ngày càng được áp dụngrộng rãi trên thế giới Các nghiên cứu hệ trụ XMĐ kết hợp lưới ĐKT để xử lý nền đấtyếu có thể chia làm ba nhóm chính: nhóm phương pháp giải tích, nhóm phương pháp

mô hình thực nghiệm và nhóm phương pháp số

a Phương pháp giải tích

Dựa trên các giả thiết tính toán, nhiều nhà nghiên cứu, các tổ chức đã đi sâu vào phântích sự làm việc giữa trụ và vật liệu ĐKT Nhìn chung, quan điểm của những nhànghiên cứu và thiết kế đều cho rằng đây là một hệ làm việc phức tạp, phụ thuộc vàonhiều yếu tố như khoảng cách giữa các trụ, độ cứng của trụ, chiều cao và góc ma sáttrong của đất đắp, khả năng chịu tải của trụ và sự làm việc của lưới ĐKT Khi phântích, các nghiên cứu hầu như chia tách hệ GRPS thành các phần riêng rẽ, kèm với đó lànhững giả thiết nhằm đơn giản hóa Phần đất đắp trên hệ trụ XMĐ bao gồm các nghiêncứu về vòm đất và cơ chế truyền tải (Hình 2.2), lực kéo và độ dãn dài của lưới ĐKT.Phần nền phía dưới bao gồm các nghiên cứu về sự tập trung ứng suất trên đỉnh trụ,tương tác giữa trụ và đất yếu xung quanh

Trong nghiên cứu lý thuyết tính toán hệ trụ kết hợp vật liệu ĐKT để xử lý nền đất yếu,

cơ chế truyền tải trọng là một trong những khía cạnh quan trọng nhất Khi chịu tảitrọng, ngoài hiệu ứng vòm, hệ trụ XMĐ kết hợp vật liệu ĐKT còn xảy ra hiệu ứngmàng Đối với hiệu ứng vòm, rất nhiều nghiên cứu đã được công bố như: Terzaghi(1943) [12], Hewlett và Randolph (1988) [13], tiêu chuẩn BS 8006-1:2010 (Anh) [2],quy chuẩn EBGEO (Đức) [3], quy chuẩn SINTEF (Na Uy) [14] Tuy nhiên được