Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu phương án xử lý nền nhà xưởng gia cố ở một số khu công nghiệp

Tính toán độ lún của nền khu công nghiệp khi gia cố cọc xi măng đất bằng phương pháp phân tích với chiều dài và khoảng cách cọc thay đổi.. Mô phỏng ứng xử lún của nền đất yếu gia cố cọc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN NGỌC LINH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NỀN NHÀ XƯỞNG GIA

CỐ Ở MỘT SỐ KHU CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm

Mã số: 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ THANH HẢI

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS VÕ PHÁN

Cán bộ chấm nhận xét 2: GS TS TRẦN THỊ THANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 03 tháng 07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Bùi Trường Sơn

2 PGS TS Võ Phán

3 GS TS Trần Thị Thanh

4 TS Nguyễn Việt Tuấn

5 TS Lại Văn Quí

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 24/08/1991 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm Mã số: 60580204

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NỀN NHÀ XƯỞNG

GIA CỐ Ở MỘT SỐ KHU CÔNG NGHIỆP

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan về cọc xi măng đất và cơ sở lý thuyết tính toán độ lún của nền gia

cố bằng cọc xi măng đất

2 Tính toán độ lún của nền khu công nghiệp khi gia cố cọc xi măng đất bằng

phương pháp phân tích với chiều dài và khoảng cách cọc thay đổi

3 Mô phỏng ứng xử lún của nền đất yếu gia cố cọc xi măng đất bằng phương

pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 2D với chiều dài và khoảng

cách cọc thay đổi So sánh đánh giá độ lún khi thay đổi chiều dài và khoảng

cách cọc theo hai phương pháp trên

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/03/2018

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ THANH HẢI

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2019

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS LÊ ANH TUẤN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, học viên gửi đến quý thầy cô trong Bộ môn Địa Cơ Nền Móng lòng biết ơn sâu sắc, nhờ sự hướng dẫn, giảng dạy tận tình cho học viên những kiến thức quý báu trong các học kỳ vừa qua Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành

Học viên chân thành cảm ơn sự tận tâm giúp đỡ của TS Đỗ Thanh Hải, Thầy

đã hết lòng giúp đỡ và hướng dẫn em trong thời gian học tập, Thầy đã hỗ trợ em rất nhiều về kiến thức chuyên môn, nguồn tài liệu và những lời động viên trong quá trình học viên học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Học viên xin chân thành cảm ơn PGS TS Lê Bá Vinh, PGS TS Võ Phán, PGS TS Bùi Trường Sơn, PGS TS Châu Ngọc Ẩn, PGS TS Nguyễn Minh Tâm, TS Lê Trọng Nghĩa với tinh thần đầy nhiệt huyết và lòng yêu nghề, luôn tận tâm giảng dạy và cung cấp cho học viên nhiều tài liệu quan trọng và cần thiết trong quá trình học tập qua các học kỳ

Xin gửi đến Cha Mẹ lòng biết ơn vì luôn động viên, tạo điều kiện cho con học tập và nghiên cứu

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NỀN NHÀ XƯỞNG GIA CỐ Ở

MỘT SỐ KHU CÔNG NGHIỆP

Cọc xi măng đất đã được ứng dụng để gia cố nền khu công nghiệp Hiệp Phước-Nhà Bè với bề dày lớp đất yếu lên đến 27 m Cọc xi măng đất thi công bằng cánh trộn đạt hiệu quả ở độ sâu nhỏ hơn 20 m và không thể xuyên hết lớp đất yếu nên phần đất yếu còn lại dưới mũi cọc sẽ gây nên lún cố kết Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử cố kết của vùng gia cố và đất yếu dưới vùng gia

cố cũng như ứng xử cố kết của nền sau gia cố với chiều dài cọc và khoảng cách

bố trí cọc thay đổi để làm rõ mối quan hệ giữa độ lún cố kết với chiều dài cọc, khoảng cách cọc và độ lún cố kết theo thời gian khi gia cố nền đất yếu bằng cọc

xi măng đất dạng cọc treo Nghiên cứu được tiến hành bằng phương pháp phân tích mà trong đó độ lún khối gia cố tính theo tiêu chuẩn TK Geo13: 2013 và Chai and Carter 2011 và phương pháp mô phỏng bằng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 2D Kết quả nghiên cứu đạt được là: (1) Độ lún trong khối gia cố nhỏ, khoảng dưới 1% chiều dài cọc và độ lún tăng khi tăng chiều dài cọc và tăng khoảng cách cọc Để giảm độ lún trong khối gia cố thì việc giữ nguyên chiều dài cọc và giảm khoảng cách cọc mỗi 0.2 m sẽ hiệu quả hơn 2 lần khi giữ nguyên khoảng cách cọc và giảm chiều dài cọc mỗi 2 m; (2) Độ lún vùng dưới khối gia

cố giảm khi tăng chiều dài cọc Khi giữ nguyên khoảng cách cọc và tăng chiều dài cọc, với chiều dài cọc tăng mỗi 2 m, độ lún giảm từ 6-15%; (3) Độ lún tổng của nền sau khi gia cố giảm khi tăng chiều dài cọc; (4) Cả hai phương pháp phân tích đều cho kết quả tính toán gần giống nhau về độ lún theo thời gian với sự khác nhau không quá 2 cm; (5) Độ lún tính bằng phần tử hữu hạn gần với tác giả Chai and Carter 2011 và để thiên về an toàn có thể tính theo tiêu chuẩn TK Geo 13: 2013

THESIS SUMMARY

Topic:

STUDY ON SOIL IMPROVEMENT METHODS OF INDUSTRIAL

FACTORY GROUND IN SOME AREAS

Soil-cement columns have been applied to reinforce Hiep Phuoc-Nha Be industrial zone with a thickness of 27 m soft soil Soil-cement columns are effective at a depth of less than 20 m and cannot penetrate the thickness of soft soil The clay layer remaining under the soil-cement column will cause consolidation settlement Therefore, the thesis focuses on settlement of the reinforcement block and soft soil under the reinforcement block with the soil-cement column lengths and the different spacing layout Thesis clarifies the relationship between consolidation settlement and time dependent consolidation settlement with column length and spacing of columns The study was conducted

by analytical method in which settlement of reinforcement block calculated according to TK Geo13: 2013 and Chai and Carter 2011 and method of using finite element simulation using Plaxis 2D software Research results are: (1) Settlement in reinforcement block is about less than 1% of column length and increased settlement when increasing column length and column spacing In order to reduce the settlement in the reinforcement block, keeping the column length and reducing the column spacing every 0.2 m will be more efficient than 2 times when keeping the spacing distance and reducing the column length every 2 m; (2) The settlement under the reinforced block decreases with increasing column length When the column distance is maintained and the column length is increased, with the column length increasing every 2 m, the settlement decreases from 6% to 15%; (3) Total settlement of the foundation after reinforcement decreases when increasing the column length; (4) Both methods of analysis give

a similar result of time dependent consolidation settlement with a difference of not more than 2 cm; (5) Settlement by finite element is close to Chai and Carter

2011 and for safety it can be calculated according to TK Geo 13: 2013 standard

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn này là do chính tôi thực hiện, các

số liệu, hình ảnh, bảng biểu trong đề tài đều chân thực, không trùng lặp với các nghiên cứu nào trước đây Các bảng biểu, hình ảnh, tài liệu, số liệu tham khảo đều được trích dẫn, chú thích thu thập chính xác rõ ràng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

TỔNG QUAN VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT 4

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4

1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỌC XI MĂNG ĐẤT 4

1.3 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 4

1.4 ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG GIA CỐ NỀN 6

1.5 CÁC THÔNG SỐ CỦA CỌC XI MĂNG ĐẤT DÙNG TRONG THIẾT KẾ NỀN 9

1.5.1 Cường độ nén nở hông tự do q u 9

1.5.2 Hệ số thấm k của xi măng đất 10

1.5.3 Mô đun đàn hồi E 0 của xi măng đất 11

1.5.4 Mô đun đàn hồi cát tuyến E 50 của xi măng đất 11

1.5.5 Hệ số poisson của xi măng đất 12

1.5.6 Dung trọng của mẫu xi măng đất 13

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN NỀN GIA CỐ CỌC XI MĂNG ĐẤT 15

2.1 MÔ HÌNH BỐ TRÍ CỌC XI MĂNG ĐẤT 15

2.2 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN 17

2.2.1 Độ lún trong khối gia cố 17

2.2.1.1 Theo TK Geo 13 (2013) 17

a Đặc tính vật liệu 17

b Đặc điểm biến dạng 18

c Tính toán độ lún 19

d Biến dạng trong nền gia cố 23

e Độ lún dài hạn 23

f Độ lún theo thời gian 24

2.2.1.2 Theo Chai and Carter 2011 25

a Phương pháp cân bằng 25

b Phương pháp độ cứng tương đương 27

2.2.2 Tính toán độ lún dưới khối gia cố (TCVN 9403: 2012 và Das 2006) 31 2.2.3 Nguyên lý cố kết (Cố kết theo phương đứng) 33

2.3 LÝ THUYẾT TÍNH LÚN THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 34

2.3.1 Theo Jiang et al., 2013 34

2.3.2 Tan et al., 2008 37

a Mô hình tham số: 38

b Mô hình hình học 40

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 41

TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT TẠI KHU CÔNG NGHIỆP HIỆP PHƯỚC-NHÀ BÈ 42

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 42

3.2 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH 42

3.2.1 Vị trí gia cố 43

3.2.2 Điều kiện địa chất 43

3.2.3 Tải trọng thiết kế 45

3.2.4 Thông số cọc xi măng đất 46

3.2.5 Tính toán độ lún trong khối gia cố 46

3.2.5.1 Theo tiêu chuẩn TK Geo 13 46

a Sức chống cắt không thoát nước của cọc 46

b Sự phân bố tải trọng và gia tăng ứng suất trong nền gia cố 47

c Tính lún 47

d Độ cố kết và độ lún theo thời gian 47

3.2.5.2 Theo Chai and Carter (2011) 47

a Sự phân bố ứng suất và tính toán độ lún 48

b Độ cố kết và độ lún theo thời gian 48

3.2.6 Tính toán độ lún vùng dưới khối gia cố 48

3.2.7 Tính toán độ lún theo phần tử hữu hạn 48

a Mô hình 48

b Mô hình 2D 49

c Mô hình vật liệu 50

3.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53

3.3.1 Chiều sâu tính lún khi chưa gia cố 53

3.3.2 Độ lún trong khối gia cố 53

3.3.3 Độ lún cố kết vùng dưới gia cố 55

3.3.4 Đô lún tổng của nền sau gia cố 56

3.3.5 Độ lún theo thời gian 58

3.3.5.1 Trong khối gia cố 58

3.3.5.2 Vùng dưới khối gia cố 60

3.3.5.3 Độ lún tổng theo thời gian 61

3.3.5.4 Độ lún cố kết còn lại sau thời gian thi công 62

3.3.6 Độ lún tính toán theo phần mềm Plaxis 2D 62

3.3.7 Độ lún khối gia cố theo phần tử hữu hạn 62

3.3.8 Độ lún vùng dưới khối gia cố theo phần tử hữu hạn 64

3.3.8.2 Độ lún tổng của nền theo phần tử hữu hạn 65

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

TÓM TẮT LÍ LỊCH HỌC VIÊN 74

PHỤ LỤC A TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG ĐẤT 1

PHỤ LỤC B TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỦA NỀN GIA CỐ BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cánh trộn khô (Larsson 2005) 5

Hình 1.2 Cánh trộn ướt trong DMM (Larsson 2005) 6

Hình 1.3 Quá trình thi công cọc xi măng đất bằng cánh trộn ướt (Jie Han 2015) 6 Hình 1.4 Mô hình bố trí cọc xi măng đất 7

Hình 1.5 Cọc xi măng đất được ứng dụng giảm lún và tăng khả năng chịu tải của bể chứa ở Texas (Hayward Baker 2019) 8

Hình 1.6 Ứng dụng cọc xi măng đất để làm tường chống xói gần biển cho nhà ở Florida (Hayward Baker 2019) 8

Hình 1.7 Đường cong ứng suất – biến dạng mẫu đất xi măng (Kitazume & Terashi 2013) 9

Hình 1.8 Mô đun đàn hồi E 50 (Jie Han 2015) 12

Hình 1.9 Sự phân phối dung trọng của mẫu đất trộn được khoan ở hiện trường (Theo Michael P.Navin 2005 từ nguồn McGinn & O’Rourke 2003) 13

Hình 1.10 Sự phân phối dung trọng của mẫu đất trộn ướt (Theo Michael P.Navin 2005 từ nguồn McGinn & O’Rourke 2003) 14

Hình 2.1 Giá trị diện tích khi gia cố cọc xi măng đất: a) Lưới bố trí đều giữa các cọc, b) Móng bè (Topolnicki, 2004) 15

Hình 2.2 Bố trí lưới hình ô vuông 16

Hình 2.3 Bố trí lưới tam giác 17

Hình 2.4 Phân vùng nền đất được gia cố (TK Geo 13: 2013) 19

Hình 2.5 Sơ đồ chuyển tải trọng vào cọc và nền đất để tính độ sâu của vùng chuyển tiếp (Vùng A) (Alen 2006) 20

Hình 2.6 Mô hình phân phối tải trọng để tính toán gia tăng ứng suất vào nền đất

được gia cố (TK Geo 13: 2013) 21

Hình 2.7 Mô hình tải trọng tác dụng lên nền đất yếu 25

Hình 2.8 Mô hình các phần tử trong ô đơn vị (Chai and Carter, 2011) 29

Hình 2.9 Mối quan hệ ứng suất - biến dạng cho ứng xử đàn dẻo tuyến tính của đất được gia cố (Baker 2000) 31

Hình 2.10 Mô hình tính lún nền gia cố (TCVN 9403: 2012) 32

Hình 2.11 Mô hình ô phần tử đơn vị của cọc xi măng đất thâm nhập hoàn toàn lớp đất yếu (Jiang et al., 2013) 35

Hình 2.12 Độ cố kết được tính toán dựa trên độ lún và áp lực nước lỗ rỗng (Jiang et al., 2013) 37

Hình 2.13 Mặt cắt ngang của ô phần tử đơn vị và chuyển đổi biến dạng phẳng (Tan et al., 2008) 39

Hình 3.1 Vị trí khu vực gia cố nền (Google Map) 43

Hình 3.2 Lưới PTHH và điều kiện biên thoát nước 49

Hình 3.3 Biểu đồ phân bố ứng suất theo chiều sâu 53

Hình 3.4 Độ lún trong khối gia cố 55

Hình 3.5 Độ lún cố kết vùng dưới khối gia cố 56

Hình 3.6 Độ lún tổng của nền sau gia cố 58

Hình 3.7 Độ lún theo thời gian trong khối gia cố theo TK Geo 13: 2013 59

Hình 3.8 Độ lún theo thời gian trong khối gia cố theo Chai and Carter 2011 59

Hình 3.9 Độ cố kết theo thời gian của khối gia cố 60

Hình 3.10 Độ lún cố kết theo thời gian của vùng dưới khối gia cố 60

Hình 3.11 Độ lún tổng cộng theo thời gian tính theo TK Geo 13: 2013 61

Hình 3.12 Độ lún tổng cộng theo thời gian tính theo Chai and Carter 2011 61

Hình 3.13 Độ lún trong khối gia cố theo PTHH 63

Hình 3.14 Áp lực nước lỗ rỗng trong khối gia cố 63

Hình 3.15 Độ lún vùng dưới khối gia cố theo mô hình PTHH 64

Hình 3.16 Độ lún tổng cộng của nền sau khi xử lý theo mô hình PTHH 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Cường độ nén của xi măng đất theo loại đất trong phương pháp trộn

ướt (Elias et al., 2006) 10

Bảng 1.2 Cường độ q u tại hiện trường và hệ số thấm k của mẫu đất xi măng (Topolnicki 2004) 10

Bảng 1.3 Bảng tóm tắt mối quan hệ giữa E 0 -q u cho mẫu đất sét trộn xi măng (Anna Marta 2014) 11

Bảng 1.4 Mối quan hệ giữa E 50 và q u của mẫu đất xi măng đất thi công theo phương pháp ướt (Theo Michael P Navin 2005 từ nguồn Ou et al., 1996) 12

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý của đất khu vực gia cố 44

Bảng 3.2 Các giá trị cường độ và độ cứng của các lớp đất 45

Bảng 3.3 Tải trọng bên trên tác dụng lên nền 46

Bảng 3.4 Các trường hợp phân tích bài toán trong Plaxis 2D 49

Bảng 3.5 Mô hình vật liệu và thông số của các lớp đất 51

Bảng 3.6 Mô hình vật liệu và thông số của cọc xi măng đất 52

Bảng 3.7 Các bước chạy bài toán Plaxis 2D 52

Bảng 3.8 Độ lún của vùng gia cố 54

Bảng 3.9 Độ lún cố kết vùng dưới khối gia cố 56

Bảng 3.10 Độ lún tổng theo TK Geo 2013 và Chai and Carter 2011 57

Bảng 3.11 Độ lún cố kết còn lại sau thời gian 6 tháng thi công 62

Bảng 3.12 Chênh lệch độ lún trong khối gia cố giữa các phương pháp 64

Bảng 3.13 Chênh lệch độ lún tổng của nền đất được gia cố cố giữa các phương pháp 65

DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục kí hiệu:

A - diện tích tổng khu vực gia cố

A col , A c - diện tích cọc xi măng đất

a s , α, a - tỉ số diện tích thay thế hay tỉ lệ diện tích gia cố

A soil - diện tích đất xung quanh cọc

c u - cường độ cắt không thoát nước của đất

c u,col - cường độ cắt không thoát nước của cọc xi măng đất

c uk - sức chống cắt không thoát nước của cọc

C v - hệ số cố kết

C v2 - hệ số cố kết lớp đất bên dưới

c h,col - hệ số cố kết theo phương ngang của cọc

D, D c , D s - mô đun nén, mô đun nén giới hạn của cọc, mô đun nén giới hạn của

đất

D ci , D si - mô đun nén của cọc xi măng đất và đất xung quanh của lớp đất H 1i

d col , d c - đường kính cọc xi măng đất

d e - đường kính vùng ảnh hưởng

d s - đường kính vùng đất bị xáo trộn

e - hệ số rỗng ban đầu

E 0 - mô đun đàn hồi

e 0i - hệ số rỗng ban đầu của đất

E 50 - mô dun đàn hồi cát tuyến

E c - mô đun của cọc xi măng đất

e c , e s - hệ số rỗng của cọc và đất xung quanh

E c,pl , E c,ax - mô đun đàn hồi của cọc và đất xung quanh trong mô hình biến dạng

phẳng và đối xứng trục

E col - mô đun đàn hồi của cọc

E oed - mô đun tổng biến dạng của đất

E s1 - mô đun trung bình của đất xung quanh

ɛ soil, ɛ col - biến dạng ở vùng đất xung quanh, biến dạng trong cọc

ɛ z , ɛ v - biến dạng thẳng đứng và biến dạng thể tích tại độ sâu bất kỳ của đất

xung quanh và cọc xi măng đất

G s - tỷ trọng hạt

H - bề dày lớp đất yếu

H i , - bề dày của lớp đất yếu thứ i có tính nén lún lớn

I z - hệ số phân bố ứng suất theo chiều sâu

k s - hệ số thấm của vùng đất bị xáo trộn

k v,col - hệ số thấm theo phương đứng của cọc xi măng đất

k v1 - hệ số thấm thẳng đứng của lớp đất bên trên

k v2 , E v2 - hệ số thấm theo phương đứng và mô đun của lớp đất tương đương

bên dưới

k h , k v - hệ số thấm theo phương ngang và phương đứng của nền đất yếu

k h, soil - hệ số thấm theo phương ngang của đất tự nhiên

L col - chiều dài cọc xi măng đất

m - tỉ số tập trung ứng suất hay tỉ số mô đun

M block - mô đun nén của khối đất gia cố

M col - mô đun nén của cọc xi măng đất

M soil - mô đun nén của đất xung quanh

q - tải trọng ngoài phân bố đều

q o - tải trọng tác dụng vào bề mặt nền đất gia cố

q 1 - tải trọng tác dụng xuống đáy khối gia cố

r, r c - bán kính của cọc xi măng đất

r e - bán kính vùng đất xung quanh

S, S 1 , S 2 - độ lún tổng, độ lún khối gia cố, độ lún cố kết đất dưới khối gia cố

S 0 - độ lún trước khi cải thiện của nền đất

s c/c , c/c - khoảng cách từ tim cọc đến tim cọc

S ci - độ lún cố kết tại lớp thứ i

S ƒ - độ lún cuối cùng vào lúc kết thúc quá trình cố kết

S r - độ bão hòa

S t - độ lún bề mặt trên cùng tại thời điểm t

t - thời gian cố kết của đất

T v - nhân tố thời gian theo phương đứng

u 0 - áp lực nước lỗ rỗng ban đầu

u t - áp lực nước lỗ rỗng tại thời điểm t

z - chiều sâu của điểm đang xét trong nền đất

Z ƒic - độ sâu giả định

α vc , α vs - hệ số nén của cọc và đất xung quanh

γ - dung trọng hay trọng lượng riêng (kN/m3)

γ d - dung trọng khô của đất

γ w - dung trọng tự nhiên của đất

Δσ c - độ gia tăng ứng suất vào nền đất gia cố

Δσ ’

c,max - độ gia tăng ứng suất lớn nhất của cọc

Δσ' i - ứng suất do tải trọng ngoài gây ra ở giữa lớp thứ i

ε - biến dạng của khối gia cố tương đương

ε col - biến dạng trong cọc

ε soil - biến dạng ở đất xung quanh

ε col,max - biến dạng của cọc

η C - hệ số phân phối tải trọng

σ - ứng suất trung bình theo phương đứng tác dụng vào nền

σ ’ - ứng suất hữu hiệu

σ col - ứng suất tác dụng lên cọc xi măng đất

σ h - ứng suất tổng theo phương ngang tại ranh giới giữa cọc và đất

σ' p - áp lực tiền cố kết

σ s1 , σ c - ứng suất tổng trung bình của cọc và đất nền xung quanh

σ soil - ứng suất tác dụng lên đất xung quanh

σ vi ’ - ứng suất có hiệu trong lớp đất H 2i

σ' voi - ứng suất do tải trọng bản thân của đất ở giữa lớp thứ i

ϕ - góc ma sát trong của đất

ϕ’ - góc ma sát trong hữu hiệu của đất

∆σ c - độ gia tăng ứng suất

∆σ soil - độ gia tăng ứng suất thẳng đứng vào đất

∆σ v,col - độ gia tăng ứng suất thẳng đứng vào cọc

Danh mục chữ viết tắt

CDM - Cement Deep Mixing

DMM - Deep Mixing Method

MC - mô hình Mohr Coloumb

PTHH - phần tử hữu hạn

SS - mô hình Soft Soil

2D - 2 Dimension

Những năm đầu thế kỷ này, ở nước ta nói chung và các tỉnh thành phía nam nói riêng, biện pháp xử lý nền móng thường lựa chọn cọc khoan nhồi bê tông cốt thép, cọc ép với công trình tải trọng lớn Các loại cọc này có những khuyết điểm như giá thành cao, tiến độ thi công kéo dài, gây ô nhiễm môi trường…

So với công nghệ móng cọc khác, công nghệ cọc xi măng đất tỏ ra khá hiệu quả

về mặt kinh tế do tận dụng được nguồn nguyên liệu tại chỗ ngay dưới chân công trình Công nghệ cọc xi măng đất cũng phù hợp với những khu vực có bề dày lớp đất yếu khá lớn, đặc biệt ở những khu vực Đồng bằng Nam bộ

Công nghệ đất trộn xi măng đã được nhiều công ty ở Việt Nam đưa vào khai thác, thiết kế và thi công có hiệu quả trong những năm gần đây Tuy nhiên phạm vi

áp dụng chủ yếu là xử lý nền móng cho các công trình giao thông, thủy lợi Việc nghiên cứu và áp dụng vào xử lý nền móng cho các công trình khu công nghiệp rất

có tiềm năng Vì vậy, luận văn này tập trung nghiên cứu “Nghiên cứu phương án

xử lý nền nhà xưởng gia cố ở một số khu công nghiệp” Công nghệ cọc xi măng

đất với các ưu điểm về giá thành hợp lý hơn so với các công nghệ khác do không tốn nhiều nguyên liệu, tận dụng nguồn vật liệu tại chỗ, thiết bị thi công không quá phức tạp, thời gian thi công ngắn Do đó cọc xi măng đất có thể là phương pháp đáng để xem xét đánh giá, nghiên cứu trong quá trình thiết kế và thi công

II MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu là đưa ra giải pháp tính toán thiết kế về mặt lý thuyết của gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, trên cơ sở đó kiến nghị phạm vi áp dụng Bên cạnh, nghiên cứu ứng xử cố kết của nền nhà xưởng được gia cố bằng cọc xi măng đất với các bài toán khác nhau bằng phương pháp phân tích và bằng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 2D

III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận văn nghiên cứu theo các phương pháp sau:

- Về lý thuyết: Nghiên cứu các phương pháp tính toán độ lún nền đất yếu gia cố bằng cọc xi măng đất

- Mô phỏng: Phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu được gia cố bằng cọc xi măng đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis 2D

IV GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Đề tài nghiên cứu phương án gia cố nền nhà xưởng ở một số khu công nghiệp là

An Hạ-Long An và Hiệp Phước-Nhà Bè Tuy nhiên, quá trình thu thập số liệu gặp khó khăn nên chỉ thu thập được số liệu tại khu công nghiêp Hiệp Phước-Nhà Bè Phương án gia cố nền bằng cọc xi măng đất là phương án được lựa chọn Vị trí gia

cố là khu công nghiệp Hiệp Phước-Nhà Bè, thành phố Hồ Chí Minh Số liệu thu thập được sử dụng để phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu gia cố cọc xi măng đất tại khu công nghiệp Hiệp Phước-Nhà Bè

V NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Nội dung của luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về cọc xi măng đất

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích ứng xử cố kết của nền đất yếu gia cố bằng cọc

xi măng đất

Chương 3: Tính toán độ lún nền đất yếu được xử lý bằng cọc xi măng đất tại khu công nghiệp Hiệp Phước – Nhà Bè theo phương pháp phân tích và phần tử hữu hạn

sử dụng phần mềm Plaxis 2D

TỔNG QUAN VỀ CỌC XI MĂNG ĐẤT

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, các phương pháp gia cố nền đất yếu đã rất phát triển Một số phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là: Vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không, cọc xi măng đất

Hỗn hợp đất trộn xi măng mà phổ biến là trộn sâu, là toàn bộ kỹ thuật xử lý đất bằng cách trộn đất hiện có với chất kết dính là xi măng, để tạo ra các hạt tổng hợp

có đặc tính cứng hơn so với đất ban đầu Phương pháp đất trộn xi măng này bắt đầu

ở Nhật Bản khoảng năm thập kỷ trước Kể từ đó, phương pháp này được sử dụng rộng rãi và cho đến bây giờ nó đã rất phát triển, đặc biệt là ở các nước Scandinavi

và Hoa Kì

1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỌC XI MĂNG ĐẤT

Cọc xi măng đất xuất phát tại Thụy Điển và Nhật Bản từ những năm 60 Trộn khô dùng xi măng bột được dùng ở Nhật Bản từ những năm 70 Trong khoảng thời gian đó, cọc đất xi măng cũng ra đời ở Thụy Điển Trộn ướt dùng vữa xi măng cũng được Nhật Bản áp dụng trong những năm 70 Phương pháp dần được phổ biến ra thế giới, gần đây hỗn hợp xi măng, vôi với thạch cao, tro bay, xỉ cũng được giới thiệu Thiết bị trộn xi măng đất cũng ngày càng được cải tiến

1.3 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

Đất trộn xi măng là sản phẩm được tạo ra từ đất và xi măng khô hoặc vữa xi măng (xi măng và nước), có thể thêm hoặc không thêm phụ gia (Bruce 2000, Ahnberg 2006 và Kitazume & Terashi 2013) Cọc xi măng đất được tạo ra tại hiện trường bởi thiết bị khoan Đối với công nghệ sử dụng cánh trộn, mũi khoan được khoan xuống làm tơi đất cho đến khi đạt độ sâu lớp đất cần gia cố thì quay ngược lại và dịch chuyển lên kèm theo xi măng được phun vào đất (bằng áp lực khí nén với hỗn hợp khô hoặc bằng bơm vữa đối với hỗn hợp dạng vữa ướt)

Đất trộn xi măng được phân loại dựa vào phương pháp tạo ra chúng Dựa vào

độ sâu xử lý nền, đất trộn xi măng có phương pháp trộn nông và trộn sâu mà hầu hết

là ứng dụng trộn sâu Dựa vào cánh trộn, đất trộn xi măng được thi công bằng cánh trộn kim loại với nhiều hình dạng cánh trộn và hình dạng sản phẩm thiết kế (như CDM, SWING, v.v.) và bằng tia vữa cao áp (Jet grouting) Dựa vào cách phun chất kết dính, đất trộn xi măng có phương pháp trộn khô (cánh trộn thể hiện ở Hình 1.1)

sử dụng xi măng bột và trộn ướt (cánh trộn thể hiện Hình 1.2) sử dụng vữa xi măng Phương pháp khô phù hợp cho nhiều loại đất mềm có độ ẩm cao, vì vậy phù hợp cho việc trộn với chất kết dính khô Mặt khác, phương pháp ướt thì phù hợp cho nhiều loại đất sét mềm, bụi, cát hạt mịn có độ ẩm thấp và trong địa tầng gồm nhiều lớp đất mềm cứng hoặc chặt xen kẽ nhau (Larsson 2005)

Cọc xi măng đất thi công theo phương pháp cánh trộn kim loại trộn ướt được thực hiện theo năm bước (Hình 1.3) theo Jie Han 2015 Đầu tiên, mũi khoan định vị đúng vị trí thiết kết Bước hai, trục quay quay cánh trộn ấn vào trong nền cho tới độ sâu thiết kế Sau đó hỗn hợp xi măng sẽ được phun vào nền đất thông qua trục và cánh trộn Một vài trường hợp hỗn hợp xi măng có thể được phun vào nền lúc xuyên vào Điều này phụ thuộc vào điều kiện đất nền Bước tiếp theo là rút trục trộn lên, khi đó vẫn tiếp tục phun và xoay cho đến khi lên mặt đất hoặc độ sâu thiết kế Cuối cùng, phản ứng xảy ra giữa đất và chất kết dính làm tăng cường độ của đất nền

Hình 1.1 Cánh trộn khô (Larsson 2005)

Hình 1.2 Cánh trộn ướt trong DMM (Larsson 2005)

Hình 1.3 Quá trình thi công cọc xi măng đất bằng cánh trộn ướt (Jie Han 2015) 1.4 ỨNG DỤNG CỌC XI MĂNG ĐẤT TRONG GIA CỐ NỀN

Công nghệ đất trộn xi măng đã làm thay đổi các đặc tính của đất tại chỗ được gia cố, tạo ra sản phẩm dạng cột, tảng hoặc khối (Hình 1.4) Thông qua việc thiết kế các đặc tính kỹ thuật và mô hình xử lý, đất trộn xi măng được ứng dụng trong các lĩnh vực xây dựng kỹ thuật dân dụng và khắc phục môi trường

Hình 1.4 Mô hình bố trí cọc xi măng đất: a) Lưới ô vuông, b) tam giác, c) Tường cọc

tiếp xúc, d) Tường cọc chồng nhau, e) Tường cọc tiếp xúc song song, f) Lưới tường cọc tiếp xúc, g) Nhiều tường cọc chồng giao nhau, h) Nhiều ô phần tử cọc tiếp xúc nhau, i) Cọc chồng dạng tròn, j) Lưới tường cọc chồng, k) Nhóm cọc chồng, l) Nhóm

cọc chồng tiếp xúc, m) Dạng khối (Topolnicki 2004) Phương pháp đất trộn xi măng được ứng dụng để tăng cường độ, kiểm soát biến dạng, giảm độ thấm của đất rời (Porbaha et al., 1998) Công nghệ đất trộn đã được

sử dụng để tăng khả năng chịu tải, giảm độ lún, gia cường cho tường chắn (Hình 1.6), ngăn chặn phá hoại trượt, bảo vệ kết cấu xung quanh khi thi công hố đào, tạo rào chắn ngăn chặn dòng thấm, ngăn ngừa biến dạng cắt (giảm thiểu hóa lỏng), tăng khả năng thi công đường hầm trong đất yếu, tăng khả năng thi công đường hầm trong đất yếu, cản trở rung động, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, v.v (TCVN 9403:

2012 và Hayward Baker 2019)

Hình 1.5 Cọc xi măng đất được ứng dụng giảm lún và tăng khả năng chịu tải của

bể chứa ở Texas (Hayward Baker 2019)

Hình 1.6 Ứng dụng cọc xi măng đất để làm tường chống xói gần biển cho nhà ở

Florida (Hayward Baker 2019)

1.5 CÁC THÔNG SỐ CỦA CỌC XI MĂNG ĐẤT DÙNG TRONG THIẾT

KẾ NỀN

1.5.1 Cường độ nén nở hông tự do q u

Đường cong ứng suất-biến dạng của xi măng đất trong thí nghiệm nén nở hông

tự do (Hình 1.7) cho thấy cường độ tăng đến giá trị cường độ nén cực đại q u sau đó mẫu xi măng đất bị phá hoại Do đó, mẫu xi măng đất được xem như mẫu bê tông khi nén gây ra phá hoại dòn

Hình 1.7 Đường cong ứng suất – biến dạng mẫu đất xi măng (Kitazume & Terashi

2013)

Cường độ q u mẫu xi măng đất tại hiện trường thường bằng 0.5 đến 0.25 lần

cường độ q u trong phòng thí nghiệm Thí nghiệm tại hiện trường cho thấy cường độ

mẫu xi măng đất vẫn tăng trong thời gian 6 tháng sau gia cố Cường độ nén q u của

xi măng đất theo các loại đất thể hiện trong Bảng 1.1:

Bảng 1.1 Cường độ nén của xi măng đất theo loại đất trong phương pháp trộn ướt

(Elias et al., 2006) Loại đất Cường độ q u (psi)

Hệ số thấm của mẫu xi măng đất tăng khi tăng hàm lượng xi măng (Kitazume

& Terashi 2013) Hệ số thấm k của mẫu xi măng đất theo các loại đất và cường độ

q u tại hiện trường được thể hiện trên Bảng 1.2

Bảng 1.2 Cường độ q u tại hiện trường và hệ số thấm k của mẫu đất xi măng

(Topolnicki 2004)

Loại đất Hàm lượng xi măng

α [kg/m3]

Cường độ q u ở tuổi 28 ngày [MPa]

1.5.3 Mô đun đàn hồi E 0 của xi măng đất

Mô đun đàn hồi E 0 của xi măng đất thể hiện độ cứng của cọc và là giá trị quan

trọng trong thiết kế cọc Quan hệ giữa mô đun đàn hồi E 0 với cường độ q u được nhiều tác giả đưa ra và thể hiện ở Bảng 1.3

Bảng 1.3 Bảng tóm tắt mối quan hệ giữa E 0 -q u cho mẫu đất sét trộn xi măng (Anna

Marta 2014)

Trong phòng Lee et al., 1998 E 0 = 80 – 200q u Sét biển Trong phòng

Tan et al., 2002 E 50 = 350 – 800q u

E 50 = 150 – 400q u

Sét biển Trong phòng Lee et al., 2005 E 0 = 80 – 140q u Sét biển Trong phòng

Wong and Goh 2006 E 0 = 100q u Sét biển Hiện trường Lorenzo and Bergado 2006 E 50 = 150q u Sét bangkok Trong phòng

1.5.4 Mô đun đàn hồi cát tuyến E 50 của xi măng đất

Mô đun đàn hồi cát tuyến, E 50, được xác định là độ dốc của đường kéo dài từ gốc của biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng đến cắt điểm tương ứng có giá trị nửa ứng suất cực đại và thường được xác định từ các thì nghiệm nén nở hông tự do hoặc

nén ba trục (Hình 1.8) theo Jie Han (2015) E 50 thường được sử dụng làm giá trị

thiết kế của mô đun đàn hồi của cọc, E 0 Mối quan hệ giữa E 50 và cường độ nén nở

hông q u thể hiện trên Bảng 1.4

Hình 1.8 Mô đun đàn hồi E 50 (Jie Han 2015)

Bảng 1.4 Mối quan hệ giữa E 50 và q u của mẫu đất xi măng đất thi công theo phương pháp ướt (Theo Michael P Navin 2005 từ nguồn Ou et al., 1996)

200-500 Sét bụi Đài loan, cát bụi Fang et al., 1992

350-1000 Đất sét Tokyo, Chiba, Kanagawa,

Aichi, Osaka, Mie, and Fukuoka Kawasaki et al., 1981

75-200 Sét biển Honmoku Gangthin and Sunben 1984

1.5.5 Hệ số poisson của xi măng đất

Hệ số poisson của mẫu xi măng đất có giá trị từ 0.25 đến 0.5 (Namal Yapage

2013 từ các nguồn Kitazume 2002, McGinn & O’Rourke 2003, Terashi 2002, Porbaha et al., 2005) Theo Porbaha et al., 2005 giá trị hệ số Poisson từ 0.25 đến 0.45

1.5.6 Dung trọng của mẫu xi măng đất

Đối với phương pháp trộn ướt, khi hàm lượng xi măng tăng lên, dung trọng của đất được cải thiện cũng tăng Đối với đất sét, dung trọng có thể tăng 0.5 đến 1.0 kN/m3 (3 đến 6 lb/ft3), nhưng trong trường hợp đất cát, có rất ít thay đổi về dung trọng (Namal Yapage 2013 từ nguồn Takenaka 1995) Tại dự án Đường hầm Trung tâm Boston, theo McGinn & O’ Rourke (2003) cho rằng dung trọng mẫu đất trộn xi măng giảm đáng kể khi trộn với mẫu đất ban đầu có giá trị cao (20 đến 21 kN/m3) McGinn và O’ Rourke (2003) đưa ra giá trị dung trọng của mẫu đất trộn xi măng được thể hiện trong Hình 1.9 và Hình 1.10 (Theo Michael P.Navin 2005):

Hình 1.9 Sự phân phối dung trọng của mẫu đất trộn được khoan ở hiện trường

(Theo Michael P.Navin 2005 từ nguồn McGinn & O’Rourke 2003)

Hình 1.10 Sự phân phối dung trọng của mẫu đất trộn ướt (Theo Michael P.Navin

2005 từ nguồn McGinn & O’Rourke 2003)

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN NỀN GIA CỐ

CỌC XI MĂNG ĐẤT

2.1 MÔ HÌNH BỐ TRÍ CỌC XI MĂNG ĐẤT

Cọc xi măng đất thi công theo công nghệ cánh trộn kim loại thường có đường kính cọc từ 0.6-0.9 m và đôi khi đường kính có thể lên đến 2.5 m (Jie Han 2015 và Topolnicki 2004) Chiều dài cọc thường nhỏ hơn 20 m đối với trộn khô và nhỏ hơn

30 m đối với trộn ướt vì thiết bị thi công hiệu quả ở dưới khoảng cách này (Jie Han 2015) Với các kiểu bố trí khác nhau thì tỉ số diện tích thay thế có giá trị từ 0.2-0.5,

đối với trường hợp gia cố toàn khối thì tỉ số diện tích thay thế a s là 100% (Jie Han 2015) Tỉ số diện tích thay thế là tỉ số giữa diện tích cọc xi măng đất và diện tích tổng khu vục gia cố, thể hiện ở công thức (2.1) (Topolnicki, 2004)

c o l s

A a A

trong đó: a s – tỉ số diện tích thay thế; A col – diện tích cọc xi măng đất; A – diện tích

tổng khu vực gia cố được thể hiện trên Hình 2.1:

Hình 2.1 Giá trị diện tích khi gia cố cọc xi măng đất: a) Lưới bố trí đều giữa các

cọc, b) Móng bè (Topolnicki, 2004)

Nếu bố trí theo lưới hình vuông, tỉ số diện tích thay thế và diện tích gia cố được thể hiện ở công thức (2.2) và (2.3) (Topolnicki, 2004):

2 2 /

4

c o l c o l s

2

2 3 2

c o l

c o l s

Hình 2.3 Bố trí lưới tam giác 2.2 TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN

2.2.1 Độ lún trong khối gia cố

2.2.1.1 Theo TK Geo 13 (2013)

TK Geo 13 (2013) là một hướng dẫn thiết kế và xây dựng các kết cấu địa kỹ thuật được xuất bản bởi Cục Quản lý Giao thông Thụy Điển Hướng dẫn này bao gồm các tiêu chí và yêu cầu làm thế nào để sử dụng phương pháp trộn sâu để cải tạo đất yếu Trong phần này, một bản tóm tắt của phương pháp được trình bày phần bên dưới

a Đặc tính vật liệu

Mô hình vật liệu của đất cải tạo được xem xét có tính chất đàn hồi lý tưởng, ở đây phần đàn hồi của biến dạng cắt bị giới hạn bởi ứng suất cắt tới hạn và ứng suất dẻo trong tải trọng nén một trục Theo Larsson (2006), các giá trị đặc trưng của vật liệu được lựa chọn cẩn thận trên cơ sở kết quả thí nghiệm và kinh nghiệm thực nghiệm Trong quá trình chuyển đổi các giá trị trong phòng thí nghiệm sang điều kiện hiện trường, các yếu tố không chắc chắn cần được xem xét kỹ Vùng bị xáo trộn bên dưới cọc có cường độ thấp hơn ở phần trên của cọc cần được xem xét trong việc lựa chọn đặc tính cường độ

Giá trị tối đa của cường độ cắt không thoát nước của cọc xi măng đất trong thiết

kế được chọn là c u,col = 150 kPa độc lập với kết quả thí nghiệm trong phòng và hiện

trường Nhưng đối với phân tích độ ổn định, độ bền cắt của cọc được điều chỉnh là

100 kPa

b Đặc điểm biến dạng

Mô đun đàn hồi của cọc là tham số quan trọng nhất để đánh giá độ biến dạng của nó trong quá trình tải trọng tác dụng Mô đun của cọc không được xác định trong hiện trường, nhưng khi tính toán trong mô hình, nó được coi là một hàm của

c u,col , hoặc cường độ nén không thoát nước của nó, q u,col, (Larsson 2006) Theo TK

Geo 13 (2013), giá trị mô đun đàn hồi của cọc, E col, được tính theo công thức (2.6) Trong trường hợp này, đơn vị cho ứng suất tới hạn là kPa

Thực tế tính thấm của cọc xi măng đất thay đổi theo thời gian Đối với đất được gia cố bằng cọc xi măng đất, hệ số thấm được ước tính gấp 500 lần đất ban đầu Hệ

số thấm của khối gia cố cọc xi măng đất k block được tính toán theo công thức (2.7):

bị phá hoại dẻo

- Vùng B: đây là vùng nằm dưới vùng A và được gia cố bằng cọc xi măng đất; tính chất vật liệu của vùng B có được bằng cách lấy giá trị trung bình của các tính chất của cọc và đất tương tự vùng A

- Vùng C: là đất sét không được gia cố nằm dưới khối gia cố

Hình 2.4 Phân vùng nền đất được gia cố (TK Geo 13: 2013)

Trong phương pháp tính toán này, các giả định khác nhau được xem xét Mô hình phân bố tải trọng giả định theo phương pháp Boussinesqs cho một nửa không gian vô hạn (Alen et al 2006) Ảnh hưởng của độ sâu được khống chế ở đáy và ứng suất tập trung tác dụng vào lớp đất sét được xem xét

Trong tính toán độ lún ở vùng A, việc đầu tiên là xác định độ sâu giới hạn giữa vùng dẻo và vùng đàn hồi Bề dày của vùng A được xác định bởi độ sâu không vượt