Luận văn thạc sĩ Địa kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới công trình kho bằng cọc vật liệu rời

Luận văn “ Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới công trình kho bằng cọc vật liệu rời” với mục đích nghiên cứu lý thuyết tính toán độ lún ổn định, hệ số phân bố ứng suất lên nền và lên cọc,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

DƯƠNG CHUNG NGUYỆN

NGHIÊN CỨU GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI CÔNG TRÌNH KHO BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI

Chuyên ngành : Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

Mã số: 60 58 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, 21 tháng 06 năm 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS LÊ BÁ VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS LÊ VĂN PHA

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS NGUYỄN NGỌC PHÚC

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM

ngày 29 tháng 08 năm 2013

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

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS TÔ VĂN LẬN 2 TS LÊ BÁ VINH 3 TS LÊ VĂN PHA 4 TS NGUYỄN NGỌC PHÚC

5 TS LÊ TRỌNG NGHĨA

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: DƯƠNG CHUNG NGUYỆN MSHV: 11094323 Ngày, tháng, năm sinh: 21/04/1985 Nơi sinh: Hậu Giang

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 60 58 60 Khóa (năm trúng tuyển): 2011 đợt 2

Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới công trình kho bằng cọc vật liệu rời

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Nhiệm vụ: Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới công trình kho bằng cọc vật liệu rời

Nội dung Mở đầu: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan cọc vật liệu rời

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán cọc vật liệu rời Chương 3: Phân tích các phương pháp tính toán độ lún và sự phân bố ứng suất

khi gia cố bằng cọc vật liệu rời

Chương 4: Tính toán, phân tích gia cố nền bằng cọc vật liệu rời tại công trình nhà

máy VIFON II, Long An

Kết luận và kiến nghị

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21 / 06 / 2013 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ BÁ VINH

Luận văn “ Nghiên cứu gia cố nền đất yếu dưới công trình kho bằng cọc vật liệu rời” với mục đích nghiên cứu lý thuyết tính toán độ lún ổn định, hệ số phân bố ứng suất

lên nền và lên cọc, sức chịu tải cọc vật liệu rời Đề tài cũng đưa ra cơ sở lý thuyết tính toán sự phân bố ứng suất theo các phương pháp giải tích và kết hợp mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation trên một công trình thực tế tại nhà máy thực phẩm Vifon II, Long An

Em xin trân trọng cảm ơn thầy TS Lê Bá Vinh đã tận tình hướng dẫn và cung cấp

các tài liệu cần thiết có liên quan đến đề tài để em có thể hoàn thành luận văn này

Em cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Địa Cơ Nền Móng, trường Đại Học Bách Khoa đã tận tình hướng dẫn, trang bị nhiều kiến thức giúp cho em có thể hoàn thành luận văn này

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn và kiến thức về lĩnh vực địa kỹ thuật nên không tránh khỏi hạn chế và thiếu sót Em rất mong sự đóng góp của quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Xử lý gia cố nền đất yếu là một trong những yếu tố hàng đầu khi xây dựng công trình trên những địa tầng đất yếu Tuy nhiên, biện pháp gia cố cải tạo nền đất yếu hiện nay trở nên phổ biến và thân thiện với môi trường xây dựng như: Xử lý nền bằng cọc xi măng đất, bấc thấm, jet groundting, bơm hút chân không, cọc vật liệu rời…Tùy theo đặc điểm địa chất công trình khu vực xây dựng mà có những phương án gia cố hợp lý

Trong luận văn này tác giả sử dụng biện pháp gia cố cải tạo nền đất yếu bằng công nghệ cọc vật liệu rời cho dự án công trình nhà máy thực phẩm Vifon II, Long An Cọc được cấm vào trong nền đất yếu với các khoảng cách 2.5x2.5m sao cho công trình được đảm bảo làm việc ổn định trong suốt thời gian vận hành Cọc được thi công theo phương pháp đầm rung thay thế xuyên qua chiều dày lớp đất yếu cần gia cố và làm tăng nhanh quá trình cố kết của lớp đất yếu kết hợp gia tải trước

Để tính toán ổn định về độ lún công trình và cũng như khả năng chịu tải của cọc vật liệu rời cho nền gia cố thì tác giả nghiên cứu, tiếp cận các cơ sở lý thuyết tính toán khác nhau của các tác giả như: Aboshi 1979, Priebe 1995, De Beer và Van Impe 1983 kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation và số liệu quan trắc thực tế ngoài công trường Từ đó tác giả có những đánh giá về kết quả nghiên cứu đạt được trong luận văn này Đồng thời, trong luận văn tác giả cũng mở rộng nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất và độ lún của nền gia cố bằng cọc vật liệu rời

Handling reinforced soft soil is one of the factors leading to construction on soft soil strata However, measures to strengthen soft soil improvement now becoming popular and friendly built environment, such as: Deep soil mixing, absorbent sponge, Jet Groundting, vacuum pumps, Stone columns geotechnical characteristics of the construction sector which reinforced the reasonable alternatives

In this thesis, the authors use measures reinforced by weak ground improvement technologies stone columns for construction projects Vifon II plant food, Long An Piles are prohibited in soft ground with the desired distance that is guaranteed to work for stability during operation Piles shall be constructed by the method of replacing vibrating through thickness reinforced soft soil needs and accelerates the process of consolidation of soft soil in combination preload

To calculate the stability of settlement construction and pile bearing capacity of stone columns and the reinforcement of the study authors, approaching the theoretical basis of various calculations of authors such as Aboshi 1979, Priebe 1995, De Beer and Van Impe 1983 combined with the finite element method by software Plaxis 3D Foundation and the actual observed data outside the field Since then, the authors evaluate the results achieved in this thesis At the same time, the thesis author also extended the study of factors affecting the stress distribution and settlement of pile foundation reinforced by stone columns

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tác giả, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết tính toán và mô phỏng ứng xử đất nền bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation và ứng dụng tính toán cho công trình

thực tế dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy TS Lê Bá Vinh

Các số liệu địa chất, kết quả tính toán, mô hình tính toán trong luận văn này là trung thực Các tài liệu tham khảo của các tác giả sử dụng trong quá trình nghiên cứu luận văn được tác giả trích dẫn cụ thể trong mục tài liệu tham khảo

Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề nghiên cứu 1

2 Nội dung nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Phạm vi nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CỌC VẬT LIỆU RỜI 4

1.1 Tổng quan cọc vật liệu rời 4

1.2 Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền 6

1.3 Công nghệ thi công cọc vật liệu rời 10

1.3.1 Tổng quan kỹ thuật đầm rung sâu 10

1.3.2 Quá trình đầm rung trong đất rời 11

1.3.3 Đầm thay thế trong đất rời thành phần hạt mịn cao và trong đất dính 12

1.3.4 Phương pháp Vibro Replacement (Wet Method) 13

1.3.5 Phương pháp Vibro Displacement (Dry Method) 14

1.3.6 Phương pháp khoan có ống bao (Borehole Method) 16

1.4 Ưu khuyết điểm 17

1.4.1 Ưu điểm 17

1.4.2 Khuyết điểm 18

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỌC VẬT LIỆU RỜI 19

2.1 Tổng quan tính toán và cơ chế làm việc cọc vật liệu rời 19

2.1.1 Cơ chế phá hoại cọc đơn 19

2.1.2 Cơ chế phá hoại của nhóm cọc 20

2.2 Những quan hệ cơ bản 22

2.2.1 Đường kính tương đương 22

2.2.3 Tỷ số ứng suất 24

2.3 Xác định sức chịu tải cọc vật liệu rời 24

2.3.1 Khả năng chịu tải cọc đơn 24

2.3.2 Khả năng chịu tải theo nhóm cọc 29

2.4 Một số công thức tính toán sức chịu tải cọc vật liệu rời 31

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN VÀ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT KHI GIA CỐ BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI 32

3.1 Phương pháp cân bằng tương đương 32

3.2 Tính toán độ lún nền gia cố bằng cọc vật liệu rời theo phương pháp Priebe

36

3.3 Phương pháp tường vật liệu rời 41

3.4 Phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 43

3.5 Sự tập trung ứng suất lên cọc vật liệu rời 44

3.6 Phương pháp xác định độ lún ổn định theo Asaoka 48

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN GIA CỐ NỀN BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI TẠI CÔNG TRÌNH NHÀ MÁY VIFON II, LONG AN 50

4.1 PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN NỀN GIA CỐ 50

4.1.1 Tổng quan công trình nhà máy Vifon II 50

4.1.2 Tổng quan địa chất khu vực nhà máy Vifon II 53

4.1.3 Phương pháp thi công 54

4.1.4 Tính toán độ lún nền gia cố bằng cọc vật liệu rời bằng phương pháp giải tích theo các quy trình tính toán khác nhau 59

4.1.4.1 Phương pháp cân bằng 59

4.1.4.2 Tính lún theo phương pháp Priebe, 1995 62

4.1.4.3 Tính lún bằng phương pháp tường vật liệu rời 66

4.1.5.1 Thông số vật liệu đầu vào 67

4.1.5.2 Mô hình tính toán 68

4.1.5.3 Kết quả tính toán 69

4.1.6 Kết quả quan trắc lún hiện trường 70

4.1.7 Tổng hợp kết quả tính toán độ lún từ các phương pháp 77

4.1.8 Tính toán độ lún theo điều kiện thi công thực tế 79

4.2 TÍNH TOÁN HỆ SỐ GIẢM ỨNG SUẤT (SRR) LÊN NỀN GIA CỐ BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI 82

4.2.1 Xác định hệ số giảm ứng suất SRR tác dụng lên nền và cọc theo phương pháp cân bằng (Aboshi 1979) 82

4.2.2 Xác định hệ số giảm ứng suất SRR theo Priebe 1995 82

4.2.3 Xác định hệ số giảm ứng suất SRR lên nền theo phương pháp tường vật liệu rời (Van Impe 1983) 83

4.2.4 Xác định hệ số phân bố ứng suất theo phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 84

4.2.4.1 Mô hình tính toán 85

4.2.4.2 Kết quả tính toán 86

4.3 MỞ RỘNG NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ SỐ GIẢM ỨNG SUẤT SRR VÀ ĐỘ LÚN KHI NỀN GIA CỐ BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI 92

4.3.1 Ảnh hưởng của tỷ diện tích thay thế as đến hệ số SRR 92

4.3.2 Ảnh hưởng của góc ma sát trong của vật liệu làm cọc đến hệ số SRR 95

4.3.3 Ảnh hưởng của mô đun đất nền đến hệ số SRR 96

4.3.4 Ảnh hưởng của mô đun vật liệu làm cọc đến hệ số SRR 98

4.3.5 Ảnh hưởng của mô đun lớp san lấp đến hệ số SRR 100

4.4 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC VẬT LIỆU RỜI 105

4.4.1 Khả năng chịu tải cọc đơn theo lý thuyết 105

4.4.3 Phân tích khả năng chịu tải cọc vật liệu rời theo kết quả nén tĩnh tại hiện

Bảng 2.1: Bảng tổng hợp các phương pháp xác định sức chịu tải cọc vật liệu rời

31

Bảng 3.1: Kết quả nghiên cứu hệ số tập trung ứng suất trên thế giới 47

Bảng 3.2: Thông số thiết kế cọc vật liệu rời của các nhà thầu 48

Bảng 4.1: Thông số đất nền hố khoan BH-10 trong tính toán gia cố nền 53

Bảng 4.2: Thông số đầu vào tính toán độ lún nền bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 67

Bảng 4.3: Tổng hợp đặc điểm cọc thi công tại vùng gia tải S7, S8, S9, S10 70

Bảng 4.4: Kết quả quan trắc tại vùng S7 71

Bảng 4.5: Kết quả quan trắc tại vùng S8 72

Bảng 4.6: Kết quả quan trắc tại vùng S9 73

Bảng 4.7: Kết quả quan trắc tại vùng S10 74

Bảng 4.8: Kết quả tính toán độ lún theo các phương pháp giải tích, phần tử hữu hạn và quan trắc hiện trường 77

Bảng 4.9: Tổng hợp kết quả tính lún bằng các phương pháp giải tích theo đường kính thực tế 79

Bảng 4.10: Tổng hợp dự án sử dụng cọc vật liệu rời gia cố nền trên thế giới 81

Bảng 4.11: Tổng hợp tải trọng tác dụng lên đầu cọc 89

Bảng 4.12: Tổng hợp kết quả tính toán hệ số giảm ứng suất SRR theo các phương pháp 90

Bảng 4.13: Sự thay đổi SRR khi thay đổi đường kính cọc theo phương pháp giải tích và bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 92

Bảng 4.14: Kết quả tính toán hệ số tập trung ứng suất theo tỷ số s/D theo phương pháp Aboshi 1979, Priebe 1995 và phần mềm Plaxis 3D Foundation 94

Bảng 4.15: Kết quả tính toán hệ số tập trung ứng suất SRR theo góc ma sát vật liệu làm cọc 95

Bảng 4.16: Kết quả tính toán hệ số giảm ứng suất và hệ số tập trung ứng suất theo Priebe 1995 và bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 97

Bảng 4.18: Kết quả tính toán độ lún nền gia cố khi thay đổi mô đun cọc vật liệu rời theo mô đun đất nền 100 Bảng 4.19: Kết quả tính toán hệ số SRR và độ lún nền khi thay đổi mô đun

lớp san lấp 101 Bảng 4.20: Thông số mô hình nén tĩnh xác định sức chịu tải cọc vật liệu rời trong Plaxis 3D Foundation 108 Bảng 4.21: Bảng tổng hợp kết quả tính toán SCT cọc vật liệu rời 111

Hình 1.1: Bố trí cọc vật liệu rời theo lưới ô vuông và tam giác 5

Hình 1.2: Mặt bằng tổng thể đường cao tốc Malaysia 6

Hình 1.3: Biện pháp gia cố cọc vật liệu rời dưới nền đường 7

Hình 1.4: Xưởng tàu Pipavav, Gujarat, India 7

Hình 1.5: Mặt bằng bố trí 15 bồn chứa dầu tại Terminal, Singapore 8

Hình 1.6: Bồn dầu đôi có sức chứa mỗi bồn 16000m3 8

Hình 1.7: Bồn chứa dầu Kemira AB, New Storage Stank, Helsingborg, Sweeden 2005 9

Hình 1.8: Đường xe lửa tại Berlin Đức xây dựng 1996 với tốc độ 250km/h 9

Hình 1.9: Sân vận động EURO Klagenfurt 2008 9

Hình 1.10: Biểu đồ lựa chọn phương pháp thi công cọc vật liệu rời 11

Hình 1.11: Thiết bị đầm rung trong đất rời 12

Hình 1.12: Quan hệ giữa hệ số gia cố nền và tỷ diện tích thay thế theo góc ma sát vật liệu làm cọc 13

Hình 1.13: Các bước thi công cọc vật liệu rời theo phương pháp rung ướt 14

Hình 1.14: Quy trình thi công phương pháp top – feed 15

Hình 1.15: Quy trính thi công cọc theo phương pháp bottom – feed 16

Hình 1.16: Phương pháp khoan có ống bao theo Aboshi và Suematsu 1985 17

Hình 2.1: Cơ chế phá hoại cọc đơn trong nền đất đồng nhất 19

Hình 2.2: Các dạng tải tác dụng lên cọc vật liệu rời 20

Hình 2.3: Cơ chế phá hoại cọc theo điều kiện làm việc theo nhóm cọc 21

Hình 2.4: Cách bố trí và tính toán đường kính tương đương cọc vật liệu rời 22

Hình 2.5: Mô hình hóa trong tính toán cọc vật liệu rời theo Bachus và Barksdale, 1989 23

Hình 2.6: Biểu đồ xác định hệ số Fc và Fq theo Vesic 25

Hình 2.7: Cơ chế phá hoại cắt cọc ngắn theo Vitkar 1978 26

Hình 2.8: Xác định giá trị Nc theo φs và D/B 27

Hình 2.10: Sơ đồ phân tích nhóm cọc vật liệu rời dạng móng vuông và móng băng 29 Hình 3.1: Kết quả nghiên cứu hệ số giảm lún theo tỷ diện tích thay thế của

Bachus và Barksdale, 1983 33 Hình 3.2: Kết quả nghiên cứu hệ số giảm lún theo tỷ diện tích thay thế tại công trường Jourdan Road theo phương pháp cân bằng và phương pháp của

Greenwood 33 Hình 3.3: Kết quả nghiên cứu hệ số giảm lún của Priebe với phương pháp cân bằng tại công trường Jourdan Road khi φsthay đổi 37

Hình 3.4: Quan hệ giữa hệ số giảm lún cơ bản n0 và tỷ diện tích xác định theo Priebe 1995 38 Hình 3.5: Quan hệ giữa tỷ số mô đun Ds/Dc và độ gia tăng tỷ diện tích thay thế theo Priebe 1995 40 Hình 3.6: Hệ số ảnh huởng theo độ sâu và tỷ diện tích thay thế theo góc ma sát làm cọc theo Priebe 1995 40 Hình 3.7: Hệ số ảnh hưởng độ sâu lớn nhất theo Priebe 1995 41 Hỉnh 3.8: Sơ đồ tính toán hệ số phân bố ứng suất theo De Beer và Van Impe 1983

42 Hình 3.9: Đồ thị tương quan hệ số phân bố ứng suất lên cọc theo tỷ diện tích thay thế và góc ma sát làm cọc theo De Beer và Van Impe 1983 43 Hình 3.10: Hệ số giảm lún xác định theo phương pháp tường vật liệu rời 43 Hình 3.11: Mô hình gia cố bằng cọc vật liệu rời trong Plaxis 3D Foundation 44 Hình 3.12: Sự phân bố ứng suất lên cọc và nền gia cố 45 Hình 3.13: Quan hệ giữa hệ số tập trung ứng suất và hệ số giảm ứng suất theo Bachus và Barksdale, 1983 46 Hình 3.14: Quan hệ giữa hệ số tập trung ứng suất, tỷ số mô đun và tỷ diện tích thay thế theo Bachus và Barksdale, 1983 46 Hình 3.15: Xác định độ lún theo phương pháp Asaoka 49 Hình 4.1: Tổng quan dự án nhà máy Vifon II 50

Hình 4.3: Mặt bằng tổng thể công trình vifon II và vị trí bố trí các hố khoan khảo

sát SPT, CPT và VST 52

Hình 4.4: Mặt cắt địa chất tại hố khoan BH-10 54

Hình 4.5: Sơ đồ bố trí điểm quan trắc lún 56

Hình 4.6: Thi công cọc vật liệu rời tại công trường 57

Hình 4.7: Kiểm tra đường kính cọc sau khi thi công 57

Hình 4.8: Tiến hành thí nghiệm nén tĩnh cọc thử tại công trường 58

Hình 4.9: Lấy mẫu cát thí nghiệm và tiến hành gia tải trước 58

Hình 4.10: Đặc điểm vùng nền gia cố bằng cọc vật liệu rời cho công trình

Vifon II 59

Hình 4.11: Mô hình tính toán bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 68

Hình 4.12: Kết quả tính toán độ lún bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 69

Hình 4.13: Độ lún ổn định nền xác định theo phương pháp Asaoka tại vùng S7

Hình 4.19: Mô hình tính toán trong Plaxis 3D Foundation 85

Hình 4.20: Sự phân bố ứng suất trong nền gia cố bằng cọc vật liệu rời khi phân tích bằng phần mềm Plaxis 3D Fondation 86

Hình 4.21: Sự phân bố ứng suất lên nền và cọc dưới tác dụng tải sử dụng 87

Hình 4.23: Biểu đồ so sánh các phương pháp tính toán hệ số giảm ứng suất SRR

Hình 4.29: Ảnh hưởng tỷ số Ecol/Esoil đến hệ số SRR được tính bằng phương pháp Priebe (1995) và bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 97

Hình 4.30: Ảnh hưởng tỷ số Ecol/Esoil đến sự tập trung ứng suất phân tích theo Priebe và bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 98

Hình 4.31: Ảnh hưởng mô đun đất nền đến hệ số SRR và độ lún nền gia cố 98

Hình 4.32: Ảnh hưởng mô đun vật liệu cọc gia cố đến sự thay đổi hệ số giảm ứng suất theo mô đun đất nền 99

Hình 4.33: Quan hệ mô đun của vật liệu làm cọc và độ lún nền gia cố 100

Hình 4.34: Ảnh hưởng mô đun lớp gia tải đến hệ số giảm ứng suất SRR 101

Hình 4.35: Tương quan độ lún và SRR khi thay đổi mô đun lớp san lấp 102

Hình 4.36: Ảnh hưởng mô đun lớp gia tải đến độ lún nền gia cố 102

Hình 4.37: Sơ đồ tính toán khả năng chịu tải cọc đơn 105

Hình 4.38: Mô hình tính toán khả năng chị tải cọc đơn bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation 108

Hình 4.39: Kết quả phân tích tải trọng và độ lún theo Plaxis 3D Foundation 109

Hình 4.40: Kết quả nén tĩnh hiện tường 110

Hình 4.42: Kết quả xác định sức chịu tải cực hạn của cọc từ kết quả nén hiện trường theo quan hệ (S60 – S10) và áp lực nén 111 Hình 4.43: Biểu đồ so sánh khả năng chịu tải cọc vật liệu rời dưới dạng cọc đơn

112

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Như chúng ta đã biết, hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều những nghiên cứu về địa kỹ thuật và đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của kỹ thuật nền móng Trong đó, lĩnh vực địa kỹ thuật đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng và có những đóng góp tiến bộ Kỹ thuật cải tạo, xử lý nền đất yếu là một trong những yếu tố đầu tiên đã được quan tâm và nghiên cứu trong suốt thời gian qua

Có nhiều biện pháp cải tạo và gia cố nền đất yếu đã được áp dụng rộng rãi khắp nơi trên thế giới bao gồm: gia tải trước kết hợp với hệ thống thoát nước theo phương đứng (giếng cát, bấc thấm….), cọc xi măng đất (deep soil mixing), đầm chặt đất, bơm hút chân không, sàn giảm tải… được sử dụng khá phổ biến trong nhiều năm qua và trở nên thực tiễn trong việc lựa chọn phương pháp thiết kế và hiệu quả kinh tế trong ứng dụng cải tạo nền đất yếu

Với một mục đích chung cho việc gia cố nền của tất cả các biện pháp kỹ thuật nhằm can thiệp vào môi trường bên trong các lớp đất yếu, tạo nên những biến đổi quá trình tái cấu trúc thành phần hạt đất khi khai thác sử dụng xây dựng công trình Mặt khác, vai trò của việc gia cố cải tạo nền gồm:

- Tăng khả năng chịu tải của nền đất, - Giảm biến dạng, tăng tốc độ cố kết nền đất, giảm lún lệch, - Giảm độ nhạy, hóa lỏng,

- Tăng sức chống cắt của đất Do đó, ta thấy rằng cải tạo và xử lý đất yếu trở nên thuận lợi hơn nhờ sự đóng góp của các biện pháp cải tạo từ những thành tựu nghiên cứu Trong nhiều phương pháp gia cố xử lý nền đất yếu thì cọc vật liệu rời (Stone Column) đã và đang được ứng dụng khá phổ biến từ khi có những cơ sở lý thuyết được kiểm chứng từ thực nghiệm đã được nghiên cứu trong nửa thế kỷ qua Những ứng dụng của cọc vật liệu rời như:

- Tăng khả năng chịu tải nền,

- Như là yếu tố móng cho công trình dân dụng, - Ổn định trượt, mái dốc, ổn định nền đường công trình giao thông, - Giảm đặc tính hóa lỏng của cát…

Cọc vật liệu rời cấu tạo gồm đá, sỏi hoặc cát như là một hệ thống thoát nước theo phương đứng khi được cấm vào trong đất và trở nên khả thi hơn và ngày càng giữ vai trò chính trong giai đoạn lựa chọn phương án thiết kế và hiệu quả kinh tế trong xử lý nền móng và tăng khả năng chịu tải của đất yếu

Với sự phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ hiện nay thì việc thi công cọc vật liệu rời ngày càng trở nên thuận lợi và rút ngắn được thời gian thi công Trên thế giới có nhiều phương pháp thi công như: phương pháp thay thế bằng rung động (Vibro-Replacement Method) hay còn gọi là phương pháp rung ướt (Wet), phương pháp nén chặt bằng tác động rung (Vibro-Displacement), phương pháp rung khô (Dry) Tùy vào cấu tạo, thành phần hạt của từng lớp đất mà ta chọn phương pháp thi công phù hợp

Tuy nhiên công nghệ cọc vật liệu rời còn khá mới mẽ trên thị trường Việt Nam, do đó ta cần tập trung nghiên cứu về ứng dụng của cọc vật liệu rời phù hợp cho những công trình ở Việt Nam nói chung và khu vực đồng bằng sông Cửu Long

nói riêng Đây cũng chính là cơ sở hình thành nên đề tài luận văn này

2 Nội dung nghiên cứu

- Tập trung nghiên cứu phân tích lý thuyết tính toán cọc vật liệu rời trong gia cố ổn định nền móng công trình

- Phân tích độ độ lún, khả năng chịu tải, sự phân bố ứng suất lên khi gia cố nền bằng cọc vật liệu rời

- Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation mô phỏng ứng xử của nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời

- Ứng dụng tính toán công trình thực tế, công nghệ thi công cọc vật liệu rời cho công trình nhà máy thực phẩm Vifon II tại khu công nghiệp Hải Sơn, xã Đức Hòa Hạ, huyện Đức Hòa, tỉnh Long An

3 Phương pháp nghiên cứu

- Dự tính độ lún ổn định nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời theo lý thuyết giải tích của các tác giả như: Aboshi (1979), De Beer và Van Impe (1983), Priebe (1995) cùng với việc quan trắc bằng phương pháp Asaoka

- Mô phỏng ứng xử nền bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation - So sánh kết quả tính toán và quan trắc hiện trường

- Nghiên cứu sự phân bố ứng suất lên nền và cọc vật liệu rời - Lặp biểu đồ quan hệ tương quan giữa các kết quả thu được từ tính toán, quan trắc Từ đó để có được đánh giá và kiến nghị kết quả đạt được

- Xác định sức chịu tải cọc đơn theo lý thuyết và mô phỏng kết hợp kết quả nén tĩnh tại hiện trường

4 Phạm vi nghiên cứu

Thời gian thực hiện đề tài ngắn nên tác giả chỉ tập trung phân tích xác định độ lún ổn định, sự phân bố ứng suất và khả năng chịu tải vùng nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời

Các số liệu qua trắc công trình còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu chỉ đại diện cho khu vực nhất định

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CỌC VẬT LIỆU RỜI

1.1 Tổng quan về cọc vật liệu rời (Stone Column)

Cọc vật liệu rời là một giải pháp gia cố xứ lý nền đất yếu, nó xuất hiện vào năm 1935 và phát triển rất mạnh ở các nước như: Mỹ, Canada và Châu Âu vào những năm 1950 Cọc vật liệu rời đóng vai trò quan trọng trong giải quyết những bài toán địa kỹ xây dựng công trình trên nền đất yếu, là một trong những giải pháp hữu hiệu và kinh tế cho những công trình đất yếu có chiều sâu nén lún không lớn Cọc được cắm vào trong vùng đất yếu bằng phương pháp rung động khác nhau và được vận dụng linh hoạt cho những vùng đất đất yếu có cường độ kháng cắt nhỏ phân bố từ 15 kPa đến 50 kPa, nhằm làm tăng khả năng chịu tải của đất nền, giảm độ lún nền khi xây dựng công trình bên trên

Cọc vật liệu rời có đường kính từ 0.3m ÷ 1.2m tùy thuộc vào công nghệ và thiết bị của nhà thầu xây dựng Khi sử dụng cọc vật liệu rời gia cố nền đất yếu thì số lượng cọc sẽ thay thế từ 15% ÷ 35% thể tích đất yếu trong nền, sức chịu tải đất nền tăng từ 20% ÷ 100%, độ lún giảm 2 ÷ 4 lần khi chưa gia cố Khả năng chịu tải của cọc từ 20T ÷50T tùy theo chiều dài và đường kính thiết kế của cọc Khi cọc vật liệu rời được xem là một phương pháp gia cố, cải tạo đất Chiều sâu cắm cọc hiệu quả từ 20÷ 30ft (từ 6÷ 10m) Chúng tạo nên một môi trường đất có sức chịu tải lớn và xảy ra quá trình tái kết cấu của khung hạt đất, sự phân bố lại ứng suất trong nền, giảm độ lún, tăng nhanh quá trình cố kết Cọc vật liệu rời đóng vai trò như một hệ thống thoát nước của nền đất yếu, làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất tại khu vực xây dựng

Điều kiện làm việc của cọc phụ thuộc vào cách bố trí cọc trên mặt bằng thi công Tuy nhiên có ba hình thức bố trí cọc thường gặp là bố trí dạng tam giác, lục giác và dạng lưới ô vuông Mỗi phương án thiết kế mà ta có thể tính toán, ổn định cho phù hợp

Hình 1.1:Bố trí cọc vật liệu rời theo lưới ô vuông và tam giác

Đặc biệt khi ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền thì cần quan tâm cấu tạo của phân tầng địa chất khu vực Nếu vùng đất yếu có các lớp đất có độ nhạy lớn và những lớp có nguồn gốc hữu cơ hay là gồm các thấu kính đất yếu của bùn vì khả năng chịu nén của những lớp đất này rất thấp gây ra sự chuyển vị dọc thân cọc lớn Khi các lớp thấu kính cũng như lớp đất bùn có bề dày từ 1 ÷ 2 lần đường kính cọc vật liệu rời thì khả năng sử dụng phương pháp rung và thay thế không hiệu quả

Chiều dài của cọc vật liệu rời sử dụng ở Châu Âu từ 13 ÷ 33ft (4 ÷ 10m) Những ứng dụng thực tế cho thấy cọc có chiều dài hiệu quả nhất là 4m ÷ 10m, khi chiều dài cọc trong tầng đất yếu hơn 10m thì hiệu quả kinh tế thấp Tuy nhiên ngoài việc xem xét về ảnh hưởng hình dạng cọc trong ứng dụng xử lý nền thì cọc vật liệu rời được sử dụng trong phương án lựa chọn thiết kế đối với lớp đất có sức chống cắt không thoát nước > 7kPa

Việc thi công công nghệ cọc vật liệu rời trong gia cố, cải tạo nền đất yếu có thể hoàn toàn sử dụng cho cả những hố đào sâu bằng phương pháp thay thế hay đằm chặt Các phương pháp xây dựng cọc vật liệu rời được sử dụng hiện nay gồm: Vibro-Replecement (Wet Method), Vibro-Displecement (Dry Method), Rammed Stone Column, Sand Compaction, Case-Borehole Method

S

S

Area per column = A(Unit Cell)Column radius = r Column Area = AC

S

Hiện nay trên thế giới sử dụng chủ yếu các phương pháp là Replecement (Wet Method), Vibro-Displecement (Dry Method), Vibro-Compaction

Vibro-1.2 Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền

Giải pháp kỹ thuật khi thiết kế cọc vật liệu rời trong xử lý, cải tạo nền đã rất thành công như: giải quyết các bài toán về ổn định mái dốc cho đường đắp, đê, đập, công trình san lấp và cho cả việc gia cố những mái dốc tự nhiên Đồng thời tăng khả năng chịu tải của đất nền, giảm độ lún và khả năng hóa lỏng của các loại đất xốp và cát Việc sử dụng phương pháp cọc vật liệu rời ở Mỹ cho thấy rằng, khi được xây dựng trên nền cát yếu hiệu quả hơn trên nền đất dính Vào năm 1982 ở Mỹ đã có 21 dự án sử dụng cọc vật liệu rời Các công trình gia cố bằng công nghệ cọc vật liệu rời:

- Gia cố móng nền đường (Embankment fill Support): cho đường cao

tốc và đoạn đất đắp của hai bên mố cầu và được sử dụng tại Hamton, Virginia và Clarrk Fork, Idoho Ngoài ra tại Malaysia cọc vật liệu rời được chọn lựa gia cố nền đường cao tốc có chiều cao 15m, bố trí lưới ô 1.6 x 2.2m, đường kính cọc D = 1 ÷ 1.1m, chiều sâu cắm cọc 12 ÷ 15m

Hình 1.2 :Mặt bằng tổng thể đường cao tốc Malaysia

Hình 1.3: Biện pháp gia cố cọc vật liệu rời dưới nền đường

- Công trình kết cấu: thư viện bê tông cốt thép 7 tầng, nhà y tế 2 tầng,

nhà kho xưởng, bãi đậu xe, đường cống thoát nước với vai trò như một yếu tố nền móng Công trình xưởng đóng tàu Pipavav, Gujarat, India được xây dựng năm 2008 bằng cọc vật liệu rời bố trí lưới ô vuông 2.2 x 2.2m, chiều dài 12m

- Xi lô, bồn chứa: làm nền móng cho các bể chứa nước, chứa dầu lên

đến 5 triệu gallon Tại Terminal Singapore các bồn chứa dầu lên đến 16 ÷ 22 triệu barrel, tổng cộng gồm 15 bồn, bố trí lưới 2.3 x 2.3m, chiều sâu cắm 6 ÷ 12m, xây dựng 4/2006

Hình 1.5: Mặt bằng bố trí 15 bồn chứa dầu tại Terminal Singapore

Hình 1.6 : Bồn dầu đôi có sức chứa mỗi bồn 16000m3

- Tại Thụy Điển cọc vật liệu rời được ứng dụng gia cố móng nền cho kho dầu cao 18m, bán kính 20m, đường kính cọc vật liệu rời D = 600mm, bố trí lưới ô vuông 1.7 x 1.7m, chiều sâu cắm cọc 5.5m

Hình 1.7 : Bồn chứa dầu Kemira AB, New Storage Tank, Helsingborg, Sweden

Hình 1.9: Sân vận động EURO Klagenfurt 2008

Ở Châu Âu cọc vật liệu rời được ứng dụng rộng rãi hơn ở Mỹ và Canada Ở Anh, cọc vật liệu rời sử dụng thành công hơn 40 công trình gia cố nền bên dưới đường dẫn vào cầu Còn ở Pháp, cọc vật liệu rời thường sử dụng cho các công trình đất đắp và gia cố nền Tuy nhiên, nhìn chung thì cọc vật liệu rời sử dụng rộng hơn trong việc xây dựng các công trình bồn chứa, nhà kho và những công trình đất đắp

Ngoài ra, ngoài việc sử dụng cọc vật liệu rời bằng đá, sỏi người ta còn sử dụng vật liệu cát hạt thô Cọc cát đóng vai trò như cọc vật liệu rời và ở Nhật cũng được dùng trong thiết kế gia cố nền

1.3 Công nghệ thi công cọc vật liệu rời 1.3.1 Tổng quan kỹ thuật đầm rung sâu

- Đất tự nhiên: thông thường điều kiện địa chất được mô tả trong báo

cáo địa chất Nếu tính chất của đất nền hiện hữu không đủ khả năng đáp ứng điều kiện tải trọng công trình, kỹ thuật đầm rung sâu là một giải pháp hiệu quả và kinh tế trong cải tạo nền cho bất cứ chiều sâu thiết kế

- Máy đầm rung: máy đầm rung sâu hình trụ điển hình có chiều dài từ

3m đến 5m, nặng khoảng 2 tấn Phần lõi của máy đầm rung là bộ phận quay lệch tâm bằng điện nhằm tạo ra những dao động ngang cho đầm rung Dây đầm được

gắn với đầm rung và các ống nối dài để đáp ứng chiều sâu gia cố Đầm rung được treo bằng cẩu hoặc máy đặc thù

- Kỹ thuật đầm rung: máy đầm rung được dùng cho 3 kỹ thuật riêng

biệt khác nhau về cả bản chất gia cố và cơ cấu truyền tải Kỹ thuật đầm rung sâu đầm đất rời có thành phần hạt mịn không đáng kể bằng cách sắp xếp lại thành phần hạt với một trạng thái tốt hơn Kỹ thuật đầm thay thế sâu tạo một cột chịu lực làm bằng đá hoặc cuội sỏi trong đất rời có thành phần hạt mịn cao Giới hạn áp dụng cho kỹ thuật đầm rung sâu như hình sau:

Hình 1.10: Biểu đồ lựa chọn phương pháp thi công cọc vật liệu rời

Kỹ thuật thứ ba tạo ra những phần tử kết cấu móng (như cọc) trong nền đất nhằm cho phép nền đất chịu tải trọng lớn hơn và an toàn trên nền đất yếu

1.3.2 Quá trình đầm rung trong đất rời

Đầm rung trong đất rời bằng rung lệch tâm với tầng số thấp có thể đáp ứng một cách kinh tế để đạt được sự đầm nén tốt nhất của các hạt đất Máy đầm rung thường được treo bằng cẩu Quá trình xuyên của đầm rung được thực hiện nhờ các tia nước áp lực phun ra với áp lực biến thiên Ống áp lực và đầu phun là một phần trong toàn bộ cấu tạo đầm rung Qúa trình đầm được thực hiện từ dưới đáy dần lên

trên trong quá trình rút đầm, ta rút lên một đoạn ngắn và đầm ngược lại Công đầm phụ thuộc vào loại thiết bị và đất nền

Dưới tác dụng của lực đầm, các hạt đất trong vùng ảnh hưởng được sắp xếp lại và chặt hơn

Hình 1.11: Thiết bị đầm rung trong đất rời

1.3.3 Đầm thay thế trong đất rời thành phần hạt mịn cao và trong đất dính

Để thi công rung thay thế, cả hai phương pháp nạp liệu từ đỉnh và từ đáy được sử dụng trong đó phương pháp nạp liệu từ đáy (Dry Method) được sử dụng nhiều hơn khi chiều sâu nhỏ Phương pháp khô sẽ nạp vật liệu rời đến mũi của đầm rung nhờ khí nén Để tối ưu hóa quá trình thi công và thích ứng với các thiết bị đặc biệt, Keller đã phát triển máy cơ sở Vibrocat để đặt đầm rung lên và cho phép dùng lực nén xuống trong quá trình xuyên và đầm nén Quá trính thi công bao gồm các bước xen kẻ nhau Trong quá trình rút lên, đá sẽ được dẫn qua đầu đầm lấp vào khe

hở, và được đầm và ép vào đất bao quanh trong quá trình hạ đầm sau đó Như vậy cọc được tạo thành từ đáy lên

Hình 1.12: Quan hệ giữa hệ số gia cố nền và tỷ diện tích thay thế theo góc ma sát vật liệu làm cọc

1.3.4 Phương pháp Vibro Replacement (Wet Method)

Đây là phương pháp được sử dụng đầu tiên ở Đức vào đầu những năm 1960 và được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn phương pháp rung ướt Phương pháp thi công tỏ ra khả thi cho các loại đất sét dính có hệ số thấm nhỏ, sức chống cắt không thoát nước Su = 15 kPa đến 50 kPa (Greenwood và Kirsch, 1983) Một lỗ khoan được tạo ra trong nền đất dưới sự hổ trợ của các tia nước áp lực cao cùng với bộ phận rung động theo phương ngang bên dưới mũi khoan cho đến chiều sâu thiết kế Cọc vật liệu rời được xây dựng theo phương pháp này có đường kính có thể đạt được tứ 0.3m đến 1.2m tùy theo khả năng chịu tải của mỗi cọc Khi lỗ khoan đạt chiều sâu thiết kế thì vật liệu đá, sỏi làm cọc sẽ được nạp vào trong cần khoan và chuyển xuống dưới đáy hố khoan bằng bộ phận nén thủy lực hay nén khí và được đầm nén theo từng đoạn cho đến khi kết thúc quá trình thi công một cọc vật liệu rời Đây là phương pháp được công ty GNK Keller sử dụng rộng khắp Châu Âu

Đặc biệt biện pháp thi công này phù hợp cho khu vực đất yếu và có mực nước ngầm cao Các bước thi công cọc vật liệu rời theo phương pháp rung ướt:

Hình 1.13: Các bước thi công cọc vật liệu rời theo phương pháp rung ướt

- Bước 1: Đầu dò thâm nhập vào trong nền đất tạo lổ khoan dẫn bằng tia áp lực nước đến chiều sâu yêu cầu

- Bước 2: Khi đạt chiều sâu yều cầu vật liệu được nạp vào hố khoan và được đầm nén kỹ trong từng đoạn cho đến khi đạt chiều cao cột vật liệu rời

- Bước 3: Xây dựng hoàn thiện cọc vật liệu sau đó rút cần khoan lên và đầm chặt bề mặt cọc

1.3.5 Phương pháp Vibro Displacement (Dry Method)

Phương pháp rung khô xuất phát từ nước Đức và ra đời vào những năm đầu 1970 và trở nên hiệu quả trong việc xử lý nền đất yếu, đặc biệt là những nơi có địa tầng là đất yếu có sức chống cắt không thoát nước Su = 40 kPa đến 60 kPa (Greenwood và Kirsch, 1983) Đây là phương pháp đầm rung tạo cọc vật liệu rời, cũng như phương pháp rung ướt, phương pháp này chỉ khác là trong quá trình tạo lỗ khoan cọc vật liệu rời không có sự tham gia của tia nước áp lực phun mà đầu mũi khoan xuyên vào trong đất bằng phương pháp rung động thủy lực cùng với trọng lượng bản thân máy đầm Có hai phương pháp đầm rung khô là “dry – top – feed” và “dry - bottom - feed”

Dry- top -Feed: Cọc vật liệu rời xây dựng theo phương pháp này cũng giống

như phương pháp rung ướt, ngoại trừ khí được sử dụng như tia áp lực nước Thi công sạch hơn phương pháp ướt không cần bố trí dung dịch nước áp lực Tuy nhiên chỉ áp dụng cho loại đất khi khoan tạo lỗ khoan không dùng ống bao chống đỡ lỗ

khoan, khi đó vật liệu được tập kết bên cạnh vị trí tạo lỗ cọc vật liệu rời Đến chiều sâu thiết kế, máy đầm rung từ từ rút lên đồng thời vật liệu được nạp vào trong lỗ khoan Trong lúc rút cần xuyên lên thì khí nén được nạp từ bên dưới bù lại áp lực cần khoan được rút lên để ổn định thành vách được ổn định đến khi hoàn thành cọc vật liệu rời

Hình 1.14: Quy trình thi công phương pháp top - feed Dry -bottom – Feed: Cũng như phương pháp top –feed vật liệu sỏi, đá được

vận chuyển và nạp vào đầu trên của cần khoan thông qua một phểu thu vật liệu, vật liệu được truyền dẫn xuống đầu dưới cần rung bằng hệ thống điện Trước đó thì ống vách đóng vai trò giữ ổn định thành lỗ khoan Phương pháp này nhìn chung được sử dụng cho loại đất sét mềm yếu, mực nước ngầm cao Mực nước ngầm có vai trò hổ trợ việc xuyên thiết bị qua nền đất dễ dàng hơn và tạo điều kiện cho vật liệu nạp từ trong cần khoan dễ dàng dịch chuyển xuống bên dưới Áp lực khí tạo ra trong lỗ khoan không lớn hơn 275 kPa đến 415 kPa để ngăn việc phá hoại thành hố của lớp sét yếu và cột vật liệu rời Với sự có mặt của tia áp lực dung dịch, cọc tạo ra theo phương pháp này có đường kính nhỏ hơn từ 15mm đến 25mm so với phương pháp ướt

Mặt khác, việc thi công cọc vật liệu rời bằng phương pháp bottom – feed không phù hợp cho loại vật liệu mềm yếu và chứa hàm lượng bùn

Hình 1.15: Quy trình thi công cọc vật liệu rời theo phương pháp bottom – feed

1.3.6 Phương pháp khoan có ống bao (Borehole Method)

Trong phương pháp này cọc được tạo thành bằng cách đầm vật liệu rời trong hố khoan có ống chống bao Vật đầm có trọng lượng từ 15kN đến 20kN, chiều cao rơi từ 1m đến 1.5m Giá thành thi công theo phương pháp này kinh tế hơn phương pháp rung và lèn chặt, thích hợp những nước đang phát triển Tuy nhiên, do quá trình đầm đất nền bị phá hoại sau đó mới phục hồi lại nên rất hạn chế cho loại sét có độ nhạy cao

Hình 1.16: Phương pháp khoan có ống bao Abhoshi and Suematsu 1985

1.4 Ưu khuyết điểm sử dụng 1.4.1 Ưu điểm

Kỹ thuật đầm rung sâu cung cấp một phương pháp gia cố nền rất linh hoạt, do đó có thể điều chỉnh để phù hợp yêu cầu về điều kiện địa chất và nền móng

Quá trình thi công tương đối nhanh ngay cả với khối lượng lớn đất nền cần được gia cố Tiếp sau đó công tác xây dựng kết cấu có thể tiến hành rất nhanh

Công tác gia cố nền cho phép nhà thầu sử dụng phương pháp móng nông, do đó có thể tiết kiệm chi phí xây dựng đáng kể

Một lợi thế khác là sự thân thiện với mội trường của công nghệ đầm rung sâu khi chúng ta sử dụng nguồn vật liệu có thể tìm được địa phương Thêm vào đó chỉ một lượng đất nhỏ được bóc tách khỏi công trình

Ngày nay chiều sâu đầm có thể lên đến 50m so với trước kia là 30m

- Việc thiết kế thi công theo tiêu chuẩn nước ngoài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỌC VẬT LIỆU RỜI

2.1 Tổng quan tính toán và cơ chế làm việc cọc vật liệu rời

Những ứng dụng cọc vật liệu rời đã được giới thiệu trong các nội dung bên trên Để đáp ứng được hiệu quả tính toán ta cần phải biết vận dụng những mô hình tính toán cho phù hợp cơ chế làm việc của cọc Từ đó ta tính toán khả năng chịu tải của cọc, dự tính độ lún nền khi gia cố cọc vật liệu rời và các dạng phá hoại của cọc khi làm việc dưới tác dụng tải trọng bề mặt

2.1.1 Cơ chế phá hoại cọc đơn (single stone column)

Trong thực tế, cọc vật liệu rời được thiết kế và thi công xây dựng xuyên qua toàn bộ lớp sét yếu (giống như cọc chống) Cũng có những trường hợp cọc được xây dựng có mũi chỉ nằm trong phạm vi vùng đất sét yếu (gọi là cọc treo)

Xét cọc vật liệu rời chịu tác dụng tải trọng như hình 2.1 Ta thấy cả cọc chịu tải trọng mũi cũng như cọc treo thì ta thấy vùng phá hoại của cọc có chiều dài từ 2D ÷ 3D đường kính cọc Đối với cọc ngắn được cắm lên trên nền đất sét tốt thì ta thấy sự phá hoại trượt trên bề mặt cọc xuất hiện Nếu cọc nằm trong phạm vi đất sét yếu thì cọc sẽ bị trượt khi vượt khả năng chịu tải

Hình 2.1: Cơ chế phá hoại cọc đơn trong nền đất đồng nhất

Hình 2.2: Các dạng tải tác dụng lên cọc vật liệu rời

2.1.2 Cơ chế phá hoại của nhóm cọc

So với cọc chịu tải đơn thì ta thấy khả năng chịu tải của nhóm cọc lớn hơn Khi những cọc đơn hợp nhất tạo thành một nhóm thống nhất Thí nghiệm trên mô hình nhóm cọc theo nghiên cứu cho thấy với một nhóm có 2 hoặc 3 hàng cọc trở lên thì sức chịu tải của nhóm sẽ tăng lên nếu số lượng cọc tham gia vào nhóm tăng lên

Xét trên một phạm vi chịu tải phủ khắp của một nền đường khi sử dụng cọc vật liệu rời dùng để gia cố nền móng đường như hình trên Vaurian thấy rằng vùng biến dạng của đất và cọc gần bằng nhau bên dưới nền đắp Khi thi công công trình đất đắp trên những vùng đất yếu Đất bên dưới vùng nền và những vùng lân cận bên ngoài nền đường sẽ chuyển dịch theo phương ngang hình thành một vùng trượt Ta gọi là trạng thái tới hạn trượt Thí nghiệm và phân tích bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy độ lún sẽ lớn hơn nếu không có biện pháp gia cố

Hình 2.3: Cơ chế phá hoại cọc theo điều kiện làm việc theo nhóm cọc

2.2 Những quan hệ cơ bản 2.2.1 Đường kính tương đương

Yêu cầu về phân tích độ lún và ổn định nền thì diện tích xung quanh cọc vật liệu rời xem như là hình tròn, đối với tam giác hay hình vuông thì vùng ảnh hưởng được quy về tương đương theo quan hệ sau:

- Vùng ảnh hưởng lưới tam giác:

SDe =1.05 (2-1) - Vùng ảnh hưởng lưới hình vuông:

SDe =1.13 (2-2) - Vùng ảnh hưởng theo lưới lục giác:

SDe =1.29 (2-3) Trong đó: S là khoảng cách giữa các cọc vật liệu rời tính từ tâm, De đường kính vùng ảnh hưởng xung quanh cọc vật liệu rời được quy đổi tương đương theo cách bố trí cọc

Hình 2.4: Cách bố trí và đường kính tính toán tương đương cọc vật liệu rời