cát đệm kết hợp vải địa kỹ thuật

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA LỚP CÁT ĐỆM KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT TRÊN ĐẦU CỌC TRONG NỀN NHÀ XƯỞNG CHỊU TẢI PHÂN BỐ ĐỀU Nguyễn Tuấn Phương, Châu Ngọc Ẩn, Võ Phán Tóm tắt Nội dung báo phân tích ứng xử lớp cát đệm kết hợp vải địa kỹ thuật đầu cọc theo phương pháp phần tử hữu hạn nhằm giúp cho người thiết kế ý đến tương quan khoảng cach cọc chiều cao đắp hợp lý thiết kế theo phương pháp Từ khóa: Vải địa kỹ thuật đầu cọc; Đất yếu; Cọc công trình đắp ĐẶT VẤN ĐỀ Trong điều kiện kinh tế ngày phát triển với xu hướng công nghiệp hoá đại hoá Nhu cầu phát triển công nghiệp ngày tăng, nhiều nhà máy, xí nghiệp đầu tư xây dựng nhiều tỉnh thành nước, đặt biệt nhu cầu tăng nhanh tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long Với cấu tạo địa chất đất yếu, có nơi dày đến 30 ÷ 40m độ sâu Vì để đáp ứng nhu cầu cho ngành xây dựng thời gian gần có nhiều công trình nghiên cứu thực thành công vùng đất Riêng công trình đắp (đường dẫn vào cầu, đường đắp cao, sân chứa nhà kho chứa) xây dựng đất yếu vấn đề lún không lún nhiều lâu gây không khó khăn cho vận hành công trình đường vào cầu chờ lún (đường Nguyễn Hữu Cảnh Tp Hồ Chí Minh lún nhìêu (0.5 ÷1m) theo báo cáo Sở Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh Có nhiều giải pháp xử lý vấn đề gia tải trước, cọc bêtông cốt thép (BTCT), cọc đất trộn ximăng kết hợp bệ giảm tải BTCT gần có thêm giải pháp gia cố đất yếu cọc có kết hợp vải địa kỹ thuật Việc “Phân tích ứng xử lớp cát đệm kết hợp vải địa kỹ thuật đầu cọc nhà xưởng chịu tải phân bố đều” nhằm mục đích phân tích giải pháp rút kinh nghiệm từ công trình thực tế Mêtro Hưng Lợi Cần Thơ cần thiết CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG VÒM Theo Mc.Nulty (1965) cung vòm đất tạo phần tử đất dịch chuyển từ vị trí sang vị trí khác tác dụng tải trọng Khi phần tử đất nơi di chuyển đến nơi khác đẩy phần tử đất lân cận, phần tử đất bên cạnh tiếp tục bị đẩy tạo ứng suất cắt căng bán kính cung đạt trạng thái cân Sự chuyển tiếp nhiều điểm không ổn định tác dụng áp lực đứng, cấu trúc đất tái xếp tạo ổn định Quá trình tạo cung vòm [4],[6] 2.1.1 SỰ TRUYỀN TẢI Sự truyền tải trọng thân tải trọng lên đầu cọc đất yếu bên thông qua lớp vải địa kỹ thuật hình Hình 1.Sự truyền tải (trọng lượng thân, tải trọng ngoài) lên vải đất [5] Theo Mc Nulty (1965) Kempton et al (1998) hệ số tập trung ứng suất phụ thuộc vào biểu Pb thức sau:   (1) H  q0 Áp lực đứng trung bình phân bố lên vải pb Tải trọng trung bình phân bố đắp q0 Lực căng vải T Khi   : Xuất cung vòm hoàn chỉnh Khi   : Không xuất cung vòm Trọng lượng thân đất đắp γ Theo Han (2003) đánh giá hệ số tập trung ứng suất thông qua biểu thức sau: n = c (2) s Với  c : ứng suất đứng phân bố đầu cọc  s : ứng suất đứng phân bố đất hai cọc Theo Schimidt (2004) đánh giá hệ số tập trung ứng suất thông qua biểu thức sau:  *A Q LKF = (3)  c c Qs  * H * Ac  c : ứng suất đứng phân bố đầu cọc γ: Trọng lượng thân đất đắp H: Chiều cao đất đắp Ac: Tiết diện ngang cọc 2.1.2 NHÂN TỐ GIẢM ỨNG SUẤT Nhân tố giảm ứng suất ký hiệu S3D S3D định nghĩa tỷ số tải trọng thẳng đứng phân phối tác dụng lên cao độ đáy đoạn nằm đầu ứng suất thân khối đất đắp 2W ( s  a) T (4) S  3D  H ( s  a ) S: Khoảng cách từ tim cọc đến tim cọc a: Cạnh cọc WT: Tải trọng thẳng đứng phân phối tác dụng lên cao độ đáy đoạn nằm đầu cọc liền kề γ: Trọng lượng đơn vị đất đắp H: Chiều cao đất đắp 2.1.2.1 THEO TIÊU CHUẨN BS 8006 (1995) Theo Tiêu chuẩn BS 8006 (1995), phân bố tải trọng đứng hoạt động cọc ký hiệu WT Cho H>1.4×(s-a) 1.4 sf fs  ( s  a )   P '  (5) W  * s  a2  C  T   'V   s2  a2  Cho 0.7(s – a)≤ H≤ 1.4(s – a) W T  s ( f fs  H  f  s ) q 2 s a '  2  P C  s  a  '    V   (6) Nếu S2/a2 ≤ P’c/σ’v WT = Trong đó: WT: Tải trọng thẳng đứng phân phối tác dụng lên cao độ đáy đoạn nằm đầu cọc liền kề s: Khoảng cách hai cọc a: Kích thước cạnh cọc ωs: Tải trọng phân bố P’c: Ứng suất theo phương đứng đầu cọc σ’v: Ứng suất trung bình đáy đắp σ’v = ffs γH + fq ωs ffs: Hệ số tải trọng riêng phần đất (tra bảng 27 trang 131 Tiêu chuẩn BS 8006: 1995) fq: Hệ số tải trọng riêng phần tải trọng (tra bảng 27 trang 131 Tiêu chuẩn BS 8006: 1995) γ: Trọng lượng đơn vị đất đắp H: Chiều cao đất đắp [3] Theo Marston [1] P ' c   ' V C * a  c   H   (7) Trong đó: Cc: hệ số cung vòm Cc =1.95(H/a) - 0.18 cho cọc chống (không chịu uốn) Cc = 1.5(H/a) - 0.07 cho cọc treo cọc khác (thông thường) Phưong trình hệ số giảm ứng suất: S 3D  s  s2  a2 ( s  a ) H    P  c H      (8) 2.1.2.2 THEO KART VON TERZAGHI Phưong pháp dựa kết từ thí nghiệm mô hình cửa sập: S (s2  a )  3D H a K ta n    '   a H K t a n ( ' )      s2  a2  e         (9) K: hệ số áp lực đứng K = [3] 2.1.2.3 THEO HEWLETT VÀ RANDOLPH (1988) Theo Hewlett Randolph sơ đồ vòm phân bố lớp cát đệm bán hình bán cầu chiều cao cung vòm chiều cao đỉnh bán cầu thể hình Hình Mô hình đỉnh bán cầu[5] Phương trình hệ số giảm ứng suất đỉnh cung vòm S a    1   3D s   2(K p 2(K  1)  2(K  1)  1)  s p p 1    (s  a)    (2 K  3)  (2 K  3) H 2H p p   (10) Phương hệ số giảm ứng suất đầu cọc S 3D  (11)  2K  (1  K )  a  a  a a2 p    p      1  1  1 K  1      p    K 1 s  s  s  s2 p         Kp: Áp lực đất bị động s: Khoảng cách hai cọc a: Kích thước cạnh cọc 2.1.2.4 THEO GUIDO Theo Guido hệ số giảm ứng suất đất yếu tỷ số khoản cách cọc chiều cao đắp ( s  a) S  3D H (12) s: Khoảng cách hai cọc a: Kích thước cạnh cọc H: Chiều cao đất đắp MÔ HÌNH TÍNH Mô hình xử lý đường cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật khối đắp chịu tải phân bố khắp mô tả hình 3 Hình Mô hình đắp cọc kết hợp vải địa kỹ thuật [4],[5] Sự hình thành cum vòm lớp cát đất đắp thông qua ảnh hưởng hiệu ứng màng vải địa kỹ thuật thể hình Hình Sự hình thành cung vòm [4],[5] 3.1 KHẢ NĂNG KÉO CĂNG VẢI KHI GIA TẢI 3.1.1 THEO TIÊU CHUẨN ANH BS 8006 (1995) Theo Tiêu chuẩn BS 8006 (1995) tính toán khả kéo căng vải đầu cọc tính toán dựa nguyên lý truyền tải trọng đất đắp tải trọng lên vải thông qua gối đỡ (đầu cọc) công thức (13) W (s  a ) T (13) T   rp 2a 6 Trp: Lực kéo vải 1m WT: Tải thẳng đứng phân bố vải cọc ε: Biến dạng dài (%) vải địa kỹ thuật Phương trình: Trp = σs(s-a)Ω σs: Ứng suất đất đắp gây vải Ω: Hệ số không thứ nguyên liên quan đến biến dạng lệch vải s: Khoảng cách hai cọc a: Kích thước cạnh cọc    y (s  a )     ( s  a ) y  y: Độ võng vải [1] 3.1.1 THEO ZAESKE (2001) VÀ KEMPFER (2002) Theo Zaeske Kempfer sơ đồ hóa cung vòm đầu cọc dựa kết thí nghiệm mô hình Zaeske (2001) tác giả thiết lập phương trình vi phân đường ứng suất Hình Thiết lập phương trình vi phân đường ứng suất [2] Phương trình vi phân biểu diễn trạng thái cân ứng suất:   z d A u  ( z  d z ) d A0  4    m  d A s s in     dV    (14) Trong đó: d Au  ( r  ) (15) d A  ( r  d r ) (    d   )  d   r    d r r   1 d As  (r  d r ) (   d   ) d z  d z r   2 1 dV  (r  d r ) (   d   ) d z  d z r d   2  r   (16) (17) (18) Phương trình vi phân biểu diễn lực kéo căng vải q d 2z C - x   H H dx Với i 2. H  (19) j  ( z ) d x   w i  ( z ) d x - l p (20) j i   ( z ) d x     ( z )  d x w p  i    Trong z W z' W x   A 1, W x    W     x -  x W  W  x - x  W A e W - A e  1, W 2,W  e W  A ,W e W -  x  i (21) Lực kéo vải gia tải S  x    (x) / J  H  z'  x  (17) 3.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH Theo Zaeske (2001) thí nghiệm để kiểm chứng hiệu ứng vòm với tỷ lệ 1/3 so với kích thước thật gồm 04 cọc đất yếu, bên đầu cọc trải lớp vải địa kỹ thuật đỡ lớp cát có chiều dày thay đổi Tác động tải phân bố mặt lớp cát, ứng suất phân bố lớp cát đầu cọc ghi nhận đầu đo ứng suất Hình Kết mô hình thí nghiệm Zaeske (2001)[2] Kết thí nghiệm ghi nhận sau: Trường hợp 1: khoảng cách hai phần tử cọc s = 70cm lớp cát đắp 35cm, tải trọng tác động 20kPa, 54kPa, 104kPa ứng suất thẳng đứng đo điểm hai cọc cao đầu cọc 5cm, 15cm, 25cm - Khi p = 20kPa giá trị ứng suất: - Khi p = 54kPa giá trị ứng suất: - Khi p = 104kPa giá trị ứng suất: 15 – 16 – 19 kPa 33 – 42 – 45 kPa 65 – 75 – 87 kPa Trường hợp 2: khoảng cách hai phần tử cọc s = 70cm lớp cát đắp 70cm, tải trọng tác động 20kPa, 54kPa, 104kPa ứng suất thẳng đứng đo điểm hai cọc cao đầu cọc 5cm, 20cm, 30cm, 45cm, 55cm - Khi p = 20kPa giá trị ứng suất: - Khi p = 54kPa giá trị ứng suất: - Khi p = 104kPa giá trị ứng suất: 15 – 20 – 29 – 25 – 22kPa 20 – 33 – 46 – 54 – 57kPa 35 – 57 – 73 – 95 – 107kPa MÔ HÌNH THIẾT KẾ CỦA INGENIEURGESELLSCHAFT GEOTECGNIK WALZ (IGW) ĐỨC DO DR.-ING.PETER WALDHOFF THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH METRO HƯNG LỢI CẦN THƠ Mô hình sử dụng cọc tròn đường kính D=300mm, khoảng cách bố trí cọc S=4000mm, đầu cọc bệ bê tông cốt thép kích thước 1500x1500x300mm, bên lớp vải địa kỹ thuật cường độ cao đắp cát hạt to cao 500mm, lớp bêtông đá 10x20 B.15 dày 250mm, lớp đá 0x40mm cấp phối dày 350, lớp kết cấu áo đường dày 100mm Hình Thiết kế kết cấu xử lý công trình Metro Hưng Lợi Cần Thơ Biến dạng lún công trình sau thi công hoàn thành Hình Lún không công trình Metro Hưng Lợi Cần Thơ (Khảo sát chênh lệch lún bê cọc đất ≈ 30cm) THIẾT LẬP MÔ HÌNH MỚI Thiết lập lại mô hình sử dụng cọc bê tông cốt thép có cấp độ bền B.20 tiết diện 300x300mm không mở rộng đầu với khoảng cọc thay đổi từ 1.0m, 1.5m, 2.0m, 2.5m, sử dụng lớp vải địa kỹ thuật Mac 40 (cường độ chịu kéo Rk = 40kN/m, độ dãn dài ε = 10%) đặt đầu cọc, chiều cao cát đắp 1m, lớp bê tông cốt thép dày 150mm Hình Thiết lập mô hình xử lý cho công trình Metro Hưng Lợi Cần Thơ Mô chương trình tính Plaxis 3D Tunnel sử dụng mô hình Mohr-Coulomb với thông số vật liệu sau: Các tiêu học lớp đất khu vực xây dựng công trình Thành phần Thông số Hệ số thấm ngang Hệ số thấm đứng Module biến dạng Hệ số Poisson Lực dính Góc ma sát kx ky Eoed  C’ ’ Lớp Lớp Lớp Cát đắp Bùn sét hữu Sét lẫn cát dẻo cứng Cát xếp chặt Cát chặt Đơn vị 0.214*10-6 0.12*10-6 1252 0.35 18016’ 1.2*10-4 0.6*10-4 14900 0.33 71 26058’ 2*10-2 1*10-2 28860 0.3 300 3*10-2 1*10-2 30000 0.3 300 cm/s cm/s kN/m2 kN/m2 (độ) Các thông số cọc bê tông cốt thép bê tông cốt thép Thành phần Module đàn hồi Tiết diện cọc Hệ số Poision Chiều dày Thông số E A  h 2.9*107 0.3*0.3 0.15 0.15 Đơn vị kN/m2 m2 m 5.1 PHÂN TÍCH CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH HỔ TRỢ (PLAXIS 3D TUNNEL) Theo kết nghiên cứu mô hình thí nghiệm Zaeske (2001) cho thấy cọc mô hình thí nghiệm S = mm Vì mô hình thí nghiệm phòng bị giới hạn chiều dài (L = 500mm) cọc hàn trực tiếp lên thép hộp thí nghiệm Trong mô hình mô cọc có chuyển vị lún bé S = 10mm Khả kéo căng vải phải lớn Sử dụng vải địa kỹ thuật loại dệt M100/50 khả chịu kéo lớn vải 100kN/m Tuy nhiên kết thu từ mô phòng vải chịu lực kéo 62kN/m Do vải không bị chọc thủng trình làm việc Sử dụng vật liệu đắp cát hạt to có c’ = 1kN/m2, φ’ = 300 chiều cao đắp thay đổi theo khoảng cách cọc Để đảm bảo việc phân bố ứng suất bên bề mặt sử dụng lớp bêtông cốt thép tiếp nhận tải 5.2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MÔ HÌNH Mô mô hình thiết kế với thông số đất nền, cát đắp, vải địa kỹ thuật, cọc bê tông cốt thép, bê tông cốt thép trình bày thu kết tập trung ứng suất đầu cọc, khả kéo căng vải địa kỹ thuật hình 9,10,11 Hình Mô hình mô Plaxis 3D-Tunnel Hình 10 Hiện tượng tập trung ứng suất đầu cọc Hình 11 Kéo căng vải đầu cọc 5.2.1 SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT Các biểu đồ tương quan chiều cao đắp H=1m khoảng cách bố trí cọc Biểu đồ phân tích hệ số tập trung ứng suất 200 200 100 0 Khoảng cách cọc 1m H=0.083 H=0.0417 H=0.417 H=0.783 Giá trị ứng suất điểm ứng với chiều cao đắp Giá trị ứng suất điểm ứng với chiều cao đắp Biểu đồ phân tích hệ số tập trung ứng suất 0 Khoảng cách cọc 1.5m H=0.083m H=0.783m H=0.417m H=0.167m H=0.967m Hình 12,13 Biểu đồ hệ số tập trung ứng suất trường hợp khoảng cách cọc 1m 1.5m 100 0 Khoảng cách cọc 2m H=0.083m Giá trị ứng suất điểm ứng với chiều cao đắp Giá trị ứng suất điểm ứng với chiều cao đắp Biểu đồ phân tích hệ số tập trung ứng suất 200 Biểu đồ phân tích hệ số tập trung ứng suất 200 100 0 H=0.417m Khoảng cách cọc 2.5m H=0.0833m H=0.417m Hình 14,15 Biểu đồ hệ số tập trung ứng suất trường hợp khoảng cách cọc 2m, 2.5m 5.2.2 HỆ SỐ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT ĐẦU CỌC Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc n = c s Khoảng cách bố trí cọc S=1m, H = 1m Hệ số tập trung ứng suất lớn đạt n = 6.85 đầu cọc cách đầu cọc 83mm hệ số giảm dần theo chiều cao đắp Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc n Bố trí khoảng cách cọc S=1m 6.85 Bố trí khoảng cách cọc S=1m 4.06 1.99 1.55 1.12 Chiều cao đất đắp Hình 16 Biểu đồ quan hệ hệ số tập trung ứng suất chiều cao đắp với khoảng cách cọc 1m Khoảng cách bố trí cọc S=1.5m, H = 1m Hệ số tập trung ứng suất lớn đạt n = 4.93 đầu cọc cách đầu cọc 83mm hệ số giảm dần theo chiều cao đắp Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc n Bố trí khoảng cách cọc S=1.5m 4.93 3.72 3.03 2 Bố trí khoảng cách cọc S=1.5m 1.21 0 Chiều cao đất đắp Hình 17 Biểu đồ quan hệ hệ số tập trung ứng suất chiều cao đắp với khoảng cách cọc 1.5m Khoảng cách bố trí cọc S=2m, H = 1m Hệ số tập trung ứng suất lớn đạt n = 3.44 đầu cọc cách đầu cọc 83mm hệ số giảm dần theo chiều cao đắp Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc n Bố trí khoảng cách cọc S=2m 3.5 2.5 1.5 0.5 3.44 3.22 Bố trí khoảng cách cọc S=2m 1.741.68 Chiều cao đất đắp Hình 18 Biểu đồ quan hệ hệ số tập trung ứng suất chiều cao đắp với khoảng cách cọc 2m Khoảng cách bố trí cọc S=2.5m, H = 1m Hệ số tập trung ứng suất lớn đạt n = 3.09 đầu cọc cách đầu cọc 83mm hệ số giảm dần theo chiều cao đắp Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc n Bố trí khoảng cách cọc S=2.5m 3.5 3.09 2.88 2.5 2.04 Bố trí khoảng cách cọc S=2.5m 1.88 1.5 0.5 0 Chiều cao đất đắp Hình 19 Biểu đồ quan hệ hệ số tập trung ứng suất chiều cao đắp với khoảng cách cọc 2.5m Từ kết phân tích giá trị ứng suất đầu cọc theo chiều cao đất đắp cho thất khoảng cách cọc lớn hệ số tập trung ứng suất giảm Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc hiệu n = 6.85 ( ứng suất tập trung đầu cọc đạt 68.5%, ứng suất phân bố đất yếu đạt 31.5%) trường hợp khoảng cách cọc S = 1m, chiều cao đắp H = 1m KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 KẾT LUẬN Hệ số tập trung ứng suất n = c  hay hệ số giảm ứng suất n* = s thay đổi theo khoảng cách cọc, c s khoảng cách cọc xa hệ số (n) giảm, hệ số giảm ứng suất (n* ) tăng Chiều cao Hñaép  1/2 khoảng cách cọc S cung vòm xuất rõ nét Khi chiều cao s s s Hñaép  chiều cao cung vòm hg= Khi chiều cao Hñaép< chiều cao cung vòm hg= Hñaép 2 s Với chiều cao Hñaép< biến dạng không đồng đều, ngược lại biến dạng Trong s việc chọn chiều cao lớp đệm cát nên chọn Hñaép> phụ thuộc vào khoảng cách cọc xa gần khác 6.2 KIẾN NGHỊ 10 Kết cấu áo đường cho công trình chưa hợp lý Nên chọn kết cấu cứng để phân bố tải trọng tránh chọc thủng kết cấu bê tông nhựa nóng Khi vận dụng mô hình thiết kế (GPE) cần lưu ý khoảng cách cọc chiều cao đắp thật hợp lý để phát huy hết hiệu cung vòm đất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B Le Hello, B Chevalier, G Combe, P Villard, Coupling finite elements and discrete elements methods, application to reinforced embankment by piles and geosynthetics [2] Châu Ngọc Ẩn, Nền Móng, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, (2010) [3] Nguyễn Minh Tâm, Trần Xuân Thọ, Hui-Joon Kim, Du-Hwoe Jung, đánh giá hiệu ứng vòm đường xử lý cọc đất trộn ximăng [4] H.-G Kempfert, Lateral spreading in basal reinforced embankments supported by pile-like elements , University Kassel, Germany March 2008 [5] Hans-Georg Kempfert Berhane Gebreselassie, Excavations and Foundations in Soft Soils , University Kassel, Germany [6] H.-G Kempfert & M Raithel & A Kirchner, Pile-supported embankments on soft ground for a high speed railway - Load Transfer, Distribution and Concentration by different construction methods Abstract ANALYSE BEHAVIOR OF GEOSYNTHETIC REINFORCED PILE SUPPORTED EMBANKMENTS IN THE WORKSHOP’S WEAK FOUNDATION SOILS UNDER UNIFORM LOAD The main content of the paper is analyse behavior of geosynthetic reinforced pile supported embankments by finite element method to Geotechnique-designer have to note the correlation of rational pile-distance and embankment-depth when design weak foundation Key word: Geosynthetic reinforced pile; Soft soil; Pile embankment 11 [...]...1 Kết cấu áo đường cho công trình là chưa hợp lý Nên chọn kết cấu cứng để phân bố tải trọng tránh chọc thủng kết cấu bê tông nhựa nóng 2 Khi vận dụng mô hình thiết kế mới (GPE) cần lưu ý khoảng cách cọc và chiều cao đắp thật hợp lý để phát huy hết hiệu quả của cung vòm trong đất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B Le Hello,