Nghiên cứu sử dụng cọc để xử lý nền đất yếu khi xây dựng công trình (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - LÊ XUÂN TRƯỜNG KHÓA: 2013 - 2015 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CỌC ĐỂ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU KHI XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD&CN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN NGỌC THANH Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành TS Nguyễn Ngọc Thanh định hướng khoa học, liên tục quan tâm, tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp tài liệu đưa nhiều ý kiến quý báu tạo điều kiện thuận lợi, động viên tác giả trình thực luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo, cán Khoa Sau đại học, Khoa Xây dựng đặc biệt thầy, cô giáo giảng dạy Bộ môn Địa kỹ thuật - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội bạn đồng nghiệp giúp đỡ, dẫn tận tình trình hoàn thành luận văn TÁC GIẢ LUẬN VĂN Lê Xuân Trường LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sĩ công trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Lê Xuân Trường MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU  Lý chọn đề tài  Mục đích nghiên cứu  Nhiệm vụ nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu  Phạm vi nghiên cứu  Nội dung phương pháp nghiên cứu  Kết nghiên cứu  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài  Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Nền đất yếu phương pháp xử lý đất yếu 1.1.1 Khái niệm đất yếu 1.1.2 Các loại đất yếu thường gặp tự nhiên 1.1.3 Các phương pháp xử lý đất 1.2.3 Thực trạng sử dụng cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” xử lý đất yếu Việt Nam 30 CHƯƠNG II PHÂN TÍCH, SO SÁNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC 33 2.1 Tính toán cọc vật liệu hạt rời xử lý đất yếu 33 2.1.1 Tính toán cọc vật liệu hạt rời phương pháp lý thuyết 33 2.1.2.Tính toán trụ vật liệu hạt rời theo công thức thực nghiệm 39 2.1.3 Tính toán cọc vật liệu hạt rời phương pháp phần tử hữu hạn 46 2.1.4 Tính toán cọc vật liệu hạt rời đất yếu khác 51 2.2 Tính toán cọc “cứng” xử lý đất yếu 53 2.2.1 Tính toán cọc “cứng” phương pháp lý thuyết 53 2.2.2 Tính toán cọc “cứng” phương pháp thực nghiệm 57 2.2.3 Tính toán cọc “cứng” theo phương pháp phần tử hữu hạn 60 2.2.4 Tính toán cọc “cứng” đất yếu khác 64 2.3 Phân tích so sánh tính toán đất sau xử lý cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” 65 CHƯƠNG III ÁP DỤNG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA TẦNG MỘT SỐ KHU VỰC TẠI VIỆT NAM 68 3.1.1 Giới thiệu công trình, địa tầng mô hình hóa 68 3.1.2 Phân tích kết từ mô hình tính toán 71 3.2.Ví dụ áp dụng xử lý đất yếu cọc “cứng” Hà Nội 78 3.2.1 Giới thiệu công trình, địa tầng mô hình hóa 78 3.2.2 Phân tích kết từ mô hình tính toán 81 3.3 Lựa chọn giải pháp cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” điều kiện địa chất Việt Nam 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 Kết luận 85 Kiến nghị 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu hình Bảng2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Bảng 2.4 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Tên hình So sánh hiệu xử lý đất cọc vật liệu liệu hạt rời(cọc cát) So sánh hiệu xử lý đất cọc “cứng” So sánh cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” So sánh hiệu giảm lún đất sử dụng cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” So sánh tập trung ứng suất cọc độ sâu 1.65m so với mặt đất Sự tập trung ứng suất cọc độ sâu 4.9m so với mặt đất Sự tập trung ứng suất lên đầu cọc DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Số hiệu hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Tên hình Gia cố cọc tre, cọc cừ tràm Gia cố cọc cát, cọc đá Hình ảnh thi công cọc xi măng đất Hình ảnh thi công vải địa kỹ thuật Sơ đồ nguyên lý phương pháp MVC Thi công cọc đá nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn Thi công cọc cát đầm chặt Thi công cọc đá phương pháp thay-rung Thi công trụ đá ba lát theo dạng Franki Máy thi công cọc đá Franki (Cọc đá có mở rộng đáy cọc) Thi công cọc đá khoan tạo lỗ Thiết bị thi công cọc đá theo phương pháp khoan ép tạo lỗ Thi công cọc đá nước Chi tiết nguyên lý làm việc máy đầm rung Kích thước hình thức loại đầm rung Lựa chọn đường kính cọc đá (Dhouib et Blondeau, 2005) [15] Ứng dụng cọc cứng công trình xây dựng Gia cố đắp cọc cứng (ZanzigerGartung,2002) Mặt cắt ngang đường đầu cầu Trà Lọt sau xử lý Hình 1.19 đất yếu cọc 35x35cm Thi công đóng cọc đầu cầu Rạch Sỏi- Kiên Giang cọc Hình 1.20 30x30cm Hình 2.1 Đường kính tương đương cọc vật liệu hạt rời đơn vị Hình 2.2 Mô hình phần tử đơn vị tính toán cọc vật vật liệu hạt rời Sơ đồ phân bố ứng suất lên gia cố cọc vât liệu hạt Hình 2.3 rời Hình 2.4 Cọc tải trọng móng băng tải trọng phân bố Hình 2.5 Sơ đồ phân tích làm việc nhóm cọc Hình 2.6 Hệ số cải thiện đất n Priebe Số hiệu hình Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10(a) Hình 2.10(b) Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17(a) Hình 2.17(b) Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Hình 2.26 Tên hình Hệ số ( A / Ac ) dựa vào tỉ lệ modun Dc/Dsvà góc ma sát đất xung quanh kể đến nén lún cọc Hệ số fd theo hệ số y dựa vào góc ma sát đất xung quanh Sự phân bố tải trọng cọc đá tương ứng với góc ma sát đất Dự đoán tải trọng hiệu đường kính cọc theo lực dính không thoát nước ( Thorbunrn, 1975)[6] Quan hệ tỉ lệ nén chặt đất trước sau gia cố cọc với khoảng cách cọc vật liệu hạt rời lực dính đất xung quanh cọc vật liệu hạt rời (Greenwood,1975([7] Lựa chọn đường kính cọc (Dhouib et Blondeau, 2005)[15] Các mô hình quan hệ ứng suất biến dạng đất Kết lún chưa xử lý cọc vật liệu hạt rời (cọc cát) Phân bố độ lún theo mặt cắt ngang với khoảng cách cọc 2m Phân bố độ lún theo mặt cắt ngang với khoảng cách cọc 6m Phân bố ứng suất chưa xử lý sử dụng cọc cát So sánh độ lún sử dụng cọc vật liệu hạt rời đất khác với p=50kPa So sánh độ lún sử dụng cọc vật liệu hạt rời đất khác với p=100kPa So sánh độ lún sử dụng cọc vật liệu hạt rời thay đổi góc ma sát cọc Mô hiệu ứng vòm, a) Mô hình 2D, b) Mô hình 3D Trạng thái ứng suất điểm khối đắp theo Terzaghi (1943)[6] Mckelrey (1944)[6] Chuyển vị thẳng đứng đất yếu khoảng cách cọc Cách xác định số RSR block cọc Phân tích lún phần tử đất khối đắp nền cọc treo Kết lún chưa xử lý cọc “cứng” Kết lún xử lý cọc “cứng” Phân bố độ lún theo mặt cắt ngang với khoảng cách cọc 2m,6m Số hiệu hình Tên hình Hình 2.27 Hình vẽ phân bố ứng suất chưa xử lý sử dụng cọc So sánh độ lún sử dụng cọc “cứng” với khoảng cách Hình 2.28 cọc khác nhau, cường độ đất khác với tải trọng p=100kPa So sánh độ lún sử dụng cọc “cứng” cọc vật liệu hạt rời Hình 2.29 tác dụng tải trọng cường độ đất Hình 3.1 Địa tầng điển hình khu vực Mặt cắt ngang đường với phương án 1(xử lý cọc vật liệu Hình 3.2 hạt rời) Hình 3.3 Mô hình 2D phương án (xử lý cọc vật liệu hạt rời đầm chặt) Mặt cắt ngang đường với phương án 2(xử lý cọc bê tông Hình 3.4 cốt thép) Hình 3.5 Mô hình 2D phương án (xử lý cọc bê tông cốt thép) Hình 3.6 Kết lún chưa xử lý Hình 3.7 Kết lún xử lý cọc vật liệu hạt rời (PA1) Hình 3.8 Kết lún nền xử lý cọc (PA2) Hình 3.9 Phân bố ứng suất đất không xử lý Hình 3.10 Phân bố ứng suất đất cọc vật liệu hạt rời đầm chặt Hình 3.11 Phân bố ứng suất cuẩ đất cọc bê tông Hình 3.12 Mặt cắt thể phân bố ứng suất lên đất không xử lý Mặt cắt thể phân bố ứng suất lên đất cọc vật Hình 3.13 liệu hạt rời Hình 3.14 Mặt cắt thể phân bố ứng suất lên đất cọc Trụ địa tầng điển hình khu vực vành đai II đoạn Cầu Giấy – Hình 3.15 Nhật Tân Hinh 3.16 Mặt cắt ngang đường vành đai II đoạn Cầu Giấy-Nhật Tân Hình 3.17 Mô hình 2D gia cố cọc xi măng đất Hình 3.18 Kết lún nền chưa xử lý Hình 3.19 Kết lún nền xử lý cọc xi măng đất Hình 3.20 Mặt cắt thể phân bố ứng suất lên đất cọc Mặt cắt thể hiệu ứng vòm kết hợp xử lý cọc Hình 3.21 vải địa kỹ thuật MỞ ĐẦU  Lý chọn đề tài Việt Nam với điều kiện địa lý trải dài lại thêm hệ thống đồi núi, sông ngòi dày đặc làm nên đa dạng điều kiện tự nhiên điều kiện địa tầng, điều đất yếu Với phát triển nhanh trình đô thị hóa gia tăng dân số đặt yêu cầu cấp bách phát triển công trình hạ tầng, khu công nghiệp, nhà xưởng, khu dân cư, đô thị… toán xử lý đất yếu lúc toán thường xuyên gặp phải trình xây dựng công trình điều kiện địa chất yếu Các giải pháp xử lý đất yếu Việt Nam đa dạng với công nghệ truyền thống thay đất, cọc cát, giếng cát, bấc thấm, hay gia tải trước công nghệ xử lý đất yếu đại với dạng cọc khác chẳng hạn loại cọc có mô đun Young lớn: cọc xi măng đất có độ cứng xác định, vữa áp lực cao jet-grouting, loại loại cọc bê tông bê tông cốt thép, hay cọc thép (các loại “cọc” gọi chung cọc “cứng”- RIGID INCLUSION) loại cọc tạo thành từ vật liệu hạt rời đầm chặt (cọc cát đầm chặt, cọc đá –GRANULAR INCLUSION) ứng dụng Việt Nam có thành công bước đầu Chúng ta biết cọc vật liệu hạt rời giải pháp xử lý đất yếu hiệu với tác dụng nén chặt đất nhờ chiếm chỗ vật liệu rời rạc, tận dụng khả cường độ loại vật liệu lớn nhiều lần so với cường độ đất yếu để nhờ tăng cường độ đất yếu, giảm thể tích lỗ rỗng đất làm tăng nhanh tốc độ cố kết đất nhờ thoát nước thẳng đứng rỗng Dưới ảnh hưởng trình thi công cọc vật liệu hạt rời, vật liệu lèn chặt đất tạo thành cọc vật liệu hạt rời có tiết diện chiều dài rõ ràng Mặt khác, đất xung quanh trụ vật liệu hạt rời bị ép chặt lại ảnh hưởng trình lèn chặt , ứng suất theo phương ngang đất xung quanh trụ tăng lên rõ rệt, điều có nghĩa sau đất cố kết, mô đun biến dạng đất tăng lên, liên kết hạt đất tăng lên đáng kể nhờ tăng khả kháng cắt đất, sức chịu tải đất, giảm lún, tăng cường ổn định công trình loại bỏ bớt nguy tượng hóa lỏng cát vùng có động đất.Chính vậy, xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời phương pháp ứng dụng ngày rộng rãi tập trung chủ yếu đắp, móng của công trình bồn bể chứa, hay công trình mà có tải trọng vừa phải (nền đắp, công trình nhà máy, khu dân cư, hay khu công nghiệp…) Bên cạnh phương pháp xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời phương pháp xử lý đất yếu cọc “cứng” giải pháp hữu hiệu, với tác dụng tăng cường độ đất nhờ tăng lực dính góc ma sát đất tận dụng tập trung ứng suất lên cọc “cứng” thông qua tương tác cọc đất (chủ yếu thông qua ma sát thành cọc nền) nhiều đất nhờ làm tăng khả ổn định giảm lún công trình Hơn với việc xử lý loại cọc không cần phải chờ đợi thời gian cố kết đất giải pháp xử lý đất yếu khác Để tính toán thiết kế cọc xử lý đất yếu song song với tiếp cận lý thuyết học – giải tích dựa đàn hồi hay đàn dẻo hay công thức thực nghiệm, sử dụng phương pháp khác chẳng hạn phương pháp mô số với ưu điểm đơn giản, hiệu quả, nhanh chóng Với mong muốn làm rõ giải pháp sử dụng cọc (cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng”) toán xử lý đất yếu tác giả lựa chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu sử dụng cọc để xử lý đất yếu xây dựng công trình”  Mục đích nghiên cứu - Hệ thống hoá nguyên lý, phương pháp tính toán cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” nói riêng phương pháp khác toán xử lý đất yếu - Chỉ phạm vi ứng dụng so sánh cách tính toán hiệu việc xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” phương diện khả chịu tải đất biến dạng sau xử lý - So sánh tiêu kinh tế kỹ thuật giải pháp xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” - Nêu số dẫn cần thiết tính toán trụ vật liệu hạt rời trụ “cứng” điều kiện địa chất cụ thể  Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết phương pháp tính toán số thực nghiệm toán xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn việc tính toán toán xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” (dùng phần mềm Plaxis) - Phân tích, so sánh, đánh giá phù hợp phương pháp xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” cho dạng công trình đạng địa tầng Từ nêu số dẫn cần thiết tính toán cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” điều kiện địa chất số vùng đất yếu Việt Nam  Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu loại đất yếu, phương pháp xử lý đất yếu tập trung vào xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng”  Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu, so sánh việc tính toán khả áp dụng cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” xử lý đất yếu công trình xây dựng 4  Nội dung phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu - Đưa nguyên lý, phạm vi ứng dụng, phương pháp tính toán cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” toán xử lý đất yếu - So sánh phương pháp tính toán, hiệu quả, tiêu kinh tế kỹ thuật cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” xử lý đất yếu Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phân tích tính toán cụ thể  Kết nghiên cứu - Đưa số so sánh phạm vi ứng dụng, cách tính toán, hiệu quả, số dẫn, lưu ý cần thiết tính toán thiết kế xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” - Kiến nghị khả áp dụng phương pháp xử lý cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” điều kiện địa tầng Việt Nam  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Hệ thống hóa lại việc xử lý đất yếu - Đề xuất phương pháp tính toán cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” đất phù hợp với điều kiện địa chất Việt Nam - Phân tích đánh giá phù hợp cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” điều kiện địa chất khác số khu - Làm tài liệu tham khảo hữu ích cho kỹ sư thiết kế thi công, công ty chuyên xử lý đất yếu  Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận,luận văn có phần nội dung bao gồm ba chương: Chương 1.Tổng quan phương pháp xử lý đất yếu Chương 2.Phân tích, so sánh hiệu xử lý đất yếu cọc Chương 3.Áp dụng xử lý đất yếu cọc điều kiện địa tầng số khu vực việt nam THÔNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội Email: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong luận văn, học viên nghiên cứu trình bày vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan đất yếu phương pháp xử lý đất yếu; Nghiên cứu lý thuyết tính toán khả ứng dụng biện pháp xử lý đất yếu phương pháp sử dụng cọc vật liệu hạt rời đầm chặt cọc có độ cứng lớn bê tông, bê tông cốt thép, cọc thép, cọc xi măng đất có độ cứng xác định, cọc tạo jet-grouting Sử dụng cọc cát đầm chặt biện pháp hữu hiệu đất yếu Việt Nam có tác dụng giảm lún lún tổng thể lẫn lún lệch, tăng cường độ đất, làm chặt đất tăng nhanh khả cố kết đất Sử dụng loại cọc: cọc bê tông, bê tông cốt thép, cọc thép…trong xử lý đất giải pháp phù hợp với điều kiện địa tầng khác nhau, hiệu xử lý cao nhờ tập trung ứng suất đầu cọc độ cứng cọc thường lớn nhiều cường độ đất nền, không cần thời gian chờ cố kết Việc giải toán xử lý đất yếu với phương pháp lý thuyết thông thường cho kết chưa xác thực tế Với việc sử dụng mô hình số cho phép giải toán đơn giản, nhanh chóng Các kết thu nhìn chung chấp nhận Kiến nghị Cần tiếp tục nghiên cứu bổ xung toán độ mảnh cọc độ cứng cọc độ cứng móng tới hiệu xử lý hai phương diện độ lún cường độ làm rõ bảng tra phục vụ cho công tác thiết kế Trong trình thực luận văn, học viên thấy nhiều vấn đề mà với phạm vi thời gian, khuôn khổ đề tài chưa giải cách trọn 86 vẹn, khía cạnh ứng dụng nội dung khoa học Vì thế, học viên kiến nghị cần tiếp tục giải nội dung sau: Cần có nghiên cứu thực tế quan trắc, lún, ứng suất công trường mô hình vật lý để tiếp tục nghiên cứu sâu toán xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” Cần nghiên cứu phân vùng khu vực địa chất dạng công trình để lựa chọn giải pháp xử lý hiệu Quan trọng hơn, nghiên cứu việc xử lý đất yếu chủ yếu tải trọng tĩnh nên mở rộng hướng nghiên cứu xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” vùng chịu tải trọng động hay động đất, vùng có nguy bị hóa lỏng có ý nghĩa khoa học  ... giải pháp sử dụng cọc (cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng”) toán xử lý đất yếu tác giả lựa chọn đề tài luận văn Nghiên cứu sử dụng cọc để xử lý đất yếu xây dựng công trình  Mục đích nghiên cứu - Hệ... học viên nghiên cứu trình bày vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan đất yếu phương pháp xử lý đất yếu; Nghiên cứu lý thuyết tính toán khả ứng dụng biện pháp xử lý đất yếu phương pháp sử dụng cọc vật... toán xử lý đất yếu cọc vật liệu hạt rời cọc “cứng” Cần nghiên cứu phân vùng khu vực địa chất dạng công trình để lựa chọn giải pháp xử lý hiệu Quan trọng hơn, nghiên cứu việc xử lý đất yếu chủ yếu