Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền đất yếu và đầu cọc cho giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bêtông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật (tt)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Việc xây dựng cơng trình đất yếu, đặc biệt cơng trình sở hạ tầng thường gắn liền với biện pháp xử lý Do cao độ mặt đất tự nhiên thấp nên công trình sở hạ tầng tỉnh phía Nam xây dựng đồng thời với cơng trình đắp cao (đê, đập, đường giao thông, khu dân cư, kho xưởng hay cầu cống) Ngoài biện pháp xử lý phổ biến áp dụng cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước, cọc đất trộn xi măng cọc bê tơng cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật giải pháp hữu hiệu có triển vọng Ưu điểm giải pháp kể đến chất lượng cơng trình kiểm sốt thuận tiện đảm bảo, thời gian thi công ngắn đáng kể so với phương pháp cố kết trước; vật liệu cọc chịu tác động ảnh hưởng mơi trường hóa lý (so với cọc đất trộn xi măng); độ lún xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật có giá trị khơng đáng kể nên cho phép sử dụng hạn chế vật liệu đắp, loại vật liệu khan khu vực (so với phương pháp gia tải trước) số ưu điểm khác Khả ổn định độ lún sau xử lý giải pháp phụ thuộc đáng kể vào đặc điểm phân bố ứng suất lên cọc đất Thí nghiệm thực tế đo đạc nhằm tìm hiểu quy luật phân bố ứng suất tác dụng lên xử lý có ý nghĩa thực tiễn tính tốn áp dụng triển khai đánh giá triển khai phương pháp xử lý thực tiễn Điều có tính cấp thiết việc đo đạc đánh giá phân bố ứng suất xử lý phương pháp tương tự điều kiện thực tế khu vực phía Nam chưa thực nhằm phục vụ đánh giá xác khả ổn định sau xử lý Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cọc bê tơng cốt thép giải pháp móng thường sử dụng cho cơng trình có tải trọng lớn hay có đất yếu có bề dày lớn nằm gần bề mặt Vật liệu cọc có tính biến dạng không đáng kể, khác với loại cọc đất trộn xi măng hay vật liệu khác có tính biến dạng lớn Do đó, kết hợp với vải địa kỹ thuật, quy luật phân bố ứng suất lên cọc đất khác biệt điều ảnh hưởng trực tiếp đến vấn đề tính toán thiết kế Nghiên cứu đánh giá quy luật đặc điểm phân bố ứng suất cọc đất yếu mục tiêu luận án Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chọn lựa cho luận án nghiên cứu sở lý thuyết phân bố ứng suất đầu cọc đất nền, thí nghiệm trường theo điều kiện thực tế khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre mơ tính tốn phần mềm Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu phân bố ứng suất đắp kết hợp vải địa kỹ thuật lên hệ cọc bê tông cốt thép lên đất yếu bên Phạm vi nghiên cứu: - Chỉ nghiên cứu phân bố ứng suất phạm vi khối đắp chưa xét thay đổi trạng thái ứng suất đất yếu bên - Do hạn chế vị trí, kinh phí nên xây dựng mơ hình thí nghiệm với số lượng 16 cọc Điều chưa thật giống với toán phẳng xử lý đường Nghiên cứu chủ yếu ảnh hưởng ứng suất 04 cọc trung tâm, phù hợp với tốn khơng gian - Khu vực thí nghiệm trường thường xuyên chịu ảnh hưởng triều cường Do phân bố ứng suất đất yếu thay đổi, điều ảnh hưởng đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc Điểm luận án Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) giải pháp xử lý đất yếu cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật điều kiện địa chất khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre 2 Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) giải pháp xử lý đất yếu cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật mực nước ngầm hạ thấp mực nước ngầm tăng triều cường kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng cục Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) giải pháp xử lý đất yếu cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật nhỏ vào mùa khô tăng cao vào mùa mưa ngập nước Cấu trúc luận án Luận án gồm có phần: Mở đầu, chương, kết luận kiến nghị nghiên cứu Tổng cộng có 124 trang, có 86 hình, 25 bảng biểu cơng thức tính tốn Phần phụ lục có 48 trang CHƯƠNG TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ NỀN ĐẤT YẾU 1.1 Một số tính chất đặc trưng đất yếu ĐBSCL Đất yếu định nghĩa loại đất khơng có khả tiếp nhận tải trọng cơng trình khơng có biện pháp gia cố xử lý thích hợp ĐBSCL hình thành phát triển gần nên trầm tích chưa nén chặt, phổ biến trầm tích sơng biển mềm yếu Do đó, địa chất móng cơng trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước số cơng trình khác thường đặt hàng loạt vấn đề cần phải giải sức chịu tải thấp, độ lún lớn 1.2 Các giải pháp xử lý đất yếu cơng trình Việc xử lý đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải đất, cải thiện số tính chất lý đất yếu như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt đất … đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho cơng trình Đối với cơng trình đường Việt Nam nay, biện pháp xử lý phân chia làm nhóm chính: - Các biện pháp gia cường thường áp dụng như: vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, đất trộn vôi, đất trộn ximăng, Silicat hóa Trong trường hợp này, đất đất khối đắp sau gia cường có khả chịu tải cao hơn, tính biến dạng giảm, từ độ ổn định cơng trình gia tăng đảm bảo điều kiện làm việc cơng trình - Các biện pháp xử lý thường áp dụng cọc cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước bơm hút chân không Trường hợp này, thời gian cố kết đất rút ngắn, đất nhanh đạt độ lún ổn định để đưa cơng trình vào sử dụng 1.3 Sự phân bố tải trọng đất đắp Nền khối đắp thường có độ cứng lớn nên khối đất đắp không truyền tải trọng thân, tải trọng ngồi mà có tải ngang gây ảnh hưởng trượt khối đất đắp Xét điều kiện cụ thể trường hợp đất cứng khối đắp vùng trung tâm không trượt Trượt xuất khối mái dốc Tại đáy mái dốc tác dụng trọng lượng thân khối đắp gây ứng suất tiếp gây trượt ngang, vùng trung tâm gần xuất ứng suất pháp gây thay đổi thể tích (trạng thái nén chặt) Tiêu chuẩn Anh [12] cho phép xác định giới hạn trượt ngang bắt buộc phù hợp vải địa kỹ thuật đắp có cường độ kéo theo chiều cao đắp 1.4 1.4.1 Sự phân bố ứng suất đất đắp không xử lý cọc Sự phân bố ứng suất tiếp, ứng suất pháp Cắt phần tử khối đất đắp có bề rộng Δy, dài vô hạn mái dốc đất đắp để phân tích hình 1.4 Hình 1.4 Ứng suất mái dốc theo Rendulic (1938) Schwarz (1963) Ứng suất ngang khối đất mái dốc tính phương pháp Rendulic (1938) phương pháp Schwarz (1963) trường hợp khối đất đắp đất yếu chịu tải ngang [10] 1.4.2 Ảnh hưởng biến dạng ngang phân bố ứng suất cắt Để tính tốn biến dạng ngang đất đắp đất yếu khơng có vải Chuyển vị ngang đáy đất đắp ứng suất tiếp gây Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất lên vải theo Tolke (1990) Sự phân bố ứng suất cắt mô tả hình 1.5 gây chuyển vị theo phương ngang đất yếu theo [13] Geduln/Vollmert (2005) Ảnh hưởng biến dạng ngang ứng suất cắt đắp phân tích cho thấy trục tâm đất đắp ứng suất tiếp 0, ứng suất tiếp tăng dần đến đỉnh mái dốc đạt cực đại sau giảm dần trở tâm trục khối đất đắp 1.4.3 Áp lực đất khối đắp khơng có cọc Nền đất đắp có sử dụng vải địa kỹ thuật đất yếu không kết hợp cọc Tải trọng đất đắp truyền lên đất yếu bên thông lớp vải địa kỹ thuật tạo phân bố lại ứng suất làm lún đều, giảm lún lệch (hình 1.7) 1.5 Hình 1.7 Lực kéo căng vải yếu khơng có cọc Kempfert et al (1997) [9] Sự phân bố ứng suất đất đắp có xử lý cọc kết hợp vải địa kỹ thuật Để gia tăng khả ổn định đất yếu hạn chế độ lún khối đất đắp, cọc hạ vào đất yếu kết hợp vải địa kỹ thuật để phân bố tải trọng lên cọc (Hình 1.8) Theo [14], [15], [16] vải địa kỹ thuật chịu hết toàn tải trọng ngang chuyển vị Hình 1.8 Mơ hình đắp cọc kết hợp vải địa kỹ thuật Kempfert et al (1997) [9] ngang từ ứng suất chống cắt Lực kéo căng vải ảnh hưởng lực phân bố hiệu ứng vòm đất hai phần tử cọc 1.6 1.6.1 Ứng xử cọc bê tông cốt thép đất đắp Phần tử cọc Đặc trưng chủ yếu cọc đất yếu tăng độ bền tăng ứng suất bền đất tác dụng lực phân bố ngang chuyển tiếp từ đắp Độ lún nhóm cọc bên ngồi nêu tiêu chuẩn Anh [12] 1.6.2 Ứng suất chuyển vị ngang cọc biên Áp lực ngang mái dốc đắp gây lực ngang ứng suất ngang cọc biên Ứng suất ngang tác dụng lên cọc phụ thuộc chủ yếu vào tương quan độ cứng cọc đất Ngồi có nhân tố tương quan khác bao gồm độ sâu cọc chiều dày lớp sét yếu theo [16] 1.7 Đặc điểm phân bố ứng suất đất đắp lên xử lý cọc Terzaghi chứng minh mặt trượt khối cát bên thông qua mơ hình thí nghiệm cửa sập dịch chuyển cửa sập nhỏ chậm khối cát bên trượt theo mặt a’a” mặt b’b” dạng xuyên hợp góc với mặt Hình 1.17 Dạng cung trượt khối đắp cửa sập dịch chuyển nhỏ theo Terzaghi ngang góc 450 hình 1.17 Khi dịch chuyển cửa sập lớn nhanh khối cát bên trượt theo mặt a’a” mặt b’b” dạng thẳng đứng hợp góc với mặt ngang góc 900 hình 1.18 [22] Hình 1.18 Dạng cung trượt khối đắp cửa sập dịch chuyển lớn theo Terzaghi 1.7.1 Sự chuyển tiếp tải Tải trọng trọng lượng thân đất đắp truyền xuống đất yếu bên thông qua lớp vải địa kỹ thuật Trên vải địa kỹ thuật có phân bố lại ứng suất (hình 1.24) 1.7.2 Hình 1.24 Sự truyền tải (trọng lượng thân, tải trọng ngoài) lên đất yếu xung quanh cọc (Li, 2002) Các nhân tố đệm cát Trong đất yếu xử lý cọc lớp vải địa kỹ thuật có đất đắp Vải bị căng tải trọng trọng lượng thân đất đắp Vải có tính mềm, dẻo nên tác dụng tải trọng (tải trọng trọng lượng thân đất đắp) làm cho vải căng tạo thành cung vòm đất 1.8 Nhận xét chương - Các kết nghiên cứu dựa theo phương pháp phân tích mơ hình thu nhỏ Marston Anderson, mơ hình cửa sập Terzaghi, MC Nulty mà chưa xây dựng mô hình thực tỷ lệ mơ hình thay đổi ảnh hưởng nhiều đến kết - Các kết phân tích hiệu ứng vòm dựa giả thuyết cọc khơng chuyển vị đứng (do hạn chế kích thước mơ hình), thực tế cọc chịu tải cơng trình gây chuyển vị nhỏ Điều ảnh hưởng nhiều đến tính hiệu cung vòm, ảnh hưởng đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc.Các mơ hình thí nghiệm chủ yếu thay đất sét yếu than bùn nên sử dụng kết tính tốn thiết kế chưa phù hợp với điều kiện đất sét yếu Việt Nam nói chung Đồng sơng Cửu Long nói riêng Tất kết nghiên cứu dựa vào kết thí nghiệm mơ hình thu nhỏ phòng Chưa đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng cung vòm thay đổi tác động biến đổi khí hậu triều cường tăng cao mưa bão kéo dài gây ngập úng cục cơng trình xử dụng giải pháp móng Vấn đề Luận án tập trung nghiên cứu làm sáng tỏ CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN ĐẦU CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 2.1 2.1.1 Giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật Giới thiệu giải pháp mục tiêu nghiên cứu sở lý thuyết phân bố ứng suất, biến dạng đất đắp đất yếu có xử lý cọc bê tơng cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật Cải tạo đất yếu kỹ thuật gia tải phát triển suốt nhiều thập kỷ qua Việt Nam, thể qua việc gia tăng số lượng cơng trình đất yếu cần có giải pháp cải tạo đạt hiệu kinh tế Một vấn đề khó xử lý đường dẫn vào cầu đắp cao vùng đất yếu độ chênh lệch lún mố cầu đặt cọc phần đường đắp tự nhiên gia cố giải pháp lún nhiều Giải pháp triệt để thường sử dụng kéo dài chiều dài cầu để giảm chiều cao đất đắp sử dụng hệ giảm tải bê tông cốt thép đặt cọc bê tông cốt thép gánh đỡ đường đất đắp 2.1.2 Đặc điểm tính tốn cọc Đất yếu khơng thể tiếp nhận tải trọng ngồi (tải trọng vật liệu san lấp, tải trọng cơng trình…) bị lún phá hoại Cọc bê tông cốt thép đất yếu tiếp nhận tải trọng ngồi Cọc thi cơng phương pháp đóng ép, sử dụng cọc có tiết diện 15x15cm ÷ 30x30cm cọc tròn đường kính 20cm ÷35cm, nhiên sử dụng cọc có đường kính đến 60cm Trong trường hợp đất yếu bên có chiều dày lớn ≥ 40m cọc thiết kế theo dạng cọc treo, tốt để đạt hiệu cao xử lý cọc nên cắm vào lớp đất tốt bên Giải pháp xem hiệu đất yếu có chiều dày ≥ 40m Cọc sử dụng tiết diện thân mở rộng đầu cọc tạo thành bệ Theo báo cáo Syawal Satibi năm 2007 viện nghiên cứu địa kỹ thuật IGS đại học Stuttgart (Đức) tỷ diện tích cọc bê tơng cốt thép chiếm chỗ đất yếu đạt hiệu giải pháp xử lý 4% ÷22% [32] 2.1.3 Đặc điểm tính tốn vải địa kỹ thuật Đất đắp xử lý cọc gia cường vải địa kỹ thuật lưới địa kỹ thuật Vải địa kỹ thuật tạo mặt phẳng bao trùm hệ cọc, nhận tải trực tiếp truyền lên đầu cọc Thực tế vải địa kỹ thuật sử dụng nhiều loại khác với khả kéo căng vải khác từ 20÷110kN/m Có thể sử dụng nhiều lớp tùy thuộc vào loại cơng trình, tải cốt liệu đắp Thông thường thiết kế thường sử dụng từ 1÷3 lớp [34] 2.2 2.2.1 Lý thuyết phân bố ứng suất, biến dạng đất đắp đất yếu có xử lý cọc bê tơng cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật Định nghĩa cung vòm Trong vùng biên khối đắp chịu gánh đỡ khối đất bên trên, đất có khuynh hướng dịch chuyển xa phần lại không chuyển dịch Trong vùng chuyển tiếp khối đất dịch chuyển khối đất đứng yên, ứng suất cắt phát triển tương quan chuyển vị hai khối đất Khi lực cắt có khuynh hướng giữ khối đất đứng yên, ứng suất có giá trị bé đỉnh ứng suất có khuynh hướng gia tăng phần Sự chuyển tiếp ứng suất từ điểm đỉnh khối đất xuống bên ảnh hưởng hiệu ứng cung vòm cung vòm đất bao trùm, theo Terzaghi (1943) [21] 2.2.2 Cơ chế hình thành cung vòm Theo Terzaghi (1943), cung vòm xuất có chuyển hạt theo phương ngang phương đứng giới hạn khối đất Cung vòm trì ứng suất cắt đất Nó khơng xuất liên tục trường hợp ứng suất khác đất Nghiên cứu phân bố ứng suất mơ hình cửa sập thực Terzaghi (1943) Thí nghiệm thực điều kiện sử dụng điều kiện cân biến dạng cửa sập dựa góc tam giác thùng chứa đầy cát [21] 2.2.3 Lý thuyết cung vòm Terzaghi (1943), đề nghị giải phương trình cân dựa mơ hình cửa sập, đồng thời vẽ đường ứng suất đứng cát đắp trường hợp 10 có hiệu ứng vòm khơng có hiệu ứng vòm dựa quan hệ hệ số tải trọng (P/γH) tỷ số hình dạng (H/B) [21] 2.2.4 Cung vòm xử lý cọc Nền đất yếu xử lý cọc bê tông cốt thép làm thay đổi mô đun biến dạng đàn hồi nguyên thủy đất hay nói cách khác làm thay đổi cấu trúc đất tự nhiên Tuy nhiên sử dụng giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật hiệu xử lý cao, điều có ảnh hưởng hiệu ứng vòm lớp đệm cát, làm thay đổi môi trường truyền tải trọng thân tải trọng ngồi lên đất yếu Nếu khơng có ảnh hưởng hiệu ứng vòm tải trọng thân tải trọng truyền trực tiếp lên đất yếu bên dưới, gây ảnh hưởng lún lớn dẫn đến phá vỡ kết cấu bề mặt bên Dưới tác dụng hiệu ứng cung vòm, lớp cát đắp làm thay đổi phương độ lớn tải trọng thân tải trọng truyền lên đất yếu Bằng nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng lý thuyết phân bố tải trọng hay lý thuyết cung vòm giải pháp xử lý [39],[40] Cơ sở lý thuyết phát triển dựa kết phân tích Bolton (1979) hình 2.6 Hewlett Randold (1998) đánh giá tính hiệu giải pháp dựa tỷ diện tích đất yếu cọc 2.2.5 Hình 2.6 Phân tích lực tác dụng phần tử cung vòm [37] Phân tích ảnh hưởng vải địa kỹ thuật gia cường Theo Jones (1990), ứng xử vải địa kỹ thuật đầu cọc lực kéo căng gây ứng suất kéo vải tác dụng tải trọng đắp, tải trọng đắp lớn lực kéo căng vải tăng Độ võng theo phương đứng vải phụ thuộc vào cấp tải trọng trọng lượng thân khối đất đắp [31] 11 Theo Fluet (1986), lực kéo căng vải địa kỹ thuật thể hình 2.15 Hình 2.15 Cơ chế hình thành lực kéo căng vải tác dụng tải trọng ngồi [31] 2.2.6 Các thơng số đánh giá mức độ cung vòm Mức độ cung vòm cát đắp chuyển tiếp tải trọng đứng cọc tính tốn theo phương pháp giải tích dựa vào thơng số sau [35], [37], [43]: Hệ số tập trung ứng suất cọc, CSR (Concentration Stress Ratio), Hệ số giảm ứng suất đất, SRR (Stress Reduction Ratio), Hệ số tập trung ứng suất, n E (Stress Concentration Ratio) 2.3 Nhận xét chương Sự có mặt cọc xử lý gây tác dụng phân bố lại ứng suất khối đắp Ứng suất tập trung lên đầu cọc hình thành dịch chuyển không đồng đất khối đắp hình thành mặt trượt khác từ mặt nghiêng, mặt trượt đứng dạng vòm tròn theo giả thuyết khác Việc ứng dụng tính tốn thiết kế giải pháp xử lý cọc BTCT kết hợp với vải địa kỹ thuật điều kiện địa chất Việt Nam nói chung Đồng Sơng Cửu Long nói riêng nhiều khó khăn Do tính tốn theo phương pháp giải tích cần phải có giải pháp kiểm chứng kết tính tốn tránh rủi ro xấu thiết kế mức độ ảnh hưởng hệ số cung vòm phụ thuộc vào nhiều thông số khác chiều cao đắp, bề rộng cọc, khoảng cách cọc, thành phần hạt loại đất đắp, cường độ, sức căng vải địa kỹ thuật, độ lún đất yếu, độ lún cọc BTCT 12 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẮP LÊN HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 3.1 Tổng quan cấu kiện phục vụ mơ hình thực nghiệm Phần lớn thiết bị đo ứng suất sản xuất với nhiều loại vật liệu khác Hầu hết thiết bị nhập với giá cao Việc sử dụng thiết bị đo ứng suất nhập gặp nhiều khó khăn như: lắp đặt thiết bị, hiệu chỉnh ghi nhận kết đo Người sử dụng phải dùng thiết bị ghi nhận đồng với thiết bị phí cao Thực tế nay, cơng trình xây dựng, việc tính tốn kiểm tra ứng suất q trình thi cơng thường khơng kiểm chứng, điều dẫn đến kết tính tốn thi cơng chưa giống Thiết bị đo ứng suất biến dạng dựa sở lý thuyết vật liệu đàn hồi tuân theo định luật Hooke 3.2 3.2.1 Nguyên tắc xây dựng mơ hình thực nghiệm Giới thiệu Để phân tích đánh giá qui luật phân bố ứng suất lên cọc đất đất đắp có xử lý cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật, chúng tơi chọn lựa thí nghiệm với mơ hình kích cỡ thực tế Ở đây, cọc BTCT hạ vào đất phương pháp ép vật liệu đắp sử dụng vật liệu địa phương 3.2.2 Mơ hình tỷ lệ thực Khi làm mơ hình thực nghiệm tỷ lệ mơ hình cần phải nghiên cứu kỹ loại mơ hình có kích thước khác cần qui đổi hay tạo gia tốc liệu thu thập có giá trị sử dụng phù hợp 3.3 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Mơ hình thực nghiệm tỷ lệ thực 1:1 xây dựng xã Tân Thạch huyện Châu Thành tỉnh Bến Tre cách trạm thu phí cầu Rạch Miễu khoảng 20m, đất yếu phổ biến Đồng sông Cửu Long Kích thước mơ hình thể hình 3.1 hình 3.2 13 Hình 3.1 Mặt cắt mơ hình thí nghiệm đánh giá phân bố ứng suất đắp cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật 3.4 Hình 3.2 Mặt mơ hình thí nghiệm đánh giá phân bố ứng suất đắp cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật Vật liệu thực nghiệm 3.4.1 Cọc bê tông: Bảng 3.2 Những thơng số đặc trưng cọc BTCT mơ hình Kích thước cọc Vật liệu B20 Rb Rbt Eb εb Cọc bêtông (Mpa) (Mpa) (Mpa) (Mpa) (%) 20 11,5 0,9 2700 0,9 tiết diện 20x20(cm) 3.4.2 Cát thực nghiệm Bảng 3.3 Những đặc tính học cát đắp đầu cọc sử dụng mơ hình thí nghiệm 3.4.3 Dung trọng cát đắp γtn = 19kN/m3 Kích thước hạt lớn chiếm 50% hạt d50 = 0,3 ÷0,5mm Góc nội ma sát φ’ =300 K = 0,9 Mô đun đàn hồi E50 = 30.000 kN/m2 K = 0,9 Vải địa kỹ thuật Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật vải dệt Woven Geotextile mơ hình thí nghiệm Thông số kỹ thuật Loại vải Đơn vị - Woven Geo – Textile, Lot No 13-14 Kolon Global Corp PET (Polyster) Cường độ thông thường kN/m Dài/rộng 100/50 Cường độ giới hạn kN/m 110 Lực kéo lớn kN/m Dài/rộng 100/100 Biến dạng phá hoại % 10/10 14 3.4.4 Đất yếu Nền đất yếu đặc trưng đồng sơng Cửu Long cách trạm thu phí cầu Rạch Miễu khoảng 20m Thí nghiệm tiêu lý, thí nghiệm nén cố kết, thí nghiệm nén đơn, thí nghiệm 03 trục theo sơ đồ UU, CU 3.5 3.5.1 Thiết bị ghi nhận biến dạng Tổng quan Ảnh hưởng lực phân bố đắp quan sát nghiên cứu từ mơ hình thực nghiệm tỷ lệ thực 1:1 thông qua lực kéo căng vải phân bố ứng suất đắp Các thiết bị đo biến dạng ghi lại số liệu theo thời điểm đo với mức độ xác cao 3.5.2 Chế tạo thiết bị thực nghiệm Cảm biến đo biến dạng (ε) tác dụng ngoại lực tác dụng Biến dạng (ε) thay đổi kích thước hình học vật liệu Biến dạng ghi nhận hình thức kéo nén, tỷ số kích thước thay đổi kích thước ban đầu Thiết bị đo ứng suất áp lực nước lỗ rỗng chế tạo hồn thành (hình 3.9) Hình 3.1 Thiết bị đo biến dạng chế tạo hồn thành 3.5.3 Chuẩn hóa thiết bị đo biến dạng Chuẩn hóa thiết bị cách ghi nhận áp suất nước (N/m2) thu từ thiết bị đo P3 kết nối với máy tính thơng qua cấp áp lực trụ nước tương ứng với chiều cao trụ nước bảng 3.5 (với chiều cao cột trụ lớn Hc = 9,4m) 15 Hình 3.13 Biểu đồ chuẩn hóa đường áp lực thiết bị P3 lần đo Kết chuẩn hóa thiết bị cho thấy giá trị ứng suất thu thông qua thiết bị ghi nhận cảm biến P3 14 thiết bị có khuynh hướng hồi quy giá trị ứng suất theo hình 3.13 Giá trị ứng suất thu 14 thiết bị chênh lệch không xa Điều cho thấy thiết bị sử dụng đo ứng suất hoạt động tốt có sai lệch thấp Chuẩn hóa giá trị ứng suất thiết bị ghi nhận cảm biến P3 qua lần kiểm tra có khuynh hướng hồi quy theo hình 3.13 Thơng qua phương trình đường cong cho thấy số liệu đo lần kiểm tra tương đối xác khơng sai lệch 3.6 Nhận xét chương - Làm thiết bị đo ứng suất sử dụng lắp đặt vào mơ hình thí nghiệm để đo biến dạng, chuyển vị từ xác định ứng suất độ lún - Chuẩn hóa thiết bị đo ứng suất thông qua kiểm chứng thiết bị cách gia tải lên ghi nhận số liệu cách rõ ràng xác phương pháp tính giải tích Sau chuẩn hóa thiết bị cho kết sai số không đáng kể - Tất thiết bị sử dụng lắp đặt vào mơ hình thí nghiệm đo giá trị ứng suất điểm đo 16 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẮP LÊN HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 4.1 4.1.1 Đặc điểm phân bố ứng suất đắp lên cọc đất bên đất xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật Chi tiết điểm đo đặc điểm ghi nhận biến dạng từ xác định ứng suất q trình gia tải Mơ hình thí nghiệm với 16 cọc BTCT làm việc mơi trường thực tế, thí nghiệm lấy bốn cọc tâm mơ hình Bốn cọc tâm mơ hình thí nghiệm vị trí đầu đo thể hình 4.1 4.2 Hình 4.2 Mặt cắt tâm diện gia tải đặt đầu đo ứng suất Hình 4.1 Mặt vị trí đặt đầu đo ứng suất tâm mơ hình thí nghiệm Kết đo đạc ứng suất từ đầu đo trình gia tải đến tải trọng q=15kN/m2 thể hình 4.3 hình 4.4 Từ biểu đồ thấy ứng suất gia tăng liên tục trình gia tải từ từ 17 Hình 4.3 Ứng suất theo phương đứng phương ngang đầu đo tải trọng ngồi đạt 15kN/m2 Hình 4.4 Ứng suất theo phương đứng đầu đo Ps9 Ps10 tải trọng đạt 15kN/m2 4.1.2 Đặc điểm phân bố ứng suất lên cọc đất ứng với tải trọng đắp cao ảnh hưởng thời gian dao động mực nước Việc xử lý cần thiết tải trọng khối san lấp có giá trị lớn, tương ứng với trường hợp tải trọng đường đắp cao đầu cầu, đê ngăn lũ hay số trường hợp phổ biến khác khu vực Tải trọng thí nghiệm chọn lựa cho thí nghiệm trường hợp có giá trị q = 48kN/m2, tương ứng với chiều cao đắp với vật liệu địa phương (2,5 ÷ 2,52m) Hình 4.9 biểu đồ hệ số tập trung ứng suất qua 08 lần đo 18 Hình 4.9 Hệ số ứng suất đứng tác dụng lên cọc đất hai cọc 4.2 So sánh phân bố ứng suất đắp theo phương pháp giải tích phương pháp đo từ mơ hình thí nghiệm trường Ứng suất tải trọng thân đất đắp phát triển tuyến tính theo độ sâu Khi có mực nước ngầm gia tăng ứng suất phần đất ngập nước thay đổi tượng đẩy tự nhiên Khi có cung vòm xuất hiện, ứng suất tải trọng thân đất đắp thay đổi đáng kể ảnh hưởng hiệu ứng cung vòm nên phần ứng suất có khuynh hướng phân bố tập trung vào đầu cọc, điều làm cho ứng suất phân bố lên đất giảm Khi hạ mực nước ngầm, ứng suất phân bố đất yếu gia tăng đáng kể ứng suất tập trung đầu cọc giảm (hình 4.10) Hình 4.10 So sánh ứng suất theo phương đứng tính phương pháp giải tích kết đo từ mơ hình thí nghiệm Phân tích kết tính phương pháp giải tích cho cơng trình thực xây dựng đất yếu ĐBSCL với số liệu sau: Cọc có tiết diện a x a = 20cm x 20cm; 19 Khoảng cách cọc S = 1,0m; Cát đắp đầu cọc H = 1,6m, cát đắp có góc nội ma sát φ = 280, tải tác dụng phân bố q = 48kN/m2 (hình 4.11) Hình 4.11 Biểu đồ so sánh hệ số giảm ứng suất theo tác giả 4.3 Phân tích ứng suất phân bố đất yếu phương pháp phần tử hữu hạn Để phân tích đánh giá so sánh phân bố ứng suất lên cọc đất khối đắp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật mô phương pháp PTHH sở phần mềm Plaxis Kích cỡ mơ hình mơ tương tự mơ hình thí nghiệm thể hình 4.14 Thiết lập lại mơ hình sử dụng cọc bê tơng cốt thép có cấp độ bền B.20 tiết diện 200x200mm khơng mở rộng đầu khoảng cách từ tim cọc đến cọc 1,0m, sử dụng lớp vải địa kỹ thuật Mac 110 (cường độ chịu kéo Rk = 110kN/m, độ dãn dài ε = 10%) đặt đầu cọc, chiều cao cát đắp 1,6m, lớp bê tông cốt thép dày 200mm Tiến hành mô phần mềm Plaxis Hình 4.14 Sơ đồ mơ hình mơ cho 04 cọc 20 Kết phân tích ứng suất phân bố đắp điểm theo chiều cao đất đắp với khoảng cách từ tim cọc đến tim cọc S = 1,0m thể hình 4.17 Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc theo chiều cao đất đắp thể hình 4.18 Hình 4.17 Ứng suất đứng phân bố độ sâu khác 4.4 4.4.1 Hình 4.18 Hệ số tập trung ứng suất theo chiều cao đất đắp với khoảng cách cọc 1,0m Ảnh hưởng mực nước ngầm đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc Tổng quan Hiện số cơng trình thi cơng đưa vào sử dụng xuất số vấn đề lún nứt kết cấu bề mặt hạ mực nước mực nước ngầm sau thời gian tăng triều cường kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng cục Việc đánh giá ảnh hưởng phân bố ứng suất đắp hạ mực nước mực nước ngầm sau thời gian tăng triều cường kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng cục cần thiết 4.4.2 Kết đo mực nước thu trạm đo Tp Mỹ Tho Trên sở số liệu thu thập mơ hình thí nghiệm ban đầu Mơ hình thí nghiệm xây dựng tháng 4/2013 số liệu thu lần đầu vào 30/4/2013 cấp tải phân bố q = 15kN/m2 Như số liệu ghi nhận lần đo ngày 30/6/2013 số liệu ghi nhận lần đo ngày 30/11/2013 cao độ mực nước chênh lệch 63 cm 21 4.4.3 Kết đo biến dạng để xác định ứng suất từ mơ hình thực nghiệm thu lần đo mực nước sông dâng cao 63cm tải trọng phân bố q = 48kN/m2 Trong thời gian đo đạt triều cường gia tăng vào ngày 30/11/2013 mực nước triều cường tăng cao 63cm, tải trọng phân bố đạt q = 48 kN/m2 Kết ứng suất theo phương đứng đầu đo thể hình 4.19 kết ứng suất theo phương đứng đầu đo Ps9 Ps1 thể hình 4.21 Hình 4.19 Ứng suất theo phương đứng phương ngang đầu đo tải trọng ngồi đạt 48kN/m2 mực nước sơng dâng cao 63cm Hình 4.21 Ứng suất theo phương đứng đầu đo Ps9 Ps1 tải trọng đạt 48kN/m2 mực nước sông dâng cao 63cm 4.5 4.5.1 Nhận xét, kết nghiên cứu luận án Nhận xét - Các phương pháp tính ứng suất phân bố đất đắp tính tập trung ứng suất đầu cọc ứng suất lên đất yếu chưa xét đến ảnh 22 hưởng hạ mực nước mực nước ngầm sau thời gian tăng triều cường kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng cục - Các phương pháp tính ứng suất phân bố đất đắp tính tập trung ứng suất đầu cọc xem đất yếu bên làm việc đàn hồi hoàn toàn - Các phương pháp tính ứng suất phân bố đất đắp tính tập trung ứng suất đầu cọc dựa kết thu từ mô hình thí nghiệm phòng đất yếu thay than bùn 4.5.2 Kết nghiên cứu Ứng suất hữu hiệu theo phương đứng phân bố bề mặt lớp đất yếu trong đất đắp theo độ sâu chiều cao tường lớp không Càng gần đầu cọc giá trị ứng suất hữu hiệu theo phương đứng lớn giá trị ứng suất giảm dần nhỏ điểm cọc cách xa đầu cọc gần bê tông Khi ảnh hưởng mưa bão kéo dài gây ngập ứng cục bộ, ứng suất tổng tác dụng lên cọc gia tăng, ứng suất tổng tác dụng lên đất không thay đổi đáng kể Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc có giá trị lớn vừa san lấp đầm chặt ảnh hưởng trình thi cơng, sau giảm dần ổn định sau khoảng tháng kể từ thi cơng hồn thành Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật điều kiện địa chất ven sông Tiền, địa phận tỉnh Bến Tre, đạt giá trị n = [4÷10] Giá trị loại trừ ảnh hưởng q trình thi cơng, yếu tác động mưa bão gây ngập úng cơng trình ảnh hưởng nhiều đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc Trong điều kiện tính tốn móng cơng trình không chịu ảnh hưởng nhiều mưa bão gây ngập úng cơng trình 23 tính giá trị n = [6÷8] Trong điều kiện cơng trình chịu ảnh hưởng nhiều mưa bão gây ngập úng công trình ven sơng thường xun chịu ảnh hưởng triều cường tính giá trị n = [4÷6] thiên an toàn cho KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận Trên sở nghiên cứu phân bố ứng suất đắp đất yếu có xử lý cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ kết hợp với vải địa kỹ thuật cơng trình đắp cao theo phương pháp giải tích, thí nghiệm mơ hình, phần tử hữu hạn, kết luận luận án rút sau: Ứng suất hữu hiệu theo phương đứng phân bố bề mặt lớp đất yếu đất xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật không Ở gần cọc giá trị ứng suất hữu hiệu theo phương đứng khối đắp lớp vải địa kỹ thuật lớn giá trị ứng suất giảm dần nhỏ điểm cọc Kết nghiên cứu phù hợp với kết nghiên cứu có Khi ngập nước, ứng suất tổng tác dụng lên cọc gia tăng, ứng suất tổng tác dụng lên đất không thay đổi đáng kể Do đó, hệ số tập trung ứng suất n nhỏ vào mùa khô tăng cao vào mùa mưa ngập nước Kết thí nghiệm đo đạc cho thấy hệ số tập trung ứng suất có giá trị lớn vừa san lấp đầm chặt, sau giảm dần ổn định sau khoảng tháng Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) cho giải pháp xử lý đất yếu cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật điều kiện địa chất khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre, n = [4÷6] Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc theo thí nghiệm mơ hình có giá trị chênh lệch xấp xỉ 20% với kết tính theo phương pháp phần tử hữu hạn 24 Kiến nghị Từ kết nghiên cứu, số kiến nghị rút bổ sung cho tính tốn giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật sau: Do ứng suất tập trung vào cọc lớn vừa thi công đầm chặt đất Trong q trình thi cơng cần lưu ý tính tốn cọc thiên an tồn đủ khả chịu lực thời gian Khi mực nước ngầm dâng cao, áp lực lên cọc lớn cần lưu ý ảnh hưởng cột nước tính tốn khả chịu lực cọc Hướng nghiên cứu Thực thí nghiệm trường tỉ lệ thật 1:1và thí nghiệm mơ hình thu nhỏ phòng để tìm sai lệch giá trị ứng suất đầu cọc ứng suất phân bố đất yếu từ hiệu chỉnh phương pháp tính theo giải tích điều kiện địa chất đồng sơng Cửu Long Thí nghiệm mơ hình thu nhỏ phòng, đo ứng suất liên tục theo thời gian đo thời gian dài để xác định phát triển hệ số tập trung ứng suất theo thời gian so sánh phương pháp phần tử hữu hạn Nghiên cứu thay đổi hệ số tập trung ứng suất theo thời gian trường hợp mực nước ngầm ổn định mực nước sông dâng cao 25 ... 2.1.1 Giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật Giới thiệu giải pháp mục tiêu nghiên cứu sở lý thuyết phân bố ứng suất, biến dạng đất đắp đất yếu có xử lý cọc bê tông cốt thép. .. khối đất đắp 1.4.3 Áp lực đất khối đắp cọc Nền đất đắp có sử dụng vải địa kỹ thuật đất yếu không kết hợp cọc Tải trọng đất đắp truyền lên đất yếu bên thông lớp vải địa kỹ thuật tạo phân bố lại ứng. .. Luận án nghiên cứu phân bố ứng suất đắp kết hợp vải địa kỹ thuật lên hệ cọc bê tông cốt thép lên đất yếu bên Phạm vi nghiên cứu: - Chỉ nghiên cứu phân bố ứng suất phạm vi khối đắp chưa xét thay