Phương pháp tính toán độ lún cố kết sơ cấp của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất-xi măng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỮU THIỆN PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘ LÚN CỐ KẾT SƠ CẤP CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT - XI MĂNG Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số: 60580211 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH - Tháng 01 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Bá Vinh Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Tô Văn Lân Cán chấm nhận xét 2: TS Đỗ Thanh Hải Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 05 tháng 01 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Bùi Trường Son PGS TS Tô Văn Lận PGS TS Dương Hồng Thẩm TS Nguyễn Cảnh Tuấn TS ĐỖ Thanh Hải Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khỉ luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS TS Bùi Trường Sơn PGS TS Nguyễn Minh Tâm CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN HỮU THIỆN MSHV: 1570052 Ngày, tháng, năm sinh: 07/11/1991 Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 60580211 I TÊN ĐỀ TÀI Phương pháp tính tốn độ lún cố kết sơ cấp đất yếu gia cố trụ đất - xi măng II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Hiệu ứng vòm đất đắp ảnh hưởng đến phân phối ứng suất tác dụng lên trụ đất - xi măng đất yếu xung quanh trụ Lựa chọn mô-đun đàn hồi trụ đất - xi măng từ kết thí nghiệm nén nở hơng thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn Sự phân bố tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư đất yếu gia cố trụ đất - xi măng Đề xuất phương pháp tính tốn độ lún cố kết sơ cấp đất yếu gia cố trụ đất - xi măng III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016 V HỌ VÀ TÊN CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: PGS TS Lê Bá Vinh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO Tp HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2016 TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS TS Lê Bá Vinh PGS TS Lê Bá Vinh PGS TS Nguyễn Minh Tâm LỜI CẢM ƠN Đe hoàn thành luận văn thạc sĩ này, nổ lực khơng ngừng thân có giúp đỡ chân thành từ quý thầy cô, bậc đàn anh trước, đồng nghiệp bạn Trước tiên, tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Lê Bá Vinh, người thầy gợi mở ý tưởng đề tài tận tình hướng dẫn suốt khoảng thời gian từ ngày luận văn hoàn thành Xin gởi lời tri ân đến thầy cô Bộ mơn Địa Nền móng, thầy cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng giảng dạy nhiệt tình chu đáo từ tác giả sinh viên đại học đến học viên cao học Ngoài ra, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến anh Phạm Thanh Thái, Phó Giám đốc Phân viện Khoa học cơng nghệ Xây dựng miền Nam, trợ giúp số liệu thí nghiệm trụ đất - xi măng Lời cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn thiêng liêng Ba Mẹ ủng hộ cạnh bên suốt thời gian qua Xin cám ơn tất bạn, Ban Giám đốc đồng nghiệp Công ty TNHH Structerre Việt Nam tạo điều kiện cho suốt thời gian học tập vừa qua Tp Hồ Chi Minh, ngày 07 tháng 11 năm 2016 Học viên Trần Hữu Thiện TĨM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài: “PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ LÚN CỐ KẾT SƠ CẤP CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT - XI MĂNG” Tóm tắt: Gia cố đất yếu trụ đất - xi măng phương pháp phổ biến Luận văn tập trung vào việc đề xuất phương pháp tính tốn độ lún cố kết sơ cấp đất yếu gia cố trụ đất - xi măng Ngoài ra, xem xét đến vấn đề liên quan hiệu ứng vòm, mơ-đun đàn hồi trụ đất - xi măng, tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư gia cố Một loạt phương pháp sử dụng như: phương pháp giải tích, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp thí nghiệm thực hành, quan trắc thực tế Các kết thu sau: • hiệu ứng vòm, tỷ số giảm ứng suất giảm tăng mô-đun đất đắp, mô- đun đàn hồi trụ đất - xi măng tỷ diện tích thay Khi tăng chiều cao đất đắp, tỷ số giảm ứng suất giảm chiều cao đất đắp nhỏ tăng dần chiều cao đất đắp vượt qua giá trị ngưỡng Ngồi ra, tỷ số giảm ứng suất trường hợp trụ chống có giá trị nhỏ trường hợp trụ treo • mơ-đun đàn hồi trụ, mô-đun đàn hồi thực tế trụ từ thí nghiệm nén tĩnh (E*CO1 ) theo phân tích ngược từ PLAXIS lớn mơ-đun đàn hồi từ thí nghiệm nén nở hơng mẫu khoan (Ecol ,(i) có mối quan hệ E*col - mEcol 5ữ, luận văn này, tìm m = (17 4- 23) • ứng xử cố kết phương pháp đề xuất, độ lún giảm tốc độ cố kết gia cố tăng lên độ cứng tăng cường trụ đất - xi măng Khi tính tốn độ cố kết, đất gia cố đơn giản xem lớp đồng với hệ số cố kết đứng tương đương đó, độ cố kết tính theo lý thuyết cố kết chiều cố kết xảy chủ yếu theo phương đứng Dưới điều kiện làm việc bình thường, trụ đất - xi măng khơng hoạt động thiết bị thoát nước Sự chênh lệch hệ số thấm trụ đất xung quanh trụ bỏ qua tính tốn ảnh hưởng khơng đáng kể Thơng qua kiểm chứng, phương pháp đề xuất sử dụng cơng cụ tính tốn thiết kế SUMMARY OF THESIS Title: “A METHOD FOR CALCULATING PRIMARY CONSOLIDATION SETTLEMENT OF SOIL - CEMENT COLUMN IMPROVED SOFT GROUND” Abstract: Improving soft ground with soil-cement columns is a popular method The thesis focuses on proposing a method for calculating primary consolidation settlement of soil - cement column improved soft ground Moreover, some regarding problems are considered such as arching effect, elastic modulus of soil-cement column, and dissipation of excess pore water pressure in the improved ground Some approaches are applied such as analytical method, finite element method, practical experimental method, and actual monitoring method Several results are derived as follows: • For arching effect, stress reduction ratio decreases with an increase of modulus of embankment, of elastic modulus of soil-cement column, and of area replacement ratio With raising height of embankment fill, stress reduction ratio decreases with the small height and tends to rise when the height is more than its yield value Furthermore, value of stress reduction ratio in penetrating fully column case is larger than one in floating column case • On elastic modulus of soil-cement column, column elastic modulus from back analysis of results of static compression test with PLAXIS program [E*CO1 ) is more than the elastic modulus from results of unconfined compression test for drill samples [Ecol 50) with relationship E*ol = mEcol 50, in this thesis, it was found that m = (17-23) • For consolidation behaviour and the proposed method, settlement decreases and consolidation rate of the improved ground increases due to ground stiffness enhanced by soil-cement columns When calculating consolidation degree, the ground can be seen simply as a homogeneous single layer with the equivalent coefficient of vertical consolidation and the degree of consolidation can be calculated with one-dimensional consolidation theory because the consolidation occurs mainly in the vertical direction Under normally working conditions, the soil-cement column does not work as a drain The effect of the difference of coefficients of permeability between the column and the surrounding soft soil is not significant With verifications, the proposed method can be used as an effective tool in calculating and design work LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Học viên Trần Hữu Thiện MỤC LỤC 1.1 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG DANH MỤC HÌNH ẢNH 10 Hình 4.20 So sánh đường cong lún theo thời gian DANH MỤC BẢNG BIỂU 78 Hình 4.14 So sánh áp lực nước lỗ rỗng thặng dư với thời gian áp lực đứng 40 kPa khoảng cách hướng tâm 10 cm Hình 4.12 thể mối quan hệ áp lực đứng thời gian cho hỗn hợp với as = 1/6 qu = 1200 kPa (đường kính trụ Dcoi = 50 mm c = 40%) Tải áp theo bước tải, cấp tải áp lên trình cố kết cấp tải trước kết thúc Do tải họng tức thời, nên to áp dụng lời giải Zhu and Yin [10] cho phân tích cố kết Kết tính tốn độ lún tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư so sánh với kết đo, thể Hình 4.13 Hình 4.14 Hai đường cong lún có tương đồng tốt Đường cong tiêu tán tính tốn có xu hướng nằm so với kết đo được, điều tiêu tán áp từ tính tốn diễn nhanh hơn, Tuy nhiên, chênh lệch chúng chấp nhận Có thể lý giải hỗn hợp xem lớp đồng với hệ số cố kết tương đương hệ số có tính tốn lớn so với hệ số cố kết đất xung quanh trụ Tóm lại, phương pháp đề xuất cho ước đoán tốt so với kết thí nghiệm 4.4.1.2 Thí nghiêm mơ hình phòng với trụ treo Để tiếp tục khảo sát ứng xử cố kết đất yếu gia cố trụ đất - xi măng, bốn thí nghiệm mơ hình phòng từ báo Chai cộng [3] khảo sát Kết tính tốn phương pháp đề xuất kiểm chứng với hồ sơ đo đạc a) Mô tả thí nghiêm mơ hình Mơ hình có đường kính 0.45 m chiều cao 0.9 m Bày trí thí nghiệm thể Hình 4.15 Mẩu đất sử dụng đất sét Ariake - Nhật Bản chế bị với giới hạn lỏng khoảng 108% giới hạn dẻo 59% Xi măng dùng US10, xi măng tiêu biểu cho cải tạo đất Nhật Bản Vải địa không dệt với bề dày khoảng mm dùng vật liệu thoát nước đáy mặt đất mơ hình Vải địa chế tạo từ polypropylene khối lượng riêng khoảng 130 g/m2 Để thúc đẩy trình cố kết việc chế tạo đất mơ hình, bấc thấm loại nhỏ (mini- PVD) lắp vào đất mơ hình Bấc thấm gấp thành lớp cho mặt cắt ngang 30 mm X mm Quy trình thí nghiệm sau: drainage gccitCHtile piczorr geotextile 45 Hl Hình 4.15 Bày trí thí nghiêm mơ hình [3] • Chế tạo đất mơ hĩnh Đầu tiên, lớp vải địa đặt đáy mơ lớp nước Một lớp mỏng mỡ bôi ươn quét lên mặt ttong thành mơ hình để giảm ma sát Sau đó, đất sét Ariake chế bị với độ ẩm khoảng 120% cho vào mơ hình theo lớp Các piezometer lắp vị trí 0.2 m, 0.4 m 0.55 m từ đáy lên Khi chiều dày đất sét lên đến 0.78 m, bấc thấm nhỏ đặt (được ấn vào cần thép không gỉ) vào tâm mơ hình, lớp vải địa đặt ưên mơ hình Hệ thống gia tải đó, Hình 4.15, lắp đặt, áp lực 40 kPa áp vào Xét ảnh hưởng thân trụ (shaft) lên piston, áp lực cố kết khoảng 38 kPa Q trình cố kết diễn điều kiện thoát nước hai chiều Trong suốt trình cố kết, độ lún mặt ttên đất mơ hình áp lực nước lỗ rỗng theo dõi • Lẳp đặt trụ đất - xỉ măng Sau mức độ cố kết sơ cấp đạt khoảng 90%, thí nghiệm dừng lại hệ thống gia tải tháo bấc thấm nhỏ rút Điều có nghĩa trước dỡ tải, ứng suất hữu hiệu khoảng 34 kPa, ảnh hưởng ma sát thành mơ hình đất bỏ qua Lấy góc ma sát 2°, áp lực đất tĩnh theo phương ngang (Ko) 0.5, ma sát làm giảm ứng suất cố kết đứng trung bình khoảng kPa Vì thế, ứng suất đứng hữu hiệu trung bình khoảng 32 kPa ước tính sử dụng để tính tốn độ lún Ở đất mơ hình, lỗ với đường kính 150 đến 246 mm tạo gầu đến độ sâu thiết kế trước Lỗ nhỏ để lại sau rút bấc thấm nhỏ lấp lại đất sét Đất đào lên trộn với xi măng (16.6% theo dung trọng khô) cho vào trở lại lỗ để tạo thành trụ đất - xi măng Để việc ưộn dễ dàng, độ ẩm đất đào lên điều chỉnh đến khoảng 120% Nhằm tránh bọt khí mắc kẹt trụ, đất làm dùi chặt kỹ theo lớp cần thép Sau đó, mơ hình để lại tuần để bảo dưỡng trụ trước thí nghiệm cố kết • Thí nghiệm cố kết Ba lớp vải địa đặt lên đất mơ hình, hệ thống gia tải lắp vào trở lại Áp lực 100 kPa (áp suất cố kết 95 kPa) áp lên Trong suốt thí nghiệm, độ lún đất mơ hình áp lực nước lỗ rỗng thặng dư theo dõi Các trường hợp khảo sát liệt kê Bảng 4.5 Từ trường hợp đến trường hợp để khảo sát ảnh hưởng bs trường hợp khảo sát ảnh hưởng as Bảng 4.5 Các trường hợp khảo sát Trường hợp as (%) bs (%) 11 50 11 70 11 80 30 50 b) Bàn luận Bảng 4.6 Các thơng số phục vụ tính tốn độ cố kết Thời gian (ngày) Thời gian (ngày) mVỊ Trường hưp Ắ m V2 kvl — kv2 H1 IỈ2 Cv, egu (X10-4 m2/kN) (X10-4 m2/kN) (X10-4 m/ngày) (m) (m) (X104 m2/ ngày) 1.30 31.10 1.02 0.375 0.375 90.4 1.30 31.10 1.02 0.525 0.225 167.0 1.30 31.10 1.02 0.592 0.148 248.1 0.49 31.10 1.02 0.360 0.360 Hình 4.16 So sánh đường lún theo thời gian 103.4 eo 0.331 2.383 trường hợp thí nghiệm mơ hình Như giải thích trước đó, thời điểm kết thúc cố kết giai đoạn đầu (chế tạo đất mơ hình), ứng suất đứng hữu hiệu đất mơ hình ước tính khoảng 32 kPa Sau tác dụng áp lực 95 kPa, lượng gia tăng khoảng 63 kPa Nếu xét ảnh hưởng ma sát, mức độ gia tăng áp lực cố kết ước tính 61 kPa sử dụng để tính tốn độ lún ổn định Dựa kết thí nghiêm nén nở hông với mẫu chế tạo tương tự làm trụ, mô-đun Young trụ ước tính khoảng 6xl0 kPa, tỷ số Poisson giả thiết 0.2 Xét đến trình lắp trụ, giả sử khơng có xáo trộn xảy Đối với hệ số thấm trụ (fee), sử dụng kết thí nghiệm nén cố kết, ke khoảng 3.65x10^ m/ngày [3] Các thơng số tính tốn liệt kê Bảng 4.6 Kết tính tốn so sánh với đo đạc Hình 4.16 Kết tính tốn tốt Bên cạnh đó, chất lượng xung quanh mũi trụ, điều kiểm chứng khảo sát đánh giá [3]; đó, độ lún cố kết ổn định tính tốn trường hợp nhỏ so với đo đạc Ngồi ra, từ kết từ tính tốn thí nghiêm, tăng giá trị as bs, mức độ cố kết tăng độ lún giảm Lý gia tăng hệ số kết đứng tương đương độ cứng tăng cường 4.4.2 Áp dụng cho mơ hình thực nghiêm trường Các trường hợp thử nghiệm mô tả Chai cộng [8], Vị trí kích thước mặt trường hợp thể Hình 4.17 cấu tạo thơng số địa chất ba trường hợp khảo sát Hình 4.18 Chiều dày lớp đất yếu khoảng cách từ mực nước ngầm đến mặt đất trường hợp 1, 2, 9.0 m, 8.0 m, 10.6 m 1.1 m, 0.7 m, 0.9 m (xem Bảng 4.7) Mặt cắt ngang trường hợp thể ừong Hình 4.19 thời gian thi công số thông số thiết kế cho Bảng 4.8 Quan ttắc thực tế cho thấy lún diễn bên lớp đất yếu trường hợp Do phương pháp đề xuất xét đến độ lún lớp đất yếu, nên độ lún chênh lệch (As) điểm S-l S-2 sử dụng để so sánh với giá trị tính tốn Hình 4.20 Giá trị mơ-đun Young trụ đất - xi măng dùng để tính tốnlà E = 70 000 kPa tỷ số Poisson 0.2 Dưới tải trọng đất đắp, gia tăng ứng suất tổng tính tốn theo phương pháp Osterberg [11], Các thơng số để tính tốn độ cố kết (U(t)') tóm tắt Bảng 4.9 Caw-3 Gaes1 Hình 4.17 Vị trí kích thước mặt trường hợp [8] Bảng 4.7 Các thông số đất để tính lún trường hợp 1, [8] Trường Độ sâu mực nước hợp ngầm 1.1 0.7 Thông số đất Ằ eo ỵt (kN/m3) 2.4 4.4 0.20 1.94 1.53 15.46 16.39 1.9 (1.94)* 1.9(1.89) 6.4 0.52 1.82 15.75 1.4(1.38) 8.4 1.4 0.23 0.21 1.84 1.97 15.75 15.26 1.4(1.06) 2.5 (2.55) 3.4 5.4 0.19 0.18 1.95 1.63 15.44 16.10 2.5 (2.66) 1.5(1.38) Độ sâu 0.18 OCR 0.9 7.4 2.4 0.26 0.20 1.83 1.20 15.75 15.68 1.5(1.60) 2.0(1.29) 5.2 0.17 1.53 16.43 2.0 (2.50) 6.4 8.4 0.23 1.80 0.26 0.27 1.62 1.52 15.71 16.34 1.6(1.63) 1.6(1.10) 16.66 1.6 (2.37) 10.4 Bảng 4.8 Các thông số thiết kế hình học trường hợp [3] Các trường họp 19 19 19 Cường độ nén nở hông thiết kế trụ, qu (kPa) 700 700 400 Hàm lượng xi măng trộn với đất trụ (kg/m 3) 140 100 130 6.5 5.5 ữs (%) 21.7 30 bs (%) 76 85 47 Dung trọng đất đắp, yt (kN/m3) Chiều dài trụ (m) Chiều dày sàn (m) 0.5 2.5 - Cường độ nén nở hông thiết kế sàn, qu (kPa) 300 300 - Hàm lượng xi măng trộn với đất sàn (kg/m 3) 80 80 - Thời gian thi công (ngày) 96 90 124 8.3 10 Chiều cao đất đắp cuối (m) Bảng 4.9 Các thông số phục vụ tính tốn độ cố kết Trường họp /Z(m) 8.50 6.50 10.60 H1 (m) 6.50 5.50 5.50 ìh (m) 2.00 1.00 5.10 as (%) 21.8 9.0 30.0 bs (%) 76.5 84.6 47.2 e0 1.53 1.95 0.67 0.200 0.198 0.210 0.272 0.227 0.542 4789 1697 2.668 2.022 1.844 351 305 610 2.668 2.022 1.844 1727 1200 941 Độ lún cố kết ổn Lớp H1 định tính tốn (m) CV1 (xl O’4 m2/ngày) -4 kvi (xl m/ngày) Lớp Ih cv2 (xl O’4 m2/ngày) kv2 (xl 0-4 m/ngày) Cả hệ Cv, equ (xio-4 m2/ngày) 4730 ủran aan ■dalnlaiSir-’ u ô