Nghiên cứu xác định sức chịu tải của nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng áp dụng cho công trình cầu đường

Bài viết phân tích những tồn tại khi xác định cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng, từ đó nghiên cứu xây dựng mô hình bài toán xác định sức chịu tải của nền đất gia cố bằng trụ đất xi măng. Để nắm nội dung mời các bạn cùng tham khảo.

31 Tạp chí GTVT 7/2014 KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Nghiên cứu xác định sức chịu tải đất gia cố trụ đất xi măng áp dụng cho cơng trình cầu đường ThS PHẠM VĂN HUỲNH Trường Đại học Cơng nghệ Giao thơng vận tải Tóm tắt: Sử dụng trụ đất xi măng xử lý đất yếu làm móng cho cơng trình xây dựng ngày phổ biến Quan điểm tính chưa làm rõ sở lý thuyết ứng suất giới hạn nên thường giả định miền phá hoại để xây dựng công thức xác định sức chịu tải Bài báo phân tích tồn xác định cường độ giới hạn đất gia cố trụ đất xi măng, từ nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn xác định sức chịu tải đất gia cố trụ đất xi măng Abstract: Using soil cement column to stabilize soft soil or making the foundationof constructions become more popular However, the currently caculating viewpointsis not clarify the theoretical basis of limited stress so that a assumption of failure zoneis proposed to build formular for determining the load capacity This paper analyzesthe shortcomings in calculating the limited strength of soil stabilized with cementcolumn, since then building a mathematic model to identify the bearing capacity ofsoil stabilized with cement soil column Đặt vấn đề Sức chịu tải tiêu kỹ thuật đặc biệt quan trọng để đánh giá khả chịu lực đất xử lý Để xác định sức chịu tải đất gia cố trụ đất xi măng, tùy theo loại đất cần xử lý, tính chất tải trọng, loại vật liệu xử lý, cơng nghệ… Tính toán thường áp dụng cho giải pháp gia cố cụ thể, phân tích sở lý thuyết giới hạn hạn chế nên khó áp dụng cho trường hợp gia cố tương tự Nội dung báo phân tích tính tốn sức chịu tải đất gia cố trụ mềm nửa cứng Khi xem đất yếu trụ vật liệu chịu nén, khả chịu uốn gia cố không đồng theo chiều ngang (hệ – trụ), theo điều kiện bổ sung ổn định đất - cực tiểu ứng suất tiếp lớn (viết tắt τmax) [1], áp dụng phương pháp phân tích giới hạn điều kiện cân giới hạn, tác giả xây dựng phương trình điều kiện ràng buộc toán Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải lập trình phần mềm Matlab xác định sức chịu tải hệ – trụ Bài toán xác định sức chịu tải đất gia cố trụ đất xi măng Theo tính tốn số nước châu Âu, điển hình Thụy Điển, Phần Lan: Đầu tiên áp dụng cho trụ vôi, sau bổ sung mở rộng cho trụ đất xi măng xử lý đất yếu đất sét, bùn sét [2, 4] Tải trọng giới hạn xác định dựa vào độ bền kháng cắt đất yếu quanh trụ vật liệu trụ, đồng thời quan sát thí nghiệm với hình thức gia cố sau Gia cố trụ đơn: + Khi đất bị phá hoại theo mặt trượt lớp đất yếu bao xung quanh trụ phá hoại lớp đất yếu chân trụ, tải trọng giới hạn giả định sau: (1) Trong đó: Dc, Lc – Tương ứng đường kính, chiều dài trụ; Cus – Độ bền cắt khơng nước đất sét yếu xung quanh trụ + Khi vật liệu trụ bị phá hoại nở hông xuất khe nứt dọc thân trụ, tải trọng giới hạn ( ) xác định từ giả định trụ bị phá hoại vùng bị động, với giả thiết góc ma sát trụ góc ma sát đất yếu 30o: (2) Trong đó: Ac, Cc, σn – Lần lượt diện tích tiết diện trụ, lực dính trụ áp lực ngang tổng cộng tác dụng lên trụ mặt cắt giới hạn; σp – Áp lực tổng lớp phủ bên Gia cố nhóm trụ: Xem trụ mềm nửa cứng (có trị số độ bền cắt khơng nước khơng vượt 150 kPa) Quy đổi đơn nguyên - trụ có kích thước sxs (trong s – Khoảng cách tim trụ) Xác định độ bền kháng cắt hệ - trụ (Cu) theo tỷ diện tích A (3) a = c: c s2 Trong đó: ac - Tỷ diện tích trụ (Ac) thay đơn nguyên hệ – trụ tính tốn (sxs); Cc – Độ bền cắt khơng nước trụ Từ độ bền cắt quan sát, có: Trường hợp một: Phá hoại toàn khối – trụ (tương tự phá hoại đất yếu xung quanh trụ đơn), xác định tải trọng giới hạn sau: (4) Trong đó: B, L - Chiều rộng, chiều dài tương ứng khối - trụ Trường hợp hai: Phá hoại theo dạng mặt trượt cung tròn rìa khối, đặc biệt trụ bố trí thưa, khả chịu tải phá hoại rìa cục bộ: (5) Trong đó: b, l - Chiều rộng, chiều dài vùng chịu tải cục tương ứng; Ctb – Độ bền cắt trung bình dọc theo bề mặt phá hoại giả định, tính tính Cu (cơng thức 3) tính theo điều kiện ổn định mái dốc 32 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Theo tiêu chuẩn thành phố Thượng Hải – Trung Quốc (DBJ08-40-94) [5] Tải trọng cho phép tốn gia cố trụ đơn nhóm trụ xác định dựa vào thực nghiệm Trường hợp khác áp dụng công thức bán thực nghiệm + Tải trọng cho phép toán trụ đơn (Pcf ), xác định theo điều kiện ma sát thành bên điều kiện chịu lực mũi trụ đất tự nhiên trụ: (6) Trong đó: Fc- Diện tích mặt cắt cọc (m2); Upchu vi cọc (m); qsi- Lực ma sát cho phép lớp đất thử i xung quanh cọc Đối với đất bùn lấy 5-8 kPa; đất lẫn bùn lấy 8-12 kPa; đất sét lấy 12-15 kPa; li- Chiều dày lớp đất thứ i xung quanh cọc (m); qm - Lực chịu tải (kPa) đất móng thiên nhiên mũi cọc; - Hệ số triết giảm lực chịu tải đất móng thiên nhiên mũi cọc, lấy 0,4-0,6 + Tải trọng cho phép tốn nhóm trụ (Pcs), xác định từ tải trọng cho phép trụ đất yếu xung quanh trụ theo tỷ lệ diện tích ac – Khi coi trụ mềm (nửa cứng) quy đổi theo đơn nguyên – trụ trường hợp nước châu Âu: (7) Trong đó: Ps - Tải trọng cho phép đất móng thiên nhiên trụ (kPa); β - Hệ số triết giảm lực chịu tải đất trụ Khi đất mũi trụ đất yếu, lấy 0,5 -1; đất mũi trụ đất cứng, lấy 0,1-0,4 Theo TCVN 9403 – 2012 - gia cố đất yếu trụ đất xi măng [7] Tiêu chuẩn dựa theo dẫn thiết kế Thụy Điển, Nhật Bản Trung Quốc cho độ bền kháng cắt xác định thí nghiệm nén ngang xác định theo công thức (3), sức chịu tải trụ đơn xác định theo thí nghiệm nén tĩnh trụ đơn [8] độ lún trụ đạt 10%Dc, nhóm trụ áp dụng thí nghiệm chất tải thật Tóm lại: xem trụ đất xi măng trụ mềm nửa cứng, quan điểm tính tải trọng giới hạn Trung Quốc mở rộng tính tốn theo dẫn châu Âu hệ số áp dụng Về cách tính xây dựng theo cơng thức kinh nghiệm, thực nghiệm chưa rõ theo lý thuyết tính tải trọng giới hạn nên khó áp dụng cho toán tương tự Phần tiếp theo, tác giả xây dựng toán xác định sức chịu tải hệ – trụ Xây dựng toán xác định sức chịu tải đất gia cố trụ đất xi măng 3.1 Bài toán theo τmax xác định trạng thái ứng suất đất Điều kiện cân tĩnh học phân tố ứng suất đất mơi trường (bài tốn phẳng): (8) Trong đó: σ x , σ z , t xz - Ứng suất pháp theo chiều x, chiều z ứng suất tiếp tương ứng phân tố; gtrọng lượng thể tích đất Bổ sung điều kiện ổn định đất theo τmax: (9) Trong đó: t max - Thế biến dạng ứng G suất tiếp lớn gây ra; V – Thể tích khối đất nền, giới hạn miền lấy tích phân; G – Độ cứng hay mô đun trượt đất Năm 1773 nhà khoa học Pháp Coulomb sử dụng tương tự khối đất trượt để xác định ứng suất tiếp giới hạn (τgh) – gọi luật Coulomb: (10) Trong đó: c – Lực dính đơn vị đất; φ – Góc nội ma sát đất Dưới tác dụng tải trọng gây ứng suất tiếp mặt cắt qua tâm phân tố đất, tải trọng tăng lên đến lúc phân tố đất trạng thái giới hạn tượng ổn định giải thích đất có ứng suất tiếp điểm ứng suất giới hạn cơng thức (10) (11) Trong đó: f(k) – Giá trị bền Mohr - Coulomb; f(k)