Bài viết xem xét chủ yếu ảnh hưởng của phương pháp thi công và đường kính cọc đơn đến quá trình cố kết của đất yếu sau khi gia cố bằng cọc đá balat. Để đơn giản và thuận tiện cho việc thực hiện, đồng thời để tránh sự biến đổi tính chất tự nhiên của mẫu đất gia cố, chúng tôi làm việc trên mẫu đất được chế bị tại phòng thí nghiệm từ một loại đất sét đồng nhất với những đặc tính được xác định rõ ràng, đó là cao lanh.
MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM CỌC ĐÁ BALAT TRÊN ĐẤT YẾU TRONG PHÕNG THÍ NGHIỆM: PHƯƠNG PHÁP THAY THẾ PHAN VÕ THU PHONG* Simulation in laboratory for installation of stone columns in soft soils : substitution method Abstract - This article concerns the consolidation process of clay (kaolin) reinforced by ballast stone columns Research work is based on laboratory experiments and mainly derived from the reduced reinforcement model of rock pile The role of soil reinforcentnt with ballast pile by "substitution method" will be clairi fied at the same time taking into account of the influence of pile diameter in the implementation process on the settlement of the land after reinforcement Keywords: Reinforcement, stone column, method of construction, compaction LỜI NÓI ĐẦU * Việc áp dụng giải pháp gia cố đất yếu phổ biến rộng rãi Việt Nam, nhiên giải pháp gia cố đất yếu cọc đá balat chưa đề cập nhiều Kỹ thuật áp dụng Đức năm 1936, sau xây cải tiến sử dụng nhiều cho cơng trình xây dựng đất sét yếu nước châu Âu Mỹ Khi ứng dụng giải pháp gia cố này, đất yếu cải thiện hai yếu tố: thứ từ vật liệu gia cố chúng có tính chất tốt đất gia cố, thứ hai từ nén chặt vùng đất xung quanh cọc phương pháp chế tạo việc đầm nén vật liệu gia cố trình thi công Chủ đề nhiều nhà khoa học làm rõ phương pháp phần tử hữu hạn, tức việc xét đến nở hông cọc thực cọc gia cố dựa mơ hình ứng xử đất gia cố (Rangeard nnk, 2005; Flaviny nnk, 2006…) * Trường Đại học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh pvtphong2001@gmail.com ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 Bài báo xem xét chủ yếu ảnh hưởng phương pháp thi công đường kính cọc đơn đến q trình cố kết đất yếu sau gia cố cọc đá balat Để đơn giản thuận tiện cho việc thực hiện, đồng thời để tránh biến đổi tính chất tự nhiên mẫu đất gia cố, làm việc mẫu đất chế bị phòng thí nghiệm từ loại đất sét đồng với đặc tính xác định rõ ràng, cao lanh Những cọc cát áp dụng nghiên cứu chế bị theo phương pháp thay không đầm nén Nhiều đề tài nghiên cứu ứng xử cọc đá balat phòng thí nghiệm xét mơ hình thu nhỏ khối đất yếu cọc cát Chúng ta kể cơng trình nghiên cứu Sivakumar nnk (2004); Black nnk (2006) Ammar nnk (2009) Tuy nhiên, nhà khoa học quan tâm đến vai trò đường kính chiều sâu cọc lên hiệu việc gia cố đất mà chưa xem xét đến ảnh hưởng phương pháp thi công Trong khuôn khổ công việc này, quan tâm đến việc chế tạo cọc cho thật sát với quy trình thực thi cơng cọc đá 49 balat công trường Thật vậy, cọc cát thực phòng chế tạo từ thiết bị cho phép thực hố khoan, sau thay đất yếu vật liệu gia cố cọc cách đổ vật liệu gia cố vào hố khoan mà khơng đầm nén (do gọi phương thay khơng đầm nén) Trong q trình thực hiện, nhiều cọc cát chế tạo với đường kính hố khoan khác Sau đó, khối đất gia cố (nghĩa mẫu đất thí nghiệm có chứa cọc cát) đặt tải trọng phân bố để tiến hành cố kết nhằm đánh giá ảnh hưởng đường kính cọc gia cố phương pháp chế tạo lên ứng xử hỗn hợp đất cọc VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM Cát sử dụng cho mơ hình cát tự nhiên lấy từ sơng Loire Pháp Sau cát rây sàng rửa Để vật liệu đồng nhất, có xét đến khối lượng cát sử dụng chế tạo cọc nhỏ vật liệu đảm nhiệm vai trò màng lọc nước q trình cố kết (Degoutte nnk, 2005), sử dụng cát có thành phần hạt khoảng từ 1,00 mm đến 1,25 mm Đất sử dụng nghiên cứu cao lanh công nghiệp dạng bột khô Các giá trị giới hạn chảy wl giới hạn dẻo wp chúng xác định theo tiêu chuẩn Pháp (NF P 94-051) có giá trị 55 % 39 % Các mẫu đất nghiên cứu cố kết trước phần từ cao lanh công nghiệp trộn lẫn chúng với nước theo hàm lượng hai lần giới hạn chảy Tức cao lanh làm ẩm bảo quản bao kín khơng rò sau 24 để việc làm ẩm thật đồng Sau đó, đổ hỗn hợp cao lanh ẩm vào khn cứng hình trụ làm gang có đường kính 150 mm chiều cao 200 mm, tiếp đến đặt mẫu tác dụng lực phân bố có cường độ tăng dần đạt áp lực 50 kPa (hình 1) 50 Hình Mẫu đất nghiên cứu Mỗi cấp áp lực cần trì thời gian đủ dài độ lún mẫu ổn định (vượt qua gia đoạn cố kết thứ nhất) Trạng thái đạt cấp tải cuối (50 kPa) gọi tình trạng ban đầu mẫu đất nghiên cứu mẫu tham chiếu để tiến hành chế tạo cọc cát gia cố Dựa vào thí nghiệm cổ điển phòng thí nghiệm (thí nghiệm nén cố kết (XP P 94-090-1), thí nghiệm nén ba trục (NF P 94-074)), đặc trưng lý mẫu đất xác định Các mẫu dùng để làm thí nghiệm trích từ mẫu đất nghiên cứu ban đầu chứa khuôn dụng cụ chuyên dụng Những giá trị lý đất thể chi tiết tài liệu tham khảo [11] tóm lược bảng Bảng Đặc trƣng lý mẫu đất nghiên cứu Chỉ số Chỉ số nén nở Cc 0,5 Cs 0,1 Áp lực Lực tiền cố dính hữu kết hiệu ı’p (kPa) c' (kPa) 50 Góc ma sát hữu hiệu φ’ (độ) 21 MƠ HÌNH CHẾ TẠO CỌC ĐÁ BALAT Ở PHỊNG THÍ NGHIỆM THEO PHƢƠNG PHÁP THAY THẾ KHƠNG ĐẦM NÉN Mơ hình chế tạo cọc cát phòng thí nghiệm từ mẫu đất ban đầu chuẩn bị mục §2 nhằm để mơ điều kiện ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 áp dụng phương pháp thi công cọc đá balat ngồi thực tế Chính xác mơ lại thay đất yếu đất gia cố tốt tác dụng áp lực cố kết Dụng cụ sử dụng để chế tạo cọc cát chủ yếu bao gồm ống inox có đường kính (Φo) từ 10 mm đến 25 mm, bề dày ống 0,12 mm Các giai đoạn chế tạo cọc cát theo phương thay khơng có đầm nén thực cách sau: - Bước 1: thiết bị dẫn hướng lắp đặt cố định lên khuôn mẫu, thiết bị liên kết với đệm cứng hình vành khăn đặt lên bề mặt cao lanh thông qua bulông để giữ cố định khối đất trình chế tạo cọc cát Ống inox (đầu mở) đóng vào khối cao lanh đến sát đáy khn (hình 2a) - Bước 2: cao lanh trích lưỡi khoan có đường kính đường kính ống inox (hình 2b) - Bước 3: khối lượng cát rót vào để tạo thành lớp có chiều cao hlớp, với giả định dung trọng cát sau rơi tự ống inox 1,5 t/m3 (hình 2c) - Bước 4: pít-tơng nhơm có đường kính tương tự với mũi khoan đưa vào tiếp xúc với bề mặt lớp cát cố định giữ (hình 2d) - Bước 5: ống inox nâng lên đoạn chiều cao hlớp (hình 2e) - Bước 6: lớp cát nén nhẹ trọng lượng pít-tơng (3 N) (hình 2f) Các bước từ đến lặp lặp lại cột cát hình thành, nghĩa chiều cao cột cát với chiều cao khối đất (hình 2g) - Bước 7: bề mặt khối đất gia cố bao phủ lớp cát dày 15 mm (hình 2h) - Bước 8: cột cát đổ đầy nước bão hòa 24 trước đặt tải (hình 2i) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 Hình Quy trunh chế tạo cọc cát theo ôphng phỏp tha thê khụng m nộn Trong trng hợp này, lực đầm nén truyền lên vật liệu gia cố bé lực tác dụng lên đất xung quanh cọc bé Với mục đích phân tích ảnh hưởng đường kính cọc gia cố lên đặc tính hỗn hợp đất/cọc sau gia cố áp lực cố kết, nhiều cọc cát với đường kính khác từ 14 mm đến 28 mm thực phương pháp Việc theo dõi độ lún lớp gia cố trình chế tạo nhờ vào đồng hồ đo chuyển vị cho phép tính độ lún trung bình (htb) tồn chiều cao cọc cát (ho) Sau xét biến dạng thẳng đứng trung bình (tb) lớp gia cố lúc chế tạo cọc: 51 εtb = ăhtb / hlp (1) Kt qu tớnh toỏn c tổng hợp bảng Bảng Bảng tổng hợp độ lún biến dạng thẳng đứng trung bình lớp gia cố Mẫu I II III IV V Фo (mm) F (N) ıđn (kPa) hlớp (mm) Δhtb (mm) tb(%) 11,9 13,8 15,8 20,1 25,1 28 18,4 21 22,7 16 24,2 10 19,9 9,4 5,5 6,3 6,0 3,1 2,1 30 28 25 15 22 Chúng thấy áp lực đầm nén nhỏ độ lún trung bình lớp gia cố dao động từ 2,1 mm đến 5,5 mm biến dạng thẳng đứng trung bình thay đổi từ 22% đến 30% tỷ theo áp lực đầm nén Din bin ny c th hin trờn hỡnh ătb / Φo = (Φtb - Φo) / Φo (2) Để thấy rõ tăng tương đối cọc so với đường kính hố khoan, chúng tơi xem xét tỉ lệ thay trước sau gia cố vật liệu, tỉ lệ xác định hệ số thay thế: A (3) a c A Với : Ac diện tích cọc cát sau thi cơng ; A diện tích tồn vùng ảnh hưởng cọc diện tích cọc (trong trường hợp này, A diện tích khn) Các kết tổng hợp bảng thể hình Bảng Bảng tổng hợp đƣờng kính cọc tỉ lệ thay mẫu thí nghiệm Mẫu I II III IV V Фo (mm) 14,2 16,1 17,4 21,8 28,5 Фtb / Фo (%) 20 17 11 13 ao (%) 0,6 0,8 1,1 1,8 2,8 atb (%) 0,9 1,1 1,4 2,1 3,6 atb / ao (%) 43 37 22 17 28,4 Xét đến đường kính khn hình trụ chứa mẫu đất gia cố 150 mm, thu tỉ lệ trộn áp dụng cho phương pháp chế tạo vào khoảng % Chúng ta ghi nhận tỉ lệ nhỏ tỉ lệ trộn sử dụng ngồi thực tế (Dhouib et Blondeau, 2005) Hình Sự tiến triển biến dạng thẳng đứng trung bình theo áp lực đầm nén mẫu thí nghiệm Đối với cọc thực hiện, đường kính trung bình cọc cát (Φtb) xác định dựa vào số lượng cát đổ vào lúc chế tạo Sự tng trng ca ng kớnh cc cỏt (ătb/o) theo ỏp lực đầm nén nhỏ trọng lượng pít-tơng tính theo cơng thức: 52 Hình Sự tăng trưởng đường kính cọc tỉ lệ thay theo áp lực nén tĩnh, trọng lượng pít-tơng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 Chúng ta thấy tăng tương đối đường kính cọc cát tỉ lệ với áp lực đầm nén áp lực nhỏ, điều cho thấy làm nở hơng phần cọc cát trình chế tạo ỨNG XỬ TRONG QUÁ TRÌNH CỐ KẾT CỦA CÁC KHỐI ĐẤT ĐƢỢC GIA CỐ Để đánh giá ảnh hưởng việc gia cố đất ứng xử khối đất sét sau thực gia cố cọc cát, đặt chúng áp lực phân bố 150 kPa Áp lực phân bố trì thời gian đủ dài để giai đoạn tiền cố kết hoàn toàn kết thúc Kết cụ thể trình bày Những đường cong diễn biến độ lún thể hình Đường cong biểu diễn độ lún mẫu cao lanh không gia cố cọc cát biểu thị đồng thời hình Đường cong đường cong tham chiếu biểu thị cho đất hoàn tồn chưa xử lý Như tiên đốn, ghi nhận rằng, độ lún khối đất gia cố cọc cát nhỏ độ lún khối đất túy (đất không gia cố cọc cát) điều nhận thấy cách rõ ràng cọc có đường kính lớn 20 mm Hơn nữa, dường đường kính cọc cát ảnh hưởng quan trọng đến biên độ lún khối đất Hình Độ lún theo thời gian tác dụng tải phkn bố 150 kPa Những cọc cát chế tạo theo phương pháp thay không đầm nén ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 Để thấy cách rõ ràng ảnh hưởng việc chế tạo cọc theo phương pháp chế tạo này, xem xét tỉ lệ giảm độ lún Tr xỏc nh bng biu thc sau: (4) vi ăhkc l độ lún túy khối đất khơng có gia c (mu tham chiu), ăhcc l lỳn ca khối đất có gia cố cọc cát Tính đến hình dạng đường cong biểu diễn độ lún (hình 5), giá trị độ lún xem xét trường hợp sử dụng để tính công thức (4) độ lún đo thời điểm 105 giây Kết thể bảng hình Bảng Tỉ lệ giảm độ lún mẫu thí nghiệm Mẫu Фo (mm) Tr (%) I 14,2 II 16,1 III 17,4 IV 21,8 V 28,5 0,8 1,5 3,4 8,4 13,6 Chúng ta thấy rằng, đường kính cọc cát lớn, tỉ lệ giảm độ lún lớn giá trị đạt 13,6% ứng với tỉ lệ trộn 3,6% Mặt khác, ứng xử cọc đơn khác biệt so với ứng xử cọc nằm nhóm (Wehr, 2004) Nhất là, phân tích ứng xử nhóm cọc hunh thành từ việc gộp chồng ứng xử cọc đơn dẫn đến đánh giá thấp hiệu việc gia cố Những phương pháp tính tốn độ lún dựa tảng đơn giản đồng đặc tính biến dạng đất cọc (theo tỉ lệ diện tích) ứng với trường hợp chế tạo cọc phương pháp thay thế, đặc trưng lý đất khơng tác dụng đến phương pháp thi cơng cọc 53 Hình Sự giảm đ lún theo đường kính cọc KẾT LUẬN Nghiên cứu giải ảnh hưởng phương pháp thi công cọc đá balat dựa việc gia cố đất sét yếu Một nghiên cứu mơ hình thu nhỏ phòng thí nghiệm cho phép làm rõ vai trò phương pháp chế tạo cọc cố kết đất yếu gia cố Mặc dù việc đầm nén nhỏ biến dạng thẳng đứng cọc q trình chế tạo đạt đến 30% tương ứng với áp lực đầm nén tĩnh 28 kPa điều làm tăng đường kính cọc lên đến 20%, việc chứng tỏ đất xung quanh bị ép chặt phần chế tạo phương pháp thay không đầm nén Vai trò đường kính cọc gia cố đồng thời sáng tỏ, đường kính cọc lớn, giảm độ lún lớn giá trị đạt 13,6% ứng với hệ số thay 3,6% TÀI LIỆU TH M KHẢO and FEM Analysis », Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007, pp.405-414 Ammar A.M.S., Liu X., Lin H et Ren J., « Enlarged base stone columns to improve soft clay soil», International Conference on Transportation Engineering 2009 (ICTE 2009), 2009, pp.4240-4245 Black J., Sivakumar V., Madhav M R., and McCabe B., « An Improved Experimental Test Set-up to Study the Performance of Granular Columns », Geotechnical Testing Journal, Vol 29, N° 3, 2006, p.193-199 Degoutte G., Royet P., Aide mémoire de mécanique des sols, Réédition, Paris, 2005 [5] Dhouib A., Blondeau F., Colonnes Ballastées, Presses de l’École National des Ponts et Chaussées, Paris, 2005 [6] Phan V.T.P., Renforcement des sols compressibles par colonnes ballastées, Thèse de doctorat, Université Européenne de Bretagne - INSA de Rennes, 2010 [7] Rangeard D., Guillard R., Sadek M., « Caractérisation mécanique d’une colonne ballastée partir d’essais pressiométrique », Proc Int Symp 50 Years Pressuremeter 1, 2005, pp.637-644 [8] Sivakumar V., McKelvey D., Graham J., and Hughes D., «Triaxial tests on model sand columns in clay», Can Geotech J 41, 2004, pp 299-312 [9] Wehr J (2004) Stone columns Single columns and group behaviour Proc 5th Int Conf Ground Imp Tech., 329-340 Ambily A.P and Gandhi S.R., «Behavior of Stone Columns Based on Experimental Người phản biện: PGS.TS ĐOÀN THẾ TƯỜNG 54 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 ... PHƢƠNG PHÁP THAY THẾ KHƠNG ĐẦM NÉN Mơ hình chế tạo cọc cát phòng thí nghiệm từ mẫu đất ban đầu chuẩn bị mục §2 nhằm để mơ điều kiện ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 áp dụng phương pháp thi công cọc đá balat. .. phương pháp thay thế, đặc trưng lý đất khơng tác dụng đến phương pháp thi cơng cọc 53 Hình Sự giảm đ lún theo đường kính cọc KẾT LUẬN Nghiên cứu giải ảnh hưởng phương pháp thi công cọc đá balat. .. việc gia cố đất sét yếu Một nghiên cứu mơ hình thu nhỏ phòng thí nghiệm cho phép làm rõ vai trò phương pháp chế tạo cọc cố kết đất yếu gia cố Mặc dù việc đầm nén nhỏ biến dạng thẳng đứng cọc q trình