Trên cơ sở nghiên cứu các tiêu chuẩn hiện hành và thu thập số liệu thực tế thi công một số công trình nhóm tác giả đã xác định được phạm vi thay đổi của các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu giếng cát.
ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA NGHIÊN CỨU SỰ GIẢM ÁP LỰC ĐẤT ĐẮP TÁC DỤNG LÊN NỀN ĐẤT YẾU ĐƢỢC GIA CỐ BỞI CÁC GIẾNG CÁT TS PHẠM ĐỨC TIỆP, ThS CAO VĂN HÒA, KS TRẦN VĂN CƢƠNG Học Viện Kỹ thuật Quân Sự Tóm tắt: Trên sở nghiên cứu tiêu chuẩn hành thu thập số liệu thực tế thi cơng số cơng trình nhóm tác giả xác định phạm vi thay đổi tiêu lý vật liệu giếng cát Ngồi nhóm tác giả sử dụng phương pháp số để mơ hình hóa làm việc đường đắp đất yếu gia cố giếng cát để thấy rõ phân bố ứng suất giếng cát đất yếu, từ khẳng định tính hiệu giếng cát khơng rút ngắn thời gian cố kết mà tham gia phân bố tải theo chiều sâu việc thoát nước, ngược lại kết cấu giếng tơi xốp khơng đảm bảo độ thẳng đứng, dễ thay đổi hình dạng ảnh hưởng đến khả thoát nước Thường hồ sơ biện pháp thi công xử lý đất yếu giếng cát yêu cầu thể tích cát cần sử dụng gấp 1,2 đến 1,3 lần thể tích giếng cát thiết kế Từ khóa: Phương pháp phần tử hữu hạn, vùng biến dạng dẻo, lún cố kết, giếng cát V0 - thể tích cát cần sử dụng cho giếng cát, tương ứng có hệ số rỗng ban đầu ε0; Abstract: In this study, the ranges of mechanical properties of sand drains are observed based on available standards and database in literature In addition, embankment behavior on weak soils reinforced by sand drains is analyzed with numerical approach (i.e Finite Element Method) to obtain the stress fields of sand drains and soft soil Based on the results, the effectiveness of sand drain not only shorten consolidation time but also participate and distribute the load in depth Vtk - thể tích giếng cát, cát giếng làm chặt trình rút ống vách rung ống vách; Key words: Finite Element Method, plastic deformation zone, consolidation settlement, sand drains Thực tế thiết kế thoát nước bao gồm thoát nước đơn thoát nước kết hợp gia cố Đối với việc nước đơn có nhiều nghiên cứu Bài báo tác giả đánh giá tính hiệu thoát nước gia cố sử dụng giếng cát Đặt vấn đề Khi tính tốn thiết kế cơng trình đất yếu gia cố giếng cát thường sử dụng tiêu chuẩn 22TCN-262-2000 “Quy trình khảo sát thiết kế đường ô tô đắp đất yếu – tiêu chuẩn thiết kế” [1] Theo tiêu chuẩn giếng cát có vai trò thu nước để tăng nhanh q trình cố kết mà khơng có ý nghĩa nèn chặt đất xung quanh cọc cát Bản thân tiêu chuẩn TCVN 11713:2017 “Gia cố đất yếu giếng cát - Thi công nghiệm thu” [2] tập trung vào khả thoát nước nên không đề cập đến yêu cầu mặt độ chặt cát giếng yêu cầu tỷ lệ cỡ hạt hệ số thấm cát, biện pháp thi công tạo độ chặt định cho cát giếng Thực tế kết cấu giếng mà độ nèn chặt cao đảm bảo ổn định hình dạng yêu cầu đặt sơ đồ làm Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 V0=kyc.Vtk (1) đó: kyc = 1,2÷1,3 εtk - hệ số rỗng cát giếng sau thi cơng xong Căn vào cơng thức (1) ta thiết lập mối liên hệ εtk ε0 sau: tk k yc1 (2) k yc Vật liệu sử dụng làm giếng thường cát hạt trung cát hạt thô, giả sử cát ban đầu trạng thái rời có ε0=0,7÷1,0; thay vào (2) ta xác định phạm vi thay đổi hệ số rỗng cát giếng sau thi cơng xong: εtk=0,31÷0,67 Khoảng biến đổi cho thấy sau thi công xong cát giếng trạng thái chặt vừa đến chặt Căn vào khoảng biến đổi εtk bảng B.1 – Phụ lục B tiêu chuẩn TCVN 9362:2012 “Tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình” [3] ta xác định thơng số đặc trưng tính biến dạng (Ec=30000÷50000kPa) cường độ vật liệu cát (góc ma sát φc=35÷40 , lực dính cc =1÷3 kPa) 63 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bƣớc 1: Chuẩn bị mặt - Định vị giếng cát; - Dọn dẹp mặt Bƣớc 2: - Lắp đặt búa rung lên đầu ống vách, sử dụng giá dẫn hướng nâng ống vách vị trí thi cơng; - Dưới tác dụng phản lực đất, mũi ống vách đóng lại; - Đóng ống vách búa rung Bƣớc 3: - Cho cát vào ống vách qua phễu gắn chặt ống vách; - Trong trình cho cát vào, cho nước vào ống vách máy bơm, nước làm cát chặt hơn; - Sau cho cát vào ống vách xong, sử dụng búa rung để rung Cát nèn chặt tác dụng nước lực rung Bƣớc 4: - Khi ống vách đạt tới cao độ thiết kế sử dụng nhân công máy xúc cho cát vào ống vách lần 2; - Sau cho cát vào ống vách xong, sử dụng búa rung để rung Bƣớc 5: - Rút ống vách lên búa rung cát khỏi ống vách; - Cùng lúc với ống vách rút lên trọng lượng cát nước đầu ống vách mở để cát ra; - Khi rút ống vách tránh để cát đóng cục; - Khi cát chui khỏi hết ống vách, cát tiếp tục cho vào phễu Hình Trình tự thi cơng giếng cát 64 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Đối với đất yếu mơ đun biến dạng thường nhỏ (Eđy ≤5000kPa) Hệ đất yếu giếng cát làm việc đồng thời với tác dụng tải trọng thân lớp đất đắp bên tải trọng thi công phương tiện giao thông Sự chênh lệch mô đun biến dạng giếng đất yếu xuất hiện tượng tập trung ứng suất lớn đầu giếng, áp lực tác dụng lên đất yếu giảm Tuy theo 22TCN262-2000 tính tốn đất yếu gia cường giếng cát, phần áp lực gây lún đất đắp đơn giản xác định theo quy luật áp lực thủy tĩnh theo phương thẳng đứng Vì độ lún cố kết đất yếu tính lớn so với thực tế công tác tính tốn dự báo lún theo thời gian có sai khác lớn Việc mơ hình hóa làm việc cơng trình đắp đất yếu gia cố giếng cát phương pháp phần tử hữu hạn đáp ứng làm việc phù hợp mơ hình, phương pháp tiếp cận tiến hành sau: I II I D L - Phương pháp 2: thay đặc trưng lý đất yếu gia cố giếng cát đặc trưng lý lớp đất tương đương Khi giá trị đặc trưng lý lớp đất tương đương phụ thuộc vào đặc trưng lý đất yếu, vật liệu giếng cát mật độ giếng cát (khoảng cách giếng cát) Nếu mô theo phương pháp tượng tập trung ứng suất không biểu hiện, nên không thấy rõ giảm áp lực đất đắp lên đất yếu Vì để thấy rõ giảm áp lực đất đắp lên đất yếu tượng tập trung ứng suất giếng cát báo nhóm tác giả sử dụng phương pháp mô thứ để đánh giá giếng cát mặt chịu lực Đánh giá khả chịu lực độc lập giếng cát theo đặc trƣng lý Hdy H II - Phương pháp 1: mô tả độc lập đất yếu giếng cát theo giá trị đặc trưng lý riêng chúng; 0.5L 0.5L D Hình Sơ đồ mơ hình hóa hệ đắp, đất yếu giếng cát Hình Mặt hàng giếng cát (sơ đồ quy đổi tốn khơng gian toán phẳng) Bảng Đặc trưng lý vật liệu mơ hình hóa Dung trọng tự nhiên γ (kN/m ) Góc ma sát φ (độ) Lực dính C(kN/m ) Mơ đun biến dạng E (kN/m ) Mơ hình Đất đắp 20 40 50 000 Mohr - Coulomb Cát giếng 19 38 40 000 Mohr - Coulomb Đất yếu 17 14 20 4100 Mohr - Coulomb Tên lớp đất Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 65 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Để xác định mức độ giảm áp lực đắp bên Kết tính tốn thấy rõ tượng tập trung tác dụng lên đất yếu tác giả mơ hình hóa hệ đất ứng suất đầu giếng cát (hình 4) Ứng suất đắp, đất yếu giếng cát làm việc đồng thời hữu hiệu thẳng đứng tăng lên rõ rệt giếng, phần mềm Plaxis 2D (hình 2) Mơ hình xem xét miền đất yếu xung quanh ứng suất lại đại diện phạm vi giếng cát (giếng cát có giảm đi, điểm biến dạng dẻo đường kính D=0,35m khoảng cách giếng chủ yếu tập trung vào giếng cát diện tích miền L=1,20m) Các đặc trưng thơng số đầu vào biến dạng dẻo đất yếu giảm nhiều so vật liệu bảng với trường hợp khơng có giếng cát (hình 5) a Khơng có giếng cát b Có giếng cát ’ Hình Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng σz (kN/m ) a Khơng có giếng cát b Có giếng cát Hình Ứng suất cắt tỷ đối (đánh giá mức độ ổn định điểm) 66 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Khảo sát thay đổi ứng suất thẳng đứng theo thứ (đoạn cong AB) lệch khỏi quy luật áp lực thủy chiều sâu đất đắp mặt cắt I-I (mặt cắt tĩnh, phạm vi giá trị áp lực tính tốn nằm phạm vi giếng cát) mặt cắt II-II nhỏ tính tốn theo quy luật thủy tĩnh Bởi (đi qua tim giếng cát) từ kết hình cho thấy: áp lực tác dụng lên đất yếu (áp lực gây lún) - Khi khơng có giếng cát: đường thay đổi ứng bị giảm đi; + Tại mặt cắt II-II, đường thay đổi ứng suất theo suất thẳng đứng theo chiều sâu tuân theo quy luật chiều sâu chia làm phần: phần áp lực thủy tĩnh mặt cắt đoạn OA (tương tự mặt cắt I-I); phần thứ - Khi có giếng cát: (đoạn cong AC) lệch khỏi quy luật áp lực thủy tĩnh, + Tại mặt cắt I-I, đường thay đổi ứng suất theo nhiên phạm vi giá trị áp lực tính tốn chiều sâu chia làm phần với quy luật khác nhau: lớn nhiều giá trị tính tốn theo quy luật thủy phần thay đổi theo quy luật áp lực thủy tĩnh tĩnh (do tập trung ứng suất vào vùng có độ cứng (đoạn thẳng OA) – tuyến tính theo chiều sâu; phần cao hơn) ’ Hình Sự thay đổi ứng suất thẳng đứng σz đắp theo chiều sâu mặt cắt I-I tim giếng cát II-II (cốt 0.00 – vị trí bề mặt lớp đất đắp) Áp lực gây lún đất đắp tác dụng lên đất yếu đƣợc gia cƣờng giếng cát a) Ảnh hưởng mô đun biến dạng giếng cát Kết khảo sát thể qua bảng hình 7: Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 67 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bảng Khảo sát ảnh hưởng mô đun biến dạng giếng cát đến giá trị áp lực gây lún lớn Đặc trưng lý giếng cát [3] STT Đường Khoảng kính cách giếng tim D giếng L Đặc trưng lý đất yếu vùng Hải Phòng [4] Ứng suất thẳng đứng lớn bề mặt đất yếu Tính theo quy luật thủy tĩnh z σ max = γ.Hđắp Sai lệch phương pháp Eđ φđ cđ Tính theo Plaxis 2D m kPa độ kPa kPa kPa % 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 2000 2000 2000 2000 2000 8.3 8.3 8.3 8.3 8.3 8 8 -56.81 -56.50 -56.17 -55.94 -55.71 -60 -60 -60 -60 -60 5.3 5.8 6.4 6.8 7.2 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 1.55 1.55 1.55 1.55 1.55 4100 4100 4100 4100 4100 14 14 14 14 14 20 20 20 20 20 -53.22 -51.98 -50.81 -49.73 -48.92 -60 -60 -60 -60 -60 11.3 13.4 15.3 17.1 18.5 Ec φc cc kPa độ kPa m 30000 35000 40000 45000 50000 35.0 36.5 38.0 39.0 40.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 10 30000 35000 40000 45000 50000 35.0 36.5 38.0 39.0 40.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Hình Mối tương quan độ cứng giếng cát ứng suất gây lún lớn Nhận xét: - Càng tăng mô đun biến dạng giếng cát (càng nèn chặt) ứng suất thẳng đứng lớn bề mặt đất yếu giảm; - Hai trường hợp gia cố giếng cát có mơ đun biến dạng, đường kính giếng, - Đất yếu mức độ ảnh hưởng mơ đun biến dạng giếng cát đến giảm áp lực gây lún tác dụng lên đất yếu không đáng kể b) Ảnh hưởng khoảng cách giếng cát khoảng cách chiều cao đất đắp, đất tự Mức độ xa hay gần giếng cát thể nhiên yếu (mơ đun biến dạng nhỏ) áp lực qua tỷ số n=L/D Kết khảo sát thể gây lún mặt đất yếu lớn; bảng 3: 68 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 ĐỊA KỸ THUẬT - TRẮC ĐỊA Bảng Khảo sát ảnh hưởng khoảng cách giếng cát đến giá trị áp lực gây lún lớn STT Đường kính giếng D L/D m 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 10 12 Khoảng cách giếng L Khoảng cách tim giếng Đặc trưng giếng cát [3] Ec φc cc Đặc trưng đất yếu vùng Hải Phòng [4] Eđ φđ Ứng suất thẳng đứng lớn bề mặt lớp đất yếu cđ L* Tính theo quy luật thủy tĩnh Tính theo Plaxis 2D Sai lệch phương pháp σzmax = γ.Hđắp m m kPa độ kPa kPa độ kPa kPa kPa % 1.05 1.40 2.10 2.80 3.50 4.20 1.40 1.75 2.45 3.15 3.85 4.55 40000 40000 40000 40000 40000 40000 38 38 38 38 38 38 2 2 2 4100 4100 4100 4100 4100 4100 14 14 14 14 14 14 20 20 20 20 20 20 -49.12 -52.58 -56.12 -57.74 -58.59 -59.08 -60 -60 -60 -60 -60 -60 18.13 12.38 6.47 3.77 2.34 1.53 Nhận xét: - Giếng cát bố trí xa (n lớn) áp lực gây lún lên đất yếu tăng; - Nếu L>6D bỏ qua ảnh hưởng giếng cát đến giảm áp lực gây lún, nghĩa tính tốn giếng cát đóng vai trò tăng nhanh q trình cố kết Kết luận Trên sở thu thập hồ sơ thi công nghiệm thu giếng cát cho thấy cát giếng đạt độ chặt từ chặt vừa đến chặt, với mức độ nèn chặt mô đun biến dạng giếng cát lớn đất yếu cách đáng để xem xét Sự khác biệt modun biến dạng xuất hiện tượng tập trung ứng suất đầu giếng, kết làm giảm áp lực tác dụng lên đất yếu, giảm vùng ảnh hưởng lún, dẫn đến giảm độ lún cố kết Qua kết nghiên cứu nhóm tác giả xin đưa kiến nghị sau: - Khi tính tốn giếng cát tùy thuộc vào khoảng cách hay độ chặt vật liệu giếng cần xem xét - Cần nghiên cứu tiếp tương tác hiệu mơ hình làm việc đồng thời tính tốn giếng cát TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Quy trình khảo sát thiết kế đường ô tô đắp đất yếu 22TCN262-2000 [2] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11713:2017 “Gia cố đất yếu giếng cát - Thi công nghiệm thu” [3] TCVN 9362:2012 “Tiêu chuẩn thiết kế nhà cơng trình” [4] Hồng Văn Tân, Trần Đình Ngơ, Phan Xn Trường, Phạm Xn, Nguyễn Hải (1997) Những phương pháp xây dựng cơng trình đất yếu Nhà Xuất Xây dựng [5] Добров Э.М., Нгуен Ньы Бао (2017) Учет эффекта зависания насыпного грунта при «Наука и техника в дорожной отрасли», №1, 2123с [6] Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах, Минтранса России № ОС-1067-р от 03.12.2003 đồng thời yếu tố: tham gia chịu lực đất yếu Ngày nhận bài: 12/12/2018 hiệu trình cố kết cho đất yếu; Ngày nhận sửa lần cuối: 19/4/2019 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2019 устройстве гибких ростверков на слабых основаниях Жур-л 69 ... giếng cát (khoảng cách giếng cát) Nếu mô theo phương pháp tượng tập trung ứng suất không biểu hiện, nên không thấy rõ giảm áp lực đất đắp lên đất yếu Vì để thấy rõ giảm áp lực đất đắp lên đất yếu. .. kính giếng, - Đất yếu mức độ ảnh hưởng mơ đun biến dạng giếng cát đến giảm áp lực gây lún tác dụng lên đất yếu không đáng kể b) Ảnh hưởng khoảng cách giếng cát khoảng cách chiều cao đất đắp, đất. .. Sự thay đổi ứng suất thẳng đứng σz đắp theo chiều sâu mặt cắt I-I tim giếng cát II-II (cốt 0.00 – vị trí bề mặt lớp đất đắp) Áp lực gây lún đất đắp tác dụng lên đất yếu đƣợc gia cƣờng giếng cát