Bài viết trình bày việc nghiên cứu áp dụng phương pháp Priebe đối với các phương án cải tạo khác nhau (ứng với các loại cọc và đất nền khác nhau), so sánh phương pháp Priebe với các phương pháp tính toán khác, cũng như đối chiếu với số liệu đo đạc thực tế để kiểm chứng.
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP PRIEBE ĐỂ TÍNH LƯN NỀN MÓNG CỌC LOESS-XI MĂNG ĐẦM CHẶT, TRONG NỀN ĐẤT LOESS NGUYỄN CÔNG ĐỊNH* SANDA MANEA** Study to apply priebe method to estimate settlement of loess-cement compacted column foundation in loess Abstract: Several contributions have been suggested to estimate the assumed linear elastic settlement of foundations on columnar reinforced soils A number of authors have considered the so-called Priebe’s method, which has been extensively used worldwide, and they have made suggestions especially for soft clays reinforced by stone columns This paper presents step by step how (to apply the methods studies) to apply Priebe method to estimate the settlement of loess foundation improved by loess-cement compacted column in a case study Key words: cement, collapsible soils, loess, column, Priebe GIỚI THIỆU * Phƣơng pháp phổ biến (ở châu Âu) để tính tốn đất cải tạo cọc đầm (vật liệu rời, đầm chặt, đầm rung) đƣợc Heinz J Priebe phát triển đề xuất lần đầu từ năm 1976 Theo thời gian, phƣơng pháp có nhiều cải tiến, đƣợc chấp nhận sử dụng rộng rãi nhà khoa học, nhà thiết kế xây dựng (Laurentiu Floroiu, 2013) Tuy nhiên, Việt Nam phƣơng pháp chƣa đƣợc biết đến nhiều, có số viết hay cơng trình sử dụng phƣơng pháp Priebe (TCCS 66:2015/ IBST 2015; Bùi Trƣờng Sơn & Lê Hồng Quang 2016) Bài viết giới thiệu phƣơng pháp Priebe diễn giải bƣớc tính tốn áp dụng qua ví dụ cụ thể * ** Đại học Giao thông Vận tải, Hà Nội, Việt Nam Technical University of Civil Engineering, Bucharest, Romania Email: congdinh2610@gmail.com ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 Nguyên lý phƣơng pháp quy đổi đất-cọc thành đồng tƣơng đƣơng thông qua hệ số cải tạo (mức độ cải tạo cọc đất) xét yếu tố ảnh hƣởng khác Đây phƣơng pháp bán thực nghiệm – vừa có cơng thức tính tốn lý thuyết đồng thời thông số đƣợc xác định qua đồ thị thực nghiệm, qua nhiều bƣớc Các bƣớc xét đến nhiều yếu tố ảnh hƣởng phức tạp, cách tính rắc rối dễ gây nhầm lẫn, viết trình bày làm rõ chúng thơng qua ví dụ với cọc đất loess-xi măng đất loess Phiên phƣơng pháp Priebe tải địa http://www.getecac.de/downloacl/en/pdf7GT07-13E.pdf (“The Design of Vibro Replacement", H J Priebe, 1995) Để ngắn gọn, sau đây, cơng thức tính tốn lấy theo tài liệu đƣợc đánh số không ghi thêm nguồn trích dẫn Các ký hiệu (quy ước thống theo viết gốc Priebe để tiện theo dõi) 35 A: Diện tích c: lực dính kết đất df: chiều sâu đáy móng fd: hệ số yếu tố chiều sâu K: hệ số áp lực đất (K0:.~ ban đầu, Ka:.~ chủ động) n: hệ số cải tạo B: Bề rộng móng (=2R) Trong số phụ mô tả trường hợp Thông thường quy ước số phụ “C” “cọc”, “S” đất “eq”dành cho giá trị quy đổi lớp đồng tương đương với tổ hợp cọc-đất ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bài toán áp dụng đƣợc tính tốn cho móng cơng trình tháp turbin điện gió, đất loess hạt Ciocanesti, Romania Cơng trình xây dựng đất loess (đất hồng thổ), u cầu phải xử lý đất loess loại đất đặc biệt, đƣợc thành tạo gió, có độ rỗng lớn có tính lún ƣớt, lún sập Đất loess thƣờng phân bố nơng mặt, với địa tầng có lớp đất loess dày (khi biện pháp bóc bỏ khơng khả thi khơng kinh tế) giải pháp móng cọc thƣờng đƣợc áp dụng Với cơng trình tháp turbin điện gió, giải pháp móng cọc đất loess trộn với xi măng đầm chặt dƣới lớp gối thành phần đƣợc ƣu tiên áp dụng tính kinh tế (so với móng cọc bê tơng cốt thép) khả ngăn cản nƣớc thấm từ xuống Mặt cắt thiết kế xử lý đất đƣợc trình bày (Hình 1) (Romeo Ciortan & Cyril Plomteux, 2010) d: chiều sâu D: modul biến dạng p: tải trọng s:độ lún W: trọng lượng g: trọng lượng thể tích j: góc ma sát Nền đất đƣợc xử lý gối đệm chịu tải phía (đến độ sâu dgoidem=3 m) với cọc cắm sâu đến tầng đá tốt (sâu 10 m), vật liệu lớp gối đệm cọc đất loess chỗ trộn với xi măng, đƣợc đầm chặt (hàm lƣợng xi măng đƣợc thử nghiệm với giá trị 0%, 2% 4% bƣớc tính tốn lấy ví dụ với 4%, kết trình bày so sánh trƣờng hợp) Cọc trụ tròn có bán kính R = 40 cm đƣợc bố trí thành mạng lƣới ô vuông, khoảng cách tâm cọc O12=2 m Thông số vật liệu đƣợc trình bày (Bảng 1) Hình 1: Mặt cắt thiết kế thơng số hình học Bảng 1: Một số tiêu, tính chất vật liệu Nền Cọc gối đệm, đầm chặt 36 Vật liệu Trọng lƣợng thể tích (gS, gC) Loess tự nhiên Loess Loess+2% xi măng Loess+4% xi măng kN/m3 17,11 20,20 20,60 20,56 Góc ma sát (jS, jC) Độ 22,6 27,2 34,6 45 Cƣờng độ lực dính kết (cS, cC) kPa 5,4 17,2 58 117 Modul biến dạng (Ds, Dc) kPa 7551,373 18400 37000 63200 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 Móng tháp hình tròn, đƣờng kính 2R=15,4 m, chịu tải trọng phân bố tối đa 450 kPa, độ sâu móng df=1,5 m (Romeo Ciortan & Cyril Plomteux, 2010) Độ lún đƣợc dự tính theo phƣơng pháp Priebe cách tính theo cơng thức lý thuyết biểu đồ thực nghiệm TÍNH TỐN KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Xác định hệ số cải tạo (n0) Trong bƣớc tính tốn đầu tiên, tác giả đƣa hệ số cải tạo ký hiệu n0 để xác định mức độ mà cọc cải tạo tính chất học đất, so với tự nhiên ban đầu (chƣa xử lý) Theo hệ số cải tạo này, modul biến dạng (modul Young) đồng tƣơng đƣơng tăng lên, theo độ lún giảm Các bƣớc thiết theo dựa nguyên tắc (S Ellouze et al 2010) Hệ số cải tạo đƣợc xác định theo giả thuyết mơ hình cọc lý tƣởng, với điệu kiện: cọc chống lớp đất cứng, không bị phá hủy, không bị biến dạng bỏ qua trọng lƣợng thân vật liệu (Priebe, 1995) Hệ số n0 đƣợc xác định theo thơng số: tỷ lệ diện tích cọc (AC) so với đất (A) thông số địa kỹ thuật vật liệu cọc (jC) Diện tích phần tử mắt lƣới (A – gồm cọc đất xung quanh) mặt cắt cọc (AC) đƣợc xác định nhƣ sau (cọc bố trí theo mạng lƣới vng): A=O12 x O12=2 m x m=4 m2 Ac=p x R2 = p.(0,4 m)2=0,5027 m2 A/Ac=4/0,5027=7,9577 Góc ma sát vật liệu cọc (loess+4% xi măng) đƣợc xác định thí nghiệm phòng jc=45° Theo đó, xác định hệ số n0 (với hệ số Poisson = 1/3): Xác định theo công thức lý thuyết A AC / A n0 C 1 [1] A 4.K aC (1 AC / A) đó: KaC tan 45o C / ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 [2] Thay số xác định đƣợc n0=1,895 Xác định theo biểu đồ thực nghiệm Hệ số cải tạo đƣợc xác định qua biểu đồ thực nghiệm (Hình 2) Hình 2: Biểu đồ xác định hệ số cải tạo cở n0 (Priebe, 1995) Từ thông số A/Ac j, hệ số n0 đƣợc xác định theo đồ thị: n0=1,85 3.2 Hệ số xét đến độ nén cọc – n1 Hệ số xét đến ảnh hƣởng vật liệu cọc bị nén chặt để phù hợp với thực tế Xác định theo công thức lý thuyết Xét trƣờng hợp thay toàn đất yếu vật liệu cọc (Ac/A=1), thực tế hệ số cải tạo (n0) đạt đến vô nhƣ theo cơng thức lý thuyết [1], mà dễ dàng đƣợc xác định tƣơng ứng tỷ lệ modul biến dạng cọc so với đất (n0=Dc/Ds Ac/A=1) Vì hệ số tỷ lệ diện tích đƣợc hiệu chỉnh cho phù hợp, với hệ số Poisson =1/3, tỷ lệ diện tích hiệu chỉnh (Ac/A)1 đƣợc lấy theo giá trị dƣơng nhỏ theo công thức [3]: AC 4.K aC (n0 2) 2.(4.K aC 1) A 1 [3] 16.K aC (n0 1) 4.K (n 2) aC 4.K aC 4.K aC Theo đó, hệ số cải tạo n1 xét đến độ chịu nén cọc đƣợc tính theo cơng thức: AC AC / A [4] n1 1 A K aC AC / A 37 đó: AC [5] AC / A A A / AC ( A / AC ) [6] ( A / AC ) 1 ( AC / A)1 Theo cơng thức [3],[4],[5],[6], thay số tính đƣợc: (AC/A)1=0,1257; D(AC/A)=6,9577; AC / A =0,067; n1=1,45 - Lƣu ý 1: cơng thức [3] cơng thức tính nghiệm phƣơng trình bậc 2, nghiệm dƣơng nhỏ phụ thuộc vào tỷ lệ A/AC, mà không phụ thuộc vào yếu tố khác (nhƣ tính chất vật liệu đất, cọc) - Lƣu ý 2: công thức [5] có viết áp dụng trình bày khác, nhầm lẫn có phƣơng pháp tiếp cận khác (S Ellouze et al.), nhiên viết áp dụng theo công thức gốc Priebe đƣa Xác định theo biểu đồ thực nghiệm Trƣớc hết gia số D(AC/A) đƣợc xác định theo biểu đồ (Hình 3): Hình 3: Hệ số điều chỉnh xét đến tính nén vật liệu cọc (Priebe, 1995) Từ biểu đồ hình 3, tra theo DC/DS=8,369 j=45oxác định đƣợc: D(A/AC)=0,85 từ biểu đồ hình xác định đƣợc n1=1,8 (tra theo tỷ số diện tích 38 hiệu chỉnh [A/AC]’ = A/AC +D(A/AC) = 7,96 + 0,85 = 8,81) Cần lƣu ý tra bảng xác định hệ số theo đồ thị để xác định n1, cần tra theo giá trị [A/AC]’ hiệu chỉnh - tránh nhầm lẫn với giá trị A/AC ban đầu 3.3 Hệ số xét đến ảnh hƣởng chiều sâu n2 Hệ số cải tạo n0 ban đầu đƣợc xác định giả thiết bỏ qua trọng lƣợng thân cọc đất – theo giả thiết này, chênh lệch ứng suất cọc đất phụ thuộc vào phân bố tải trọng khơng đổi dọc chiều sâu cọc Tuy nhiên, thực tế, ảnh hƣởng trọng lƣợng thân vật liệu cọc đất nền, sƣ chênh lệch ứng suất giảm dần theo chiều sâu Vì vậy, yếu tố chiều sâu fd đƣợc bổ sung để hiệu chỉnh hệ số cải tạo từ n1 thành n2: n2 = fd.n1 [7] Xác định hệ số theo công thức Hệ số ảnh hƣởng chiều sâu đƣợc xác định theo công thức: [8] fd K 0C ( s d ) 1 K 0C pC p đó: pC [9] AC AC / A A pC / pS K0C sin C [10] Thay số vào công thức [7],[8],[9],[10], xác định đƣợc fd=1,209 n2=1,752 Xác định hệ số n2 theo biểu đồ Công thức xác định hệ số ảnh hƣởng chiều sâu đƣợc viết dƣới dạng: [11] fd y.( S d ) 1 p đó, hệ số ảnh hƣởng “y” đƣợc xác định theo biểu đồ (Hình 4) Qua thơng số A/Ac j, từ biểu đồ (Hình 4) xác định đƣợc hệ số y=0,84, từ tính theo cơng thức [11] xác định đƣợc fd=1,258, xác định n2 theo công thức [7] đƣợc n2=2,265 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 Hình 4: Xác định hệ số ảnh hưởng theo chiều sâu (Priebe, 1995) 3.4 Kiểm tra điều kiện tƣơng thích Vì phƣơng pháp bán thực nghiệm, q trình tính tốn thiết kế có bƣớc đƣợc đơn giản hóa xấp xỉ nên cần có thêm bƣớc kiểm tra phù hợp so với thực tế Priebe đƣa điều kiện kiểm tra riêng biệt loại đất ban đầu: đất mềm/xốp đất cứng/chặt Trong trƣờng hợp này, đất loess loại đất có độ rỗng lớn, biến dạng lớn nên xem xét theo điều kiện đất mềm, xốp: giá trị hệ số cải tạo không lớn nmax A D [12] nmax C C 1 A DS AC/A lấy theo tỷ số thực tế không theo giá trị hiệu chỉnh Thay số vào cơng thức [12] tính đƣợc nmax=1,926 So sánh: n2 tính theo cơng thứcnmax, lấy theo giá trị nmax n2đồ thị=nmax=1,926 3.5 Tính lún theo phƣơng pháp phân tầng tính tổng Các bƣớc tính lún đƣợc trình bày ví dụ với phƣơng án cọc gối đệm hỗn hợp loess trộn 4% xi măng, đầm chặt Bài tốn tính lún cho móng tròn đƣờng kính 2R=15,4 m, chịu tải trọng phân bố p=450 kPa Đáy móng sâu 1,5 m đặt lớp gối đệm dày 1,5 m Chiều sâu tính lún đến lớp đá phiến sét, Hdf = 10 m (thơng số hình học xem thêm Hình 1, giá trị tính tốn xem thêm phần Phụ lục, Bảng 3) Xác định thông số lớp đất tƣơng đƣơng: Trọng lƣợng thể tích tƣơng đƣơng (tính theo tỷ lệ diện tích mặt cắt): geq=[gS.(A-AC)+gC.AC]/A=17,54 kN/m3 Modul biến dạng, xác định theo công thức Priebe: Deqcongthuc=n2.Ds=13230,56 kPa Modul biến dạng, xác định theo đồ thị Priebe: Deqdothi=n2.Ds=14544,39 kPa Từ thông số này, xác định đƣợc độ lún (theo phƣơng pháp phân tầng tính tổng tiêu chuẩn NP 112 – 2014, xem chi tiết phần phụ lục): Độ lún tổng cộng theo công thức Priebe: scông thức =146,16 mm Độ lún tổng cộng theo biểu đồ Priebe: sđồ thị =133,91 mm 3.6 Tổng hợp kết với phƣơng án xử lý có hàm lƣợng xi măng khác Các hệ số cải tạo kết tính lún đƣợc xác định theo cách (công thức đồ thị) phƣơng pháp Priebe, ứng với phƣơng án khác hàm lƣợng xi măng đƣợc tổng hơp (Bảng 2) Bảng 2: Tổng hợp kết tính lún theo phƣơng pháp Priebe với phƣơng án xử lý khác Vật liệu cọc gối đệm Loess tự nhiên (không xử lý) Loess đầm chặt Loess+2% xi măng, đầm chặt Loess+4% xi măng, đầm chặt ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 Priebe-Theo công thức Hệ số cải tạo Tổng độ lún n0 n1 n2 s (mm) 1,00 1,00 1,00 326,02 1,34 1,17 1,18 237,54 1,51 1,25 1,44 182,68 1,90 1,45 1,75 146,16 Priebe-Theo đồ thị Hệ số cải tạo Tổng độ lún n0 n1 N2 s (mm) 1,00 1,00 1,00 326,02 1,20 1,15 1,18 237,54 1,50 1,45 1,49 177,49 1,85 1,80 1,93 133,91 39 Tƣơng quan độ lún phƣơng án đƣợc trình bày trực quan qua đồ thị (Hình 5) Hình 5: Độ lún tổng cộng tính theo Priebe với phương án xử lý khác hàm lượng % xi măng Nhận xét: Các giá trị độ lún xác định đƣợc theo công thức theo đồ thị xấp xỉ (có sai khác nhƣng không lớn) - Điều giúp đối chiếu hai cách tính để tránh sai sót q trình tính tốn, đồng thời tăng độ tin cậy kết tính tốn KẾT LUẬN Đã có nhiều viết mơ tả ứng dụng phƣơng pháp Priebe qua ví dụ cụ thể cọc đá dăm đất yếu (M Bouassida et al, 2008) Bài viết bổ sung thêm ví dụ trƣờng hợp khác, cọc đất trộn xi măng đầm chặt đất loess – dù vật liệu khác biệt nhƣng tuân thủ nguyên lý phƣơng pháp Nguyên lý phƣơng pháp Priebe quy đổi cọc – đất vốn khác biệt lớn tính chất thành đồng tƣơng đƣơng (về mặt học) – phƣơng pháp áp dụng cho nhiều trƣờng hợp cải tạo khác nhƣ cọc cát, cọc đá, cọc đất-xi măng đất yếu khác nhƣ loess, sét mềm yếu… Phƣơng pháp Priebe phƣơng pháp bán thực nghiệm gồm tính tốn theo cơng 40 thức tra hệ số theo đồ thị, bƣớc tính tốn phức tạp, đƣợc trình bày chi tiết trình bày phƣơng pháp tác giả thể “The Design of Vibro Replacement" (H J Priebe, 1995), việc có thêm ví dụ minh họa cần thiết có ý nghĩa Hơn nữa, thực tế cho thấy, áp dụng có số báo đƣa cơng thức khác nhau, khơng thống – cần có điều chỉnh để có cách diễn đạt đơn giản, xác Kết tính tốn giá trị hệ số cải tạo n0, n1, n2, nhƣ độ lún theo hai cách tính cơng thức tra đồ thị cho kết tƣơng đối sát Vì vậy, áp dụng phƣơng pháp đề xuất tính theo cách để dễ dàng đối chiếu, tránh sai sót, nhầm lẫn Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: Bài viết dừng lại mức giới thiệu phân tích, diễn giải bƣớc tính tốn áp dụng phƣơng pháp đánh giá, so sánh kết hai cách tính nội phƣơng pháp Priebe Việc đánh giá hiệu quả, độ tin cậy phƣơng pháp, có nhiều viết đƣợc áp dụng rộng rãi nƣớc nhƣng Việt Nam thơng tin hạn chế, cần đƣợc đầu tƣ nghiên cứu thêm theo hƣớng nhƣ: - Nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp Priebe phƣơng án cải tạo khác (ứng với loại cọc đất khác nhau); - So sánh phƣơng pháp Priebe với phƣơng pháp tính toán khác, nhƣ đối chiếu với số liệu đo đạc thực tế để kiểm chứng TÀI LIỆU THAM KHẢO A Zahmatkesh & A J Choobbasti (2010) "Settlement evaluation of soft clay reinforced by ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 stone columns, considering the effect of soil compaction" IJRRAS (tiếng Anh) Bùi Trƣờng Sơn, Lê Hồng Quang (2016) “Ứng dụng cọc đá để gia cố đất yếu Việt Nam” Vietnamese Society for Soil Mechanics & Geotechnical Engineering Ernest Olinic et al (2014) "Studiu geotehnic, constructia depozitului de la Ciocanesti, judetul Calarasi (partea – prima celula si instalatii auxiliare) si proiectarea, constructia si punerea in functiune a statiei de sortare si compostare si a statiei de tratare a levigatului in judetul Calarasi" Consiliul judetul Calarasi (tiếng Rumani) Heinz J Priebe (1995) "The Design of Vibro Replacement" GeTec Ingenieurgesellschaft (tiếng Anh) Laurentiu Floroiu (2013) "Parametrii geotehnici al pământului imbunătătit cu coloane din material granular" Revista Română de Geotehnică şi Fundaţii - Nr.l/ 2013 pp.37-40 (tiếng Rumani) Lê Hồng Quang (2012), “Đánh giá khả ổn định ứng dụng trụ vật liệu hạt rời để xử lý đất yếu khu vực phía nam”, Luận văn Thạc sỹ Địa Kỹ Thuật, Trƣờng ĐHBK –ĐHQG TPHCM Madhira R Madhav (2007) "Granular piles-construction, design and behaviour" J.N.T.Universit y, Hyderabad, India (tiếng Anh) M Bouassida, S Ellouze & L Hazzar (2008) "Investigating Priebe’s method for settlement estimation of foundation resting on soil reinforced by stone columns" Geotechnics of Soft Soils - Focus on Ground Improvement Karstunen & Leoni, 2009 Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-47591-4 (tiếng Anh) NP 112 - 2014 (2014) "Normativ privind proiectarea fundatiilor de suprafată" Ministerului Dezvoltării Regionale si Administraţiei Publice (tiếng Rumani) 10 Romeo Ciortan, Cyril Plomteux (2010) "Integrated Ground improvement solution for the largest wind farm project in Europe" From Research to Design in European Practice, Bratislava, Slovak Republic, June 2-4, 2010 (tiếng Anh) 11 S Ellouze, M Bouassida, L Hazzar and H Mroueh (2010) "On settlement of stone column foundation by Priebe’s method" Proceedings of the Institution of Civil Engineers Ground Improvement (tiếng Anh) 12 TCCS 66:2015/ IBST (2015) Tiêu chuẩn sở “Trụ đá đầm rung sâu – tiêu chuẩn thi công nghiệm thu” Vietnam Institute for Building Science Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN SỸ NGỌC ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 41 ... lớp đất loess dày (khi biện pháp bóc bỏ khơng khả thi khơng kinh tế) giải pháp móng cọc thƣờng đƣợc áp dụng Với cơng trình tháp turbin điện gió, giải pháp móng cọc đất loess trộn với xi măng đầm. .. – phƣơng pháp áp dụng cho nhiều trƣờng hợp cải tạo khác nhƣ cọc cát, cọc đá, cọc đất- xi măng đất yếu khác nhƣ loess, sét mềm yếu… Phƣơng pháp Priebe phƣơng pháp bán thực nghiệm gồm tính tốn theo... đƣợc đầu tƣ nghiên cứu thêm theo hƣớng nhƣ: - Nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp Priebe phƣơng án cải tạo khác (ứng với loại cọc đất khác nhau); - So sánh phƣơng pháp Priebe với phƣơng pháp tính toán