Bàn về phương pháp tính toán sức chịu tải và độ lún của nền đất yếu gia cố bằng cọc đất-xi măng

Bài viết phân tích, đánh giá phương pháp tính sức chịu tải và độ lún của nền đất sau gia cố bằng cọc đất-ximăng, đồng thời đề xuất cách tiếp cận khác xác định sức chịu tải và độ lún của nền sau gia cố bằng cách coi nền đất sau gia cố là một nền đất mới với thành phần, trạng thái, tính chất cơ lý mới và áp dụng lý thuyết môi trường biến dạng tuyến tính để tính toán .

386 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 58, Kỳ (2017) 386-390 Bàn phương pháp tính tốn sức chịu tải độ lún đất yếu gia cố cọc đất-xi măng Tạ Đức Thịnh Khoa Xây dựng, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Nhận 15/08/2017 Chấp nhận 18/10/2017 Đăng online 30/10/2017 Xử lý, gia cố đất yếu cọc đất-xi măng phương pháp sử dụng rộng rãi nước ta mang lại hiệu tích cực Tuy nhiên, việc tính toán sức chịu tải độ lún đất gia cố cọc đất-xi măng cách xác, đảm bảo độ tin cậy vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, thảo luận Bài báo phân tích, đánh giá phương pháp tính sức chịu tải độ lún đất sau gia cố cọc đất-xi măng, đồng thời đề xuất cách tiếp cận khác xác định sức chịu tải độ lún sau gia cố cách coi đất sau gia cố đất với thành phần, trạng thái, tính chất lý áp dụng lý thuyết mơi trường biến dạng tuyến tính để tính tốn Từ khóa: Sức chịu tải Độ lún Nền đất yếu © 2017 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Đặt vấn đề Đất yếu loại đất có thành phần, trạng thái tính chất đặc biệt, nhạy cảm với tác động tải trọng ngồi, loại đất có tính xây dựng thấp, sức kháng cắt nhỏ, tính biến dạng lớn Các loại đất yếu phân bố phổ biến nước ta, tập trung chủ yếu vùng đồng sông Hồng đồng sông Cửu Long, nơi mà hoạt động kinh tế - xây dựng người đã, diễn mạnh mẽ Đối với loại cơng trình, dù có quy mô, tải trọng nhỏ, xây dựng đất yếu cần phải có giải pháp xử lý, gia cố thích hợp Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý, gia cố đất yếu ứng dụng nước ta, đó, _ *Tác giả liên hệ E-mail: taducthinh@humg.edu.vn phương pháp cọc đất-xi măng phương pháp ứng dụng phổ biến Phương pháp cọc đất-xi măng chia thành hai loại phương pháp trộn phun khô (Dry Jet Mixing Method - DJM) phương pháp trộn phun ướt (Wet Jet Mixing Method - WJM) Phương pháp trộn phun khô sử dụng rộng rãi xử lý đất yếu phục vụ xây dựng cơng trình xây dựng dân dụng, cơng trình giao thơng (Bergado, et al., 1994) Bản chất phương pháp gia cố đất yếu cọc đất-xi măng (trộn khô) dùng thiết bị khoan phun xi măng khô vào đất sâu qua ống có lỗ phun trộn xi măng với đất phạm vi đường kính hố khoan để tạo cọc hỗn hợp đất-xi măng có cường độ lớn nhiều so với cường độ đất xung quanh cọc Nhờ cường độ cọc hỗn hợp đất-xi măng mà sức chịu tải tăng lên, độ lún cơng trình giảm Tạ Đức Thịnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(5), 386-390 Mặc dù phương pháp gia cố đất yếu cọc đất-xi măng sử dụng rộng rãi mang lại hiệu rõ rệt, nhiên, việc tính tốn sức chịu tải độ lún cơng trình sau gia cố cọc đất-xi măng đảm bảo độ xác, tin cậy hay chưa vấn đề kĩ sư địa chất cơng trình-địa kĩ thuật, kĩ sư xây dựng quan tâm sâu sắc Trong khuôn khổ báo này, chúng tơi phân tích cách xác định sức chịu tải độ lún đất yếu gia cố cọc đất-xi măng sử dụng đề xuất cách tiếp cận khác xác định sức chịu tải độ lún sau gia cố với hy vọng nhận nhiều ý kiến đóng góp nhà chuyên môn để làm sở cho nghiên cứu Tính tốn sức chịu tải đất yếu gia cố cọc đất-xi măng Xử lý, gia cố đất yếu phương pháp cọc đất-xi măng phương pháp nhằm mục đích nâng cao sức chịu tải nền, giảm độ lún cơng trình, đảm bảo cho cơng trình suốt q trình khai thác, sử dụng bền vững, ổn định cường độ biến dạng Vì vậy, việc tính tốn, dự báo sức chịu tải độ lún công trình sau gia cố có ý nghĩa quan trọng Hiện nay, sức chịu tải đất yếu gia cố cọc đất-xi măng tính theo phương pháp nhà khoa học người Thụy Điển Bengt Broms cộng sự, giới thiệu cơng trình ‘‘Gia cố đất yếu phương pháp cọc đất-vơi, đất-xi măng cốt nước chế tạo sẵn’’(Nguyễn Trấp nnk., 1985) nhà khoa học Viện Địa kỹ thuật Thái Lan (Bergado, et al., 1994), theo đó, sức chịu tải đất sau gia cố phụ thuộc vào sức chịu tải cọc đơn nhóm cọc gia cố, xác định sau: * Đối với cọc đơn : Q = Qs + Qp (1) Trong : Q: Sức chịu tải cọc gia cố đất-xi măng ; Qs : Sức chịu tải ma sát xung quanh cọc gây ; Qp : Sức kháng đầu mũi cọc Với : Qs =  CuAs (2)  : Hệ số phụ thuộc vào sức kháng cắt khơng nước đất xung quanh cọc Cu, với Cu  0,5 kG/cm2 (50 Pa)  = 0,8 - 1,0, với Cu < 0,5 kG/cm2  = 0,7 ; Cu : Sức kháng cắt khơng 387 nước đất xung quanh cọc, xác định thí nghiệm cắt cánh xuyên tĩnh, Cu = qc/15  qc/20 với qc sức kháng xuyên đầu mũi; As : Diện tích mặt bên cọc (3) Qp = CuNcAp Nc : Hệ số sức chịu tải đầu mũi cọc, phụ thuộc vào khoảng cách cọc Khi khoảng cách cọc khoảng 4-5 lần đường kính cọc d với d  30 cm, Nc = ; 30 cm < d  60 cm, Nc = d > 60 cm, Nc = 6; Ap : Diện tích đầu mũi cọc Trong trường hợp mũi cọc gia cố lớp đất có tính xây dựng cao, số nhà khoa học đề nghị tính sức chịu tải cọc theo vật liệu cọc: Q = mRnFc (4) Trong : m : Hệ số điều kiện chịu lực ; Rn : Cường độ chịu nén cọc gia cố ; Fc : Diện tích tiết diện cọc gia cố Dù tính sức chịu tải cọc theo (1) hay (4), thiết kế xử lý đất yếu, số lượng cọc đất-xi măng cần thiết để gia cố xác định biểu thức : (5) N = kPct/Q Trong : N : Số lượng cọc đất-xi măng cần gia cố ; k : Hệ số an toàn ; Pct : Tổng tải trọng cơng trình Khoảng cách cọc tính phụ thuộc vào số lượng cọc đường kính cọc Chiều dài cọc gia cố thường lấy chiều sâu vùng hoạt động nén ép cơng trình * Đối với nhóm cọc gia cố : Coi diện tích đất gồm nhóm cọc đất xung quanh cọc khối gia cố, sức chịu tải khối gia cố phụ thuộc vào ma sát khối gia cố với đất xung quanh sức chịu tải đất mặt khối gia cố, tính theo công thức : Qkhối = Qs khối + Qp khối (6) Trong đó: Qkhối : Sức chịu tải khối gia cố ; Qs khối : Sức chịu tải ma sát khối gia cố với đất xung quanh khối gia cố gây ; Qp khối : Sức chịu tải đất mặt khối gia cố với : Qs khối = CuAs khối = 2(B+L)HCu Qp khối = CuNcAp khối = (6 - 9)CuBL B, L, H chiều rộng, chiều dài chiều cao khối gia cố * Thảo luận : Theo công thức (1), tác giả tính sức 388 Tạ Đức Thịnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(5), 386-390 chịu tải cọc đơn gia cố đất-xi măng giống cọc cứng ma sát, nghĩa sức chịu tải cọc (Q) tổng sức kháng ma sát xung quanh cọc (Qs) sức kháng đầu mũi cọc (Qp) Trong công thức này, sức kháng ma sát xung quanh cọc sức kháng đầu mũi cọc phụ thuộc vào sức kháng cắt khơng nước đất xung quanh cọc mũi cọc (Cu), không phụ thuộc vào cường độ thân vật liệu cọc Tuy nhiên, gia cố đất yếu cọc đất-xi măng, cường độ vật liệu cọc tăng lên (phụ thuộc vào hàm lượng xi măng đưa vào cọc), cường độ đất xung quanh cọc khơng thay đổi (do khơng có tác dụng nén chặt học) Do sức kháng cắt đất xung quanh cọc gia cố không cải thiện nên ma sát xung quanh cọc sức kháng đầu mũi cọc không đáng kể, chưa kế nhiều trường hợp đất yếu, xuất ma sát âm làm giảm sức chịu tải cọc Khi đó, để nâng cao sức chịu tải cọc, giải pháp thường tăng đường kính chiều dài cọc để tăng diện tích mặt bên cọc mũi cọc, dẫn đến tốn kinh tế Theo công thức (4), sức chịu tải cọc hoàn toàn phụ thuộc vào vật liệu cọc, tức phụ thuộc vào hàm lượng xi măng đưa vào cọc Lượng xi măng lớn, sức chịu tải cọc cao Tuy nhiên, tính tốn theo cơng thức phù hợp trường trường hợp mũi cọc lớp đất có tính xây dựng tốt, trường hợp mũi cọc lớp đất có tính xây dựng khơng hợp lý Tương tự, tính tốn sức chịu tải nhóm cọc gia cố, sức chịu tải ma sát khối gia cố đất xung quanh khối không lớn đất xung quanh khối không cải thiện, sức chịu tải nhóm cọc gia cố sức chịu tải đất mặt khối gia cố định Trong trường hợp đất khối gia cố đất tốt, có sức kháng cắt lớn cơng thức tính sức chịu tải nhóm cọc gia cố hợp lý, đất khối gia cố đất yếu, có sức kháng cắt nhỏ tính sức chịu tải chưa phù hợp Như là, tính sức chịu tải gia cố cọc đất - xi măng theo công thức (1), (4), (6) nêu phù hợp trường hợp mũi cọc lớp đất tốt, trường hợp mũi cọc lớp đất yếu cần phải xem xét lại Tính tốn độ lún gia cố cọc đất - xi măng Theo Bengt Brome cộng sự, độ lún đất gia cố cọc đất-xi măng tính theo phương pháp biến dạng với giả thiết coi cọc đất xung quanh cọc đơn khối quy ước biến dạng dọc trục cọc gia cố tương ứng với độ lún đất xung quanh cọc Khi biến dạng dọc trục cọc gia cố tương ứng với độ lún đất xung quanh cọc phân bố tải trọng phụ thuộc vào độ cứng tương đối vật liệu cọc Chừng ứng suất dọc trục nhỏ độ bền giới hạn cọc ứng suất dọc trục cọc phụ thuộc vào môđun nén vật liệu cọc môđun nén đất xung quanh cọc (Nguyễn Trấp nnk, 1985, Bergado, D T., Chai, J C., Alfaro, M C., Balasubramaniam, A S., 1994) Ứng suất dọc trục cọc tính theo cơng thức : c = Pc  = Md Ac ac  (1  ac) M (5) Trong đó: c : Ứng suất dọc trục cọc; Pc : Tổng tải trọng tác dụng lên cọc gia cố ; Ac : Diện tích tiết diện cọc gia cố ;  : Ứng suất trung bình đáy móng ; ac: Tỷ diện tích thay thế; Md: Mơđun nén đất xung quanh cọc, thường lấy 150Cu, với Cu sức kháng cắt khơng nước đất xung quanh cọc, xác định thí nghiệm cắt cánh xun tĩnh; Mc: Mơđun nén vật liệu cọc, lấy (50-100)Ccọc với Ccọc lực dính vật liệu cọc Độ lún đất xác định tổng độ lún khối đất gia cố chiều sâu H độ lún đất khối gia cố (Hình 1) Độ lún khối gia cố xác định theo công thức:  H S= H= (6) M a c M c  (1  a c ) M d Độ lún đất khối gia cố xác định theo phương pháp thơng thường có kể đến hệ số giảm thiểu độ lún tỷ số độ lún khối đất gia cố độ lún khối đất chưa gia cố c * Thảo luận: Theo phương pháp Bengt Brome cộng sự, độ lún sau gia cố tổng độ lún khối đất gia cố độ lún đất khối gia cố Khi tính độ lún khối đất gia cố, tác giả giả thiết biến dạng (độ lún) cọc gia Tạ Đức Thịnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(5), 386-390 389 Hình Sơ đồ minh họa tính độ lún đất yếu gia cố cọc đất-xi măng cố tương ứng với độ lún đất xung quanh cọc chứng ứng suất dọc trục nhỏ độ bền giới hạn cọc ứng suất dọc trục cọc phụ thuộc vào môđun nén vật liệu cọc môđun nén đất xung quanh cọc Điều cần tiếp tục nghiên cứu xem xét lại, vì, với hàm lượng xi măng lớn đưa vào cọc (thường chiếm 20-25% tổng khối lượng vật liệu cọc), sau đông cứng, cường độ cọc gia cố lớn nhiều so với cường độ đất xung quanh cọc, đó, biến dạng cọc gia cố nhỏ nhiều biến dạng đất xung quanh cọc Hơn nữa, ứng suất dọc trục cọc chủ yếu phụ thuộc vào mơđun nén vật liệu cọc mà phụ thuộc vào môđun nén đất xung quanh cọc Và vậy, coi khối đất gia cố có độ lún tát điểm khác Mặt khác, theo cách tính sức chịu tải cọc đất-xi măng trên, dù tính theo cơng thức (1) hay (4) tải trọng cơng trình tồn cọc tiếp nhận vậy, độ lún khối gia cố chủ yếu phụ thuộc vào độ lún (biến dạng) cọc Do cọc đất-xi măng có hàm lượng xi măng cao nên môđun nén cọc lớn, biến dạng cọc nhỏ Vì vậy, độ lún thân khối đất gia cố không đáng kể, độ lún cơng trình độ lún đất mũi cọc định Nếu đất mũi cọc loại đất tốt độ lún cơng trình khơng lớn mũi cọc đất yếu độ lún cơng trình lớn Đề xuất cách tiếp cận khác tính tốn sức chịu tải độ lún gia cố cọc đất-xi măng Theo phân tích trên, tính sức chịu tải độ lún gia cố cọc đất - xi măng nhiều bất cập, cần phải có nhiều cơng trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm làm sáng tỏ vai trò mang tải cọc, đất xung quanh cọc, nghĩa xem cọc đồng thời làm việc Tuy nhiên, vấn đề đơn giản quan niệm đất yếu gia cố cọc đất-xi măng mới, có thành phần, trạng thái tính chất lý vậy, hồn tồn tính sức chịu tải độ lún gia cố đất tự nhiên Sức chịu tải hàm số phụ thuộc vào sức kháng cắt khối lượng thể tích đất Vì vậy, tính sức chịu tải đất gia cố theo phương pháp thông thường có giá trị sức kháng cắt khối lượng thể tích đặc trưng chung cho gia cố (gồm cọc đất xung quanh cọc) Vấn đề phải xác định hàm lượng xi măng hợp lý hỗn hợp cọc đấtxi măng cho khác biệt lớn cọc đất-xi măng đất xung quanh cọc để coi đất sau gia cố biến dạng tuyến tính, đồng nhất, đẳng hướng áp dụng phương pháp hành để tính tốn Độ lún cơng trình, dù tính phương pháp phụ thuộc vào áp lực gây lún (), đặc trưng biến dạng đất (hệ số nén lún a, hệ số rỗng e, mô đun tổng biến dạng E ) chiều sâu ảnh hưởng cơng trình (H), nghĩa là, độ lún cơng trình hàm số biến số , E H, tức S = f(, E, H) (Tạ Đức Thịnh, 2001) Nếu không xác định áp lực gây lún, đặc trưng biến dạng đất chiều sâu ảnh hưởng cơng trình khơng thể tính độ lún cơng trình Áp lực gây lún cơng trình 390 Tạ Đức Thịnh/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 58(5), 386-390 tính tốn đơn giản, chiều sâu vùng hoạt động nén ép không phức tạp Vấn đề xác định đặc trưng biến dạng nào? Nếu coi đất sau gia cố đất dù đất mũi cọc gia cố có tính xây dựng tốt hay khơng tốt, việc tính độ lún cơng trình nhau, phụ thuộc vào môđun tổng biến dạng đất sau gia cố chiều sâu ảnh hưởng thực tế cơng trình (Tạ Đức Thịnh nnk., 2009) Như vậy, ta thay môđun nén đất xung quanh cọc gia cố môđun nén vật liệu cọc môđun tổng biến dạng (E) đất sau gia cố Trị số môđun tổng biến dạng đất sau gia cố (E) xác định thí nghiệm bàn nén trường với đường kính bàn nén lớn khoảng cách cọc gia cố Khi đó, độ lún cơng trình xác định theo phương pháp cộng lún lớp phương pháp thông thường khác phù hợp mũi cọc lớp đất có tính xây dựng tốt, mũi cọc lớp đất yếu cần có nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để làm sáng tỏ vấn đề - Có thể coi đất yếu sau gia cố cọc đất-xi măng mới, có thành phần, trạng thái, tính chất lý tính tốn sức chịu tải, độ lún cơng trình đất tự nhiên Trị số môđun tổng biến dạng đất sau gia cố xác định thí nghiệm bàn nén trường Các trị số sức kháng cắt, khối lượng thể tích đất sau gia cố cần tiếp tục nghiên cứu để lựa chọn cho phù hợp Kết luận kiến nghị Nguyễn Trấp, Nguyễn Mạnh Dân, Nguyễn Hồng Sinh, Phạm Quy Hảo, Nguyễn Anh Dũng, 1985 Gia cố đất yếu phương pháp cọc đất-vơi, đất-xi măng cốt nước chế tạo sẵn Chương trình ứng dụng tiến KHKT 2603-03-07 Viện Khoa học Kỹ thuật Xây dựng Từ phân tích nêu rút số kết luận kiến nghị sau: - Cọc đất-xi măng có ưu điểm tạo cọc hỗn hợp đất-xi măng có cường độ cao mong muốn Tuy nhiên, hạn chế phương pháp sau gia cố, cường độ phần đất phạm vi đường kính cọc nâng cao phần đất xung quanh cọc khơng cải thiện, tính chất lý đất xung quanh cọc không thay đổi, sức chịu tải độ lún cơng trình chủ yếu cọc gia cố định - Phương pháp tinh toán sức chịu tải độ lún sau gia cố cọc đất-xi măng Tài liệu tham khảo Bergado, D T., Chai, J C., Alfaro, M C., Balasubramaniam, A S., 1996 Những biện pháp kỹ thuật cải tạo đất yếu xây dựng Nhà xuất Giáo dục Tạ Đức Thịnh, Nguyễn Huy Phương, Nguyễn Hồng, Nguyễn Văn Phóng, 2009 Nền móng cơng trình Nhà xuất Xây dựng Tạ Đức Thịnh, 2001 Nghiên cứu xử lý, gia cố đất yếu cọc cát - xi măng - vôi Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất ABSTRACT Discussion on the method of calculating the bearing capacity and settlement of ground improvement using soil-cement columns Thinh Duc Ta Faculty of Civil Engineering, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Improvement of soft soil using soil-cement columns has been widely and efficiently used in Vietnam However, calculating the bearing capacity and settlement of composite ground accurately and reliably is still a controversial issue This paper presents, evaluates the methods of calculating the bearing capacity and settlement of the stabilized soil, and proposes a different method as well  ... cho nghiên cứu Tính tốn sức chịu tải đất yếu gia cố cọc đất- xi măng Xử lý, gia cố đất yếu phương pháp cọc đất- xi măng phương pháp nhằm mục đích nâng cao sức chịu tải nền, giảm độ lún cơng trình,... cọc khơng cải thiện, tính chất lý đất xung quanh cọc khơng thay đổi, sức chịu tải độ lún cơng trình chủ yếu cọc gia cố định - Phương pháp tinh toán sức chịu tải độ lún sau gia cố cọc đất- xi măng. .. sức chịu tải nhóm cọc gia cố sức chịu tải đất mặt khối gia cố định Trong trường hợp đất khối gia cố đất tốt, có sức kháng cắt lớn cơng thức tính sức chịu tải nhóm cọc gia cố hợp lý, đất khối gia