Nội dung của bài viết muốn nói về cơ sở lý thuyết của việc tính toán xử lý nền đất yếu bằng cọc đất gia cố xi măng (CDM – Cement Deep Mixing) giữa tiêu chuẩn hiện tại của Việt Nam và một số nước trên thế giới.
Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 88 SO SÁNH LÝ THUYẾT TÍNH TỐN XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG (CDM) GIỮA TIÊU CHUẨN CỦA VIỆT NAM VÀ MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI ThS Đặng Quốc Việt Khoa Cầu đường, trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt: Nội dung báo muốn nói sở lý thuyết việc tính tốn xử lý đất yếu cọc đất gia cố xi măng (CDM – Cement Deep Mixing) tiêu chuẩn Việt Nam số nước giới Abstract: This paper compares about the theory of methods improve Soft-Ground under embankment between Vietnamese Design Standard and the others Mở đầu: Hiện với phát triển kinh tế đất nước nhu cầu phát triển sở hạ tầng giao thông lớn cấp thiết Do việc phải xây dựng tuyến đường vùng đất yếu đòi hỏi thời gian thi cơng nhanh chóng, độ lún ổn định đường phải kiểm soát chặt chẽ Chúng ta thường sử dụng giải pháp công nghệ thông dụng đệm cát, bấc thấm, giếng cát, cọc cát, vải địa kỹ thuật Nhưng với giải pháp thường khó kiểm sốt biến dạng lún ổn định cơng trình, thời gian thi cơng kéo dài chi phí cao sàn giảm tải cọc bê tông cốt thép Trước đòi hỏi đó, cơng nghệ CDM bắt đầu áp dụng vào Việt Nam cách rộng rãi từ năm 2000 áp dụng cho nhiều dự án lớn để xử lý đất yếu cơng trình Đường Liên Cảng Cái Mép – Thị Vải, Cảng SITV, Đường cao tốc Long Thành – Dầu Giây Nhưng đến năm 2006 có tiêu chuẩn Việt Nam đề cập đến cơng nghệ CDM này, Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 385:2006, “Gia cố đất yếu trụ đất xi măng” Tuy nhiên Tiêu chuẩn số tồn đọng chưa rõ ràng việc tính tốn so với Tiêu chuẩn nước ngồi Vì thực tế tính tốn xử lý đất yếu cơng nghệ CDM thường vay mượn tiêu chuẩn nước để làm rõ vấn đề Trong giới hạn báo, tác giả đề cập đến việc tính tốn xử lý đất yếu công nghệ CDM Tiêu chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn nước để làm bật lên vấn đề Phương pháp tính tốn theo cơng nghệ CDM 2.1 Phương pháp tính tốn theo tiêu chuẩn Châu Âu (design guide soft soil stabilistation CT97-0301) a Cách xác định khoảng cách cọc đất xi măng Khoảng cách cọc phải tính tốn cho bước cọc lớn để đáp ứng nhu cầu kinh tế, đồng thời đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Giới hạn tối đa cho khoảng cách cọc bố trí theo lưới vng xác định theo cơng thức sau: s Qp f fs h f q q Trong đó: (1) Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 Qp - khả chịu tải cho phép cọc ffs - hệ số tải trọng đất đắp, xét trạng thái giới hạn cường độ, ffs = 1,3 ÷ 1,5 fp - hệ số tải trọng hoạt tải, xét trạng thái giới hạn cường độ, fp = 1,3 ÷ 1,5 q - hoạt tải phân bố bề mặt đất đắp h - chiều cao đất đắp γ – trọng lượng trung bình đất đắp b Kiểm tra theo vật liệu cọc Tải trọng tác dụng lên cọc: qtt Acol (2) Q Esoil a (1 a ) Ecol Sức chịu tải cọc đất - xi măng sau: Qcoc = Acol (3,5Cucol + 3σn) (3) Trong đó: Acol - diện tích tiết diện ngang cọc đất - xi măng σn = σp + 5Cusoil - áp lực ngang tổng cộng tác dụng lên cọc đất - xi măng Cucol , Cusoil – sức kháng cắt cọc đất σ p = q tt + γđn L col - ứng suất phân bố đáy khối gia cố cọc đất - xi măng FS Qcol 2 Q (4) q tt - hoạt tải tải trọng đất đắp a - tỷ diện thay cọc đất gia cố xi măng Esoil, Ecol - mô đun biến dạng đất cọc đất trộn xi măng c Kiểm tra theo đất 89 Kiểm tra theo điều kiện đất thực theo phương pháp hệ số vượt tải với điều kiện: FS Qcol 2 Pac (5) Sức chịu tải cọc đất theo điều kiện đất nền: Qcol = (π*D*Lc + 2,25* π *D2)Su (6) Trong đó: FS - hệ số an tồn D - đường kính cọc Lc - chiều dài cọc Su - sức kháng cắt khơng nước đất Pac - tải trọng tính tốn cọc đơn bao gồm hoạt tải d Kiểm tra sức chịu tải nhóm cọc đơn Kiểm tra theo điều kiện đất nhóm cọc thực theo phương pháp hệ số vượt tải với điều kiện: FS Qgroup Pgroup 1,2 (7) Sức chịu tải nhóm cọc tính theo cơng thức Broms & Boman (1978), Bergado (1996): Qgroup = 2Su*Lc(B + L) + (6÷9) Su*B*L (8) Tải trọng tính tốn: Pgroup = (Pgl + Pht)B*L (9) Trong đó: B - bề rộng nhóm cọc L - chiều dài nhóm cọc Su - sức kháng cắt khơng nước đất Hệ số lấy móng hình chữ nhật có L>>B (móng băng) e Độ lún khối thân cọc Độ lún tổng cộng cơng trình đặt đất gia cường cột đất xi măng gồm hai thành phần độ lún cục Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 khối đất gia cố (Δh1) độ lún đất khơng ổn định nằm khối (Δh2) Tính độ lún cục khối đất gia cố (Δh1): Độ tăng tải trọng q gây cơng trình, phần truyền lên cọc (q1) phần truyền cho đất xung quanh (q2) o r c Hình 2-1 Phân chia tải trọng tác dụng lên cọc đất Độ lún tải trọng q1 gây ra: S1 h.q1 a.Ecol (10) Độ lún tải trọng q2 gây ra: S2 h.q (1 a ).M soil (11) Độ lún cục phần cọc xi măng đất Δh1 xác định theo giả thiết độ tăng tải trọng q không đổi suốt chiều cao khối tải trọng khối không giảm, lúc cọc đất có độ lún: h1 S1 S h.q a.Ecol (1 a).M soil (12) Trong đó: a - tỷ diện thay cọc đất gia cố xi măng Ecol: mô đun đàn hồi cọc đất xi măng Msoil: mô đun biến dạng đất xung quanh cọc Δh – chiều dày lớp địa chất f Độ lún đất mũi cọc Độ lún Δh đất chưa gia cố mũi cọc tính theo nguyên lý 90 cộng lún lớp phân tố (quy móng khối quy ước) ' hi i p vo' v' i C lg C lg r c i vo' 'p i 1 e0 n h2 (13) Trong đó: hi - bề dày lớp đất tính lún thứ i e0i - hệ số rỗng lớp đất i trạng thái tự nhiên ban đầu Cri - số nén lún hồi phục ứng với trình dỡ tải Cci - số nén lún hay độ dốc đoạn đường cong nén lún σ’v0 - ứng suất nén thẳng đứng trọng lượng thân lớp đất tự nhiên nằm lớp i Δσ'v - gia tăng ứng suất thẳng đứng σ'p - ứng suất tiền cố kết 2.2 Phương pháp tính tốn theo quy trình Nhật Bản (Guideline for Design and Quality Control of Soil Improvement for Buildings - Deep and Shallow Cement Mixing Methods, 2004) a Sức chịu tải cọc đất xi măng theo vật liệu Khả chịu tải cọc đất xi măng tính tốn theo cơng thức sau: (14) P P A Pa Trong đó: P - Tải trọng đất đắp cọc đỡ (kN) ΔP - Tổng tải trọng phân bố đắp (kN/m 2) A - Diện tích đất cọc đỡ (m2) A = x2 (15) x - khoảng cách cọc (tính từ tim cọc) Pa: Lực nén lớn mà cọc chịu (kN) Pa=qu.Ap (16) qu-Cường độ chịu nén cọc (kN/m2) Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 Ap - Diện tích tiết diện cọc (m ) b Sức chịu tải cọc đất xi măng theo đất Ru R pu L. di hi (17) Trong đó: Ru -Sức chịu tải cực hạn cọc gia cố Rup - Sức chịu tải mũi cực hạn cọc gia cố τdi - Ma sát thành bên cực hạn cọc gia cố hi - Chiều dày phân tố L - Chu vi cọc gia cố Sức chịu tải mũi cực hạn cọc gia cố phụ thuộc vào loại đất: - Với đất rời: (18) Rup 75.N A p - Với đất dính: 91 S1 - độ lún phần đất gia cố S2 - độ lún lớp đất yếu chưa gia cố mũi cọc Độ lún S1 S1 S n (23) n lần đường kính cọc c – lực dính đất Ap - Diện tích tiết diện cọc Ma sát thành bên cực hạn cọc tính theo cơng thức sau: - Đối với đất rời: di 10.N (20) - Đối với đất dính: di c di qu (21) Trong đó: qu - sức kháng cắt cọc N - trị số SPT độ sâu xét c Tính độ lún đất gia cố Độ lún tổng (S) gia cố xác định tổng độ lún thân khối gia cố độ lún đất khối gia cố: S = S1 + S2 (22) Trong đó: Ecol E soil (25) Sn - độ lún cuối lớp đất thứ n ( tón tính lún đất chưa gia cố) C w w (2 1) Sn c Hn.log (26) 1e0 p Cc - số nén lớp đất thứ n e0 - hệ số rỗng ban đầu lớp đất Trong đó: N - trị số SPT trung bình (24) Trong đó: Ap - tỷ diện tích đất thay n - tỷ số mô đun, (19) Rup 6.c A p 1 a p (n 1) thứ n hn - chiều dày lớp đất thứ n w1, w2 - tải trọng đất đắp P - ứng suất cố kết lớp đất thứ n, p = max(pc, σ2) σ1, σ2 - ứng suất có hiệu tải trọng gây Độ lún S2 Xem khối đất gia cố cọc đất xi măng phía móng khối quy ước, độ lún S2 đất yếu phía khối gia cố tính theo phương pháp phân tầng cộng lún lớp phân tố 2.3 Phương pháp tính tốn theo quy trình Trung Quốc (DBJ08-40-94) a Sức chịu tải khối gia cố -Sức chịu tải cho phép cọc đất xi măng Khả chịu tải cho phép cọc đất trộn xi măng xác định theo thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn trường, Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 nhiên ước tính theo cơng thức sau lấy giá trị nhỏ Pa f cu A p (27) Hoặc Pa U p q si li A p q p (28) Trong đó: fcu - cường độ chịu nén mẫu thử đất gia cố xi măng phòng thí nghiệm 90 ngày tuổi điều kiện bảo dưỡng tiêu chuẩn Ap - diện tích mặt cắt ngang cọc η - hệ số chiết giảm cường độ thân cọc, lấy 0,3 ÷ 0,4 Up - chu vi cọc đất gia cố qsi - lực ma sát lớp đất xung quanh cọc li - chiều dày lớp đất thứ i α - hệ số chiết giảm khả chị tải đất mũi cọc, lấy 0,4 ÷ 0,6 qp - khả chịu tải đất mũi cọc - Sức chịu tải cho phép khối đất gia cố Khả chịu tải cho phép khối đất gia cố xác định theo thí nghiệm nén hỗn hợp trường, nhiên ước tính theo công thức sau lấy giá trị nhỏ Fsp m.Pa (1 m) f s Ap (29) Trong đó: m - tỷ diện thay cọc đất gia cố xi măng fs - khả chịu tải cho phép đất cọc β - hệ số chiết giảm khả chị tải đất mũi cọc, lấy 0,4 ÷ 0,6 b Độ lún đất gia cố 92 Độ lún đất gia cố tính tốn bao gồm độ lún khối thân cọc đất xi măng tổng độ lún lớp đất yếu không gia cố mũi cọc - Độ lún khối thân cọc đất xi măng S1 p0 p0 z l 2.E sp (30) Trong đó: Po - áp lực trung bình đỉnh cọc Poz - áp lực mũi cọc Esp - Mô đun co nén thân cọc Esp = m.Ep + (1-m).Es (31) Ep: mô đun co nén cọc đất xi măng Ep = (100-120) fcu (32) fcu - sức kháng cắt cọc đất xi măng m - tỷ diện thay cọc đất gia cố xi măng Es - mô đun co nén đất xung quanh cọc - Độ lún đất mũi cọc Độ lún S2 đất chưa gia cố mũi cọc tính theo nguyên lý cộng lún lớp 2.4 Phương pháp tính tốn theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCXDVN 385:2006) Độ lún tổng (S) gia cố xác định tổng độ lún thân khối gia cố độ lún đất khối gia cố: S = S1 + S2 (33) Trong đó: S1 - độ lún thân khối gia cố S2 - độ lún đất chưa gia cố, mũi cọc - Độ lún thân khối gia cố S1 tính theo cơng thức: qH qH (34) S1 Etb aEc (1 a)Es Trong đó: q - tải trọng cơng trình truyền lên khối gia cố (kN); Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 H - chiều sâu khối gia cố (m); a - tỷ số diện tích, a = (nAc / BL), ntổng số cọc, Ac - diện tích tiết diện cọc, B, L - kích thước khối gia cố; Ec- Mô đun đàn hồi vật liệu cọc; Có thể lấy Ec = (50100) Cc Với Cc sức kháng cắt vật liệu cọc Es - Mô đun biến dạng đất cọc (có thể lấy theo cơng thức thực nghiệm Es = 250Cu, với Cu sức kháng cắt không thoát nước đất nền) - Độ lún đất chưa gia cố S2 mũi cọc: tính theo nguyên lý cộng lún lớp Phạm vi vùng ảnh hưởng lún đến chiều sâu mà áp lực gây lún không vượt 10% áp lực đất tự nhiên 2.5 Nhận xét Quan điểm tính tốn độ lún giải pháp cọc đất gia cố xi măng nhìn chung tương tự nhau, cụ thể độ lún chia làm hai phần: khối gia cố đất phía khối gia cố - Độ lún phần gia cố (cọc đất) quan điểm tính tốn dựa mơ đun đàn hồi tương đương khối gia cố - Độ lún đất phía khối gia cố: tính theo phương pháp phân tầng cộng lún 93 Kết luận Hiện có TCXDVN 385-2006 “Gia cố đất yếu trụ đất xi măng” dùng cho công tác thiết kế cọc đất gia cố xi măng, nhiên tiêu chuẩn có số điểm cần làm rõ: - Tiêu chuẩn đưa cách tính tốn biến dạng đất gia cố, chưa thể cách tính tốn sức chịu tải cọc theo vật liệu theo đất - Có thể tham khảo thêm cơng thức xác định khoảng cọc tiêu chuẩn nước ngồi để hồn thiện bước tính tốn đường theo biến dạng - Chưa đề cập đến cường độ chịu kéo mẫu đất gia cố xi măng để có sở cho thiết kế cọc đất gia cố xi măng chịu tải ngang - Chưa đề cập đến tính tốn xử lý lực chọc thủng lớp kết cấu áo đường bên gây nứt biến dạng khơng đưa cơng trình vào khai thác cọc đất gia cố xi măng khơng biến dạng cố kết mà có đất xung quanh cọc mũi cọc đất gia cố xi măng có biến dạng Do giới hạn báo nên số phần nội dung trình bày báo sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam 385: 2006 “Gia cố đất yếu trụ đất xi măng” [2] National Institute for Land and Infrastructures Management, Architecture Research Institute, Japan 2000 “Guideline for design and quality control of soil improvement for building – Deep mixing cement” National Institute for Land and Infrastructures Management, Architecture Research Institute [3] CDIT, Japan 2002 “The deep mixing method – rinciples, design and construction” A A Balkema Publisher Lisse [4] Quy phạm kỹ thuật xử lý móng – Tiêu chuẩn thành phố Thượng Hải DBJ08- 40 – 94 [5] Tiêu chuẩn Châu Âu EU 2003 “Deep Mixing” TC 288 WI 011- CEN, TC 288 - EU [6] Quy trình Châu Âu EU 1997 “Design Guide Soft Soil Stabilisation” CT97-0351- EU ... m - tỷ diện thay cọc đất gia cố xi măng fs - khả chịu tải cho phép đất cọc β - hệ số chiết giảm khả chị tải đất mũi cọc, lấy 0,4 ÷ 0,6 b Độ lún đất gia cố 92 Độ lún đất gia cố tính tốn bao gồm... gia cố - Độ lún đất phía khối gia cố: tính theo phương pháp phân tầng cộng lún 93 Kết luận Hiện có TCXDVN 385-2006 Gia cố đất yếu trụ đất xi măng dùng cho công tác thiết kế cọc đất gia cố xi. .. điểm tính tốn độ lún giải pháp cọc đất gia cố xi măng nhìn chung tương tự nhau, cụ thể độ lún chia làm hai phần: khối gia cố đất phía khối gia cố - Độ lún phần gia cố (cọc đất) quan điểm tính