Nghiên cứu lựa chọn giải pháp hợp lý và thiết kế xử lý nền đất yếu cho tuyến đê bao thị trấn trần đề, huyện trần đề, tỉnh sóc trăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo LA DẦN NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP HỢP LÝ VÀ THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU CHO TUYẾN ĐÊ BAO THỊ TRẤN TRẦN ĐỀ, HUYỆN TRẦN ĐỀ, TỈNH SÓC TRĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP.HCM 07 - 2018 GÁY BÌA LUẬN VĂN LA DẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo LA DẦN NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP HỢP LÝ VÀ THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU Đề, CHO TUYẾN ĐÊ BAO THỊ TRẤN TRẦN ĐỀ, HUYỆN TRẦN ĐỀ, TỈNH SÓC TRĂNG CHUN NGÀNH: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY MÃ SỐ: CT1601 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGƯT.PGS TS ĐỖ MINH TOÀN TP.HCM 07-2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn La Dần ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cám ơn tới Thầy Cô giảng dạy Bộ môn, Khoa Công trình, Phịng Đào tạo Đại học Sau đại học - Trường Đại học Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) Tơi xin chân thành cám ơn NGƯT.PGS TS Đỗ Minh Toàn người Hướng dẫn khoa học tận tâm nhiệt tình giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin cám ơn quan tâm đóng góp ý kiến Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM Tôi xin cám ơn ủng hộ, động viên tinh thần nhiệt tình lãnh đạo Cơng ty, gia đình, bạn bè đồng nghiệp suốt thời gian thực luận văn Không có động viên họ, tơi khơng thể đến đích cuối chương trình đào tạo thạc sĩ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ vi DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG xi I Tính cấp thiết Đề tài .1 II Mục đích luận án III Đối tượng phạm vi nghiên cứu .1 IV Nhiệm vụ luận văn V Nội dung nghiên cứu VI Phương pháp nghiên cứu VII Ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .4 1.1 Tổng quan đất yếu, cấu trúc đất yếu [1] 1.1.1 Khái niệm đất yếu 1.1.2 Cấu trúc đất yếu 1.1.3 Mục tiêu xử lý đất yếu 1.2 Các phương pháp xử lý cơng trình đất yếu [2] 1.2.1 Trên giới .8 1.2.2 Ở Việt Nam 1.3 Quy mơ cơng trình u cầu kỹ thuật thiết kế .19 1.3.1 Cấp cơng trình: 19 1.3.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật: 19 1.3.3 Giải pháp thiết kế cơng trình 19 1.4 Điều kiện địa kỹ thuật đoạn tuyến đê bao 21 1.3.1 Vị trí 21 1.3.2 Khí tượng, thuỷ văn 23 iv 1.4.3 Địa hình địa mạo: .24 1.4.4 Địa tầng tính chất lý đất tuyến đê 24 1.5 Đề xuất phương pháp xử lý tuyến đê bao 26 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CÁC GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN TUYẾN ĐÊ BAO VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP HỢP LÝ 28 2.1 Cơ sở khoa học phương pháp đề xuất để xử lý tuyến đê bao 28 2.1.1 Cọc cát đầm 28 2.1.2 Trụ (cọc) đất xi măng .42 2.2 Sơ thiết kế xử lý phương pháp đề xuất 59 2.2.1 Sơ thiết kế xử lý tuyến đê bao cọc cát đầm 59 2.2.2 Sơ thiết kế xử lý tuyến đê bao cọc ĐXM 61 2.2.2.1 Thông số đầu vào: 61 2.2.2.2 Thiết kế CĐXM: 61 2.3 Dự toán kinh phí cho phương án xử lý .62 2.3.1 Phương án cọc cát đầm 62 2.3.2 Phương án cọc ĐXM 62 2.4 Lựa chọn phương án hợp lý 62 2.4.1 Về kỹ thuật: 62 2.4.2 Về kinh phí: 63 2.4.3 Về đáp ứng yêu cầu Chủ đầu tư: 63 2.4.4 Về tính khả thi: 63 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XỬ LÝ NỀN TUYẾN ĐÊ BAO BẰNG CỌC ĐẤT-XI MĂNG 65 3.1 Thiết kế xử lý CĐXM .65 3.1.1 Số liệu đầu vào : .65 3.1.2 Xác định loại hàm lượng xi măng .65 3.1.3 Phân tích kết thí nghiệm 68 3.1.4 Thiết kế CĐXM 69 3.1.5 Tính tốn gia cố CĐXM 70 v 3.1.5.1 Lựa chọn thơng số tính tốn ổn định 70 3.1.5.2 Xác định mô dun biến dạng cường độ kháng cắt khơng nước tương đương khối gia cố 72 3.1.5.3 Xác định tải trọng tác dụng lên cọc ĐXM 73 3.1.5.4 Tính tốn sức chịu tải cọc: 73 3.2 Tính tốn ứng suất, biến dạng ổn định CĐXM phương pháp PTHH .78 3.2.1 Phương pháp mơ hình phần mềm Plaxis tính tốn xử lý 78 3.2.2 Tính tốn ứng suất, biến dạng ổn định CĐXM 78 3.2.2.1 Số liệu XD mơ hình: 79 3.2.2.2 Kết tính tốn 80 3.2.2.3 Phân tích kết tính tốn 82 3.3 Công tác kiểm tra chất lượng nền: 83 3.3.1 Công tác kiểm tra chất lượng thể Bảng 3.8 sau: .83 3.3.2 Chi phí cho công tác kiểm tra chất lượng Bảng 3.9 sau: 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 I Kết luận: .85 II Kiến nghị: 86 III Hướng nghiên cứu tiếp theo: 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ Acol : Diện tích cọc xi măng đất as : Diện tích tương đối cọc xi măng đất Asoil : Diện tích vùng đất yếu cần gia cố xung quanh cọc xi măng B, L, H : Chiều rộng, chiều dài chiều cao nhóm cọc xi măng đất Ccol : Lực dính cọc xi măng đất Cci : Chỉ số nén lún Cu.soil : Độ bền chống cắt khơng nước CĐXM : Cọc đất xi măng ĐXM : Đất xi măng cu : Lực dính cọc xi măng – đất đất gia cố Cri : Chỉ số nén lún hồi phục ứng với trình dỡ tải Csoil đất : Lực dính vùng đất yếu cần gia cố xung quanh cọc xi măng Ctđ : Lực dính tương đương đất yếu gia cố d : Đường kính cọc DM : Cơng nghệ trộn sâu ĐXM : Đất xi măng ĐCCT : Địa chất cơng trình Ecol : Mô đun đàn hồi cọc xi măng đất Esoil : Mô đun đàn hồi vùng đất yếu cần gia cố Etđ : Mô đun đàn hồi tương đương đất yếu gia cố E50 : Mô đun biến dạng eoi : Hệ số rỗng lớp đất vii Fs : Là hệ số an toàn H : Chiều cao đắp Lcol : Chiều dài cọc LVThS : Luận văn Thạc sĩ [M] : Moment giới hạn cọc xi măng đất N : Nước XM : Xi măng N/XM : Nước/ xi măng Qult : Sức chịu tải giới hạn cọc xi măng đất [S] : Độ lún giới hạn cho phép ∑ Si : Độ lún tổng cộng móng cọc φcol : Góc nội ma sát cọc xi măng đất φsoil : Góc nội ma sát vùng đất yếu cần gia cố xung quanh cọc xi măng đất φtđ : Góc nội ma sát tương đương đất yếu gia cố hi : Bề dày lớp đất tính lún thứ i σ’vo : Ứng suất trọng lượng thân Δσ’v : Gia tăng ứng suất thẳng đứng σ’p : Ứng suất tiền cố kết Qp : khả chịu tải cột nhóm cọc ffs : Hệ số riêng phần trọng lượng đất fq : Hệ số riêng phần tải trọng q : Ngoại tải tác dụng γ : Dung trọng đất đắp 75 Như ta có: p = 353,02 kN/m2 < Rđn = 945,00 kN/m2 Tính tốn độ lún Xét điều kiện tải trọng tác dụng lên cọc với tải trọng rão cọc ta có: +Tải trọng rão cọc: qcreep,col = 0,65 Qult,col = 0,65 x 1060,22 = 689,14kN +Tải trọng tác dụng lên cọc: qcol = 88,06 < qcreep,col = 689,14kN Theo điều kiện trên, ta tính tốn độ lún tổng cộng theo trường hợp A (trường hợp tải trọng tác dụng chưa vượt tải trọng rão cọc) Độ lún tổng cơng trình bao gồm độ lún khối gia cố ∆h1 độ lún phần khối gia cố ∆h2: S = ∆h1 + ∆h2 - Tính độ lún ∆h1 khối gia cố: Ứng suất tác dụng lên lớp đất tính tốn theo biểu thức Bergado: z  q 2( B  L).z.Cu B.L (3.10) Độ lún khối gia cố tính tốn theo biểu thức sau: h1   h.q  Ecol  (1   ) Esoil ( 3.11) Trong đó: h = 16 m  z (q)= 88,06kN/m2 α = 0,5027 Ecol = 30000 kN/m2 Esoil = 3195 kN/m2 Thay vào biểu thức ta có: 16 x88,06 h  =0,0845m=8,45cm 0,5027 x30000  (1  0,5027)*3195 - Tính tốn độ lún h2 khối gia cố:  Cơng thức tính lún cho lớp đất khơng có thí nghiệm nén cố kết: Si  hi i  Độ lún mũi trụ: S2 Es Kích thước khối móng qui ước: Độ sâu 16m Bề rộng khối móng qui ước 29,60m; Tính ứng suất đáy móng xử lý nền: Tải trọng đất đắp: Pđđ = h*γtđ = 4,0*18,26 = 73,04 kN/m2 ; Tải trọng tăng thêm khối trụ: 76 q0   d H dy * XM * a = 3,14 x0,82 16x 240 x 1, x1, = 753,60kG/m2=7,54kN/m2 Tính ứng suất đáy móng:  Z   q0  B1  B2  B 1          B2  B2  (3.12) B1: Chiều rộng ½ mặt đường: B1=12m; B2: Chiều rộng mái taluy lề đường: B2: 5,0 * 1,5 = 7,50m; : góc tạo phạm vi B1; góc tạo phạm vi B2; Za xác định độ sâu mà σz = (0,1 ÷ 0,2) σbt 77 Bảng 3.4 Tính lún đất tự nhiên mũi cột đất gia cố Ứng Độ sâu Lớp đáy lớp hi i eo zi Cs Cc pc Mô đun Ứng suất Ứng suất suất biến thân trụ dạng Es 0v đắp 1 ĐXM 0v+ TH tính 1+2 tốn /0V 2 (kN/m ) (kN/m ) (kN/m ) (kN/m2) (m) (m) kN/m (kN/m ) F 4,00 4,00 18,26 1,5 2,00 15,9 1,630 0,066 0,512 73,04 5,860 73,03 78,891 TH1 12,463 3,5 2,00 15,9 1,630 0,066 0,512 73,04 23,440 72,81 96,251 TH1 3,106 5,5 2,00 15,9 1,630 0,066 0,512 73,04 41,020 72,07 113,086 TH1 1,757 7,5 2,00 15,9 1,630 0,066 0,512 73,04 58,600 70,66 129,261 TH3 1,206 10 2,50 15,9 1,630 0,066 0,512 73,04 77,645 68,35 145,994 TH3 0,880 12 2,00 15,9 1,590 0,070 0,540 73,04 98,155 65,47 163,625 TH3 0,667 14 2,00 16,4 1,590 0,070 0,540 73,04 116,305 62,63 178,940 TH2 0,539 16 2,00 16,4 1,590 0,070 0,540 73,04 135,595 59,70 195,290 TH2 0,440 18 2,00 19,2 0,740 11.428 157,655 56,76 214,417 0,360 20 2,00 19,2 0,740 1.428 185,255 53,91 239,165 0,291 22 2,00 19,2 0,740 1.428 212,855 51,19 264,040 0,240 24 2,00 19,2 0,740 11.428 240,455 48,61 289,068 0,202 30,5 6,5 19,2 0,74 11.428 288,755 43,69 332,443 0,151 Vật liệu đất đắp 11,308 78 Vậy: Tại vị trí σz = (0,1 ÷ 0,2) σbt độ sâu 26,0m có: 1 = 43,69kN/m2 0v = 332,443 kN/m2 => 0,15σbt Ứng suất gây lún mức đáy trụ: p = Pđđ + 1 = 73,04 + 7,54 = 80,58 kPa Độ lún mũi trụ tính theo cơng thức: Si  hi i Es (3.13) Bảng 3.5 Độ lún mũi trụ Lớp đất Chiều Độ sâu Hệ số Ứng suất gây dày lớp ứng suất lún đất lớp ki lớp đất i m m 6,50 27,75 S2  6,5 kPa 1,00 11,307 Esi (kN/m2) 11.428 11,307 = 0,0064m = 0,64cm 11.428 Tổng độ lún nền: S = S1 + S2 = 8,45cm + 0,64cm = 9,09cm Vậy: S = 9,09cm < [S] = 40cm Đạt u cầu kỹ thuật 3.2 Tính tốn ứng suất, biến dạng ổn định CĐXM phương pháp PTHH 3.2.1 Phương pháp mơ hình phần mềm Plaxis tính tốn xử lý Phần mềm Plaxis 1987 Đại học công nghệ Delff –Hà Lan Phiên Plaxis V.1 ban đầu thành lập nhằm mục đích phân tích tốn ổn định đê biển đê sơng vùng bờ biển thấp Hà Lan Đến năm 1993 công ty Plaxis BV thành lập từ năm 1998, phần mềm Plaxis xây ựng theo phần tử hữu hạn Phần mềm Plaxis trang bị tính đặc biệt để iải số khía cạnh kết cấu địa kỹ thuật phức tạp Chương trình dùng để tính tốn toán mái dốc, hố đào, hầm (tunnel), đường hầm giao hông, tường hào kỹ thuật (collector), đường tàu điện ngầm dạng cơng trình ngầm khác 3.2.2 Tính toán ứng suất, biến dạng ổn định CĐXM Trong luận văn, tác giả dùng phương pháp Phần tử hữu hạn để phân tích ứng 79 suất biến dạng ổn định sau xử lý CĐXM Các mơ hình đất có chương trình plaxis bao gồm mơ hình đàn-dẻo túy Morh-Coulomb (MC), mơ hình Hardening – Soil (HS), mơ hình Soft – Soil – Creep (SSC) mơ hình Soft Soil Ở luận văn tác giả sử dụng mơ hình Hardening – Soil (HS) cho lớp đất yếu mô hình Morh-Coulomb (MC) cho lớp cịn lại 3.2.2.1 Số liệu XD mơ hình: Bảng 3.6 Các thơng số mơ hình Thơng số Model Type Lớp Lớp Lớp H-S H-S M-C Undrained Undrained Undrained Cát hạt Cát 6% Cọc Kết cấu Đơn trung Xm ĐXM tương đương vị M-C M-C M-C M-C - Drained Undrained Undrained Drained - γunsat 15,5 15,7 18,2 17,0 20,0 16,5 20 kN/m3 γsat 16,4 17,1 19,7 17,5 20,0 16,5 21 kN/m3 kx 3,21e-3 3,87e-3 4,32e-3 1e-3 1,5e-4 1,0e-4 1,0e-3 m/day ky 3,21e-3 3,87e-3 4,32e-3 1e-3 1,5e-4 1,0e-4 1,0e-3 m/day 1270 1250 kN/m2 E0edref 2054,81 1830,574 kN/m2 Eufref 2542 3196 Power 0,5 0,5  0,35 0,30 0,28 0,30 0,3 0,3 0,25 - C 3,21 5,90 18,20 5,00 30,00 150,00 7,00 Độ  1,56 3,13 15,24 25,00 35,00 30,00 30,00 Độ ψ 0,00 0,00 0,00 0,00 5,00 0,00 0,00 Độ ref E50 10699 1,5e4 1,5e4 3,0e4 2,0e4 kN/m2 m Mơ hình mơ khối đắp gia cố cọc ĐXM, thơng số lớp gia cố tính theo lớp tương đương (Ảnh 3.1) 80 Ảnh 3.1 Sơ đồ mô phần mềm Plaxis 3.2.2.2 Kết tính tốn Phân bố ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng thể ảnh 3.2 ảnh 3.3; Lưới biến dạng, chuyển vị đứng (lún) cơng trình trình bày ảnh 3.4, ảnh 3.5 ảnh 3.6 Ảnh 3.2 Phân bố ứng suất cơng trình 81 Ảnh 3.3 Phân bố áp lực nước lỗ rỗng đất Ảnh 3.4 Lưới biến dạng cơng trình Ảnh 3.4 biểu diễn lưới biến dạng cơng trình, độ lún lớn khối đắp sau xử lý nền, 0,09276 m tương đương 9,276cm 82 Ảnh 3.5 Chuyển vị đứng (lún) cơng trình Ảnh 3.5 thể phổ chuyển vị đứng (lún) cơng trình, trị số chuyển vị lớn tập trung đỉnh khối đắp tim đê Vùng lún lớn tập trung đỉnh khối đắp với trị số 0,08386m tương đương 8,386cm Ảnh 3.6 Chuyển vị đứng (lún) mặt cắt đê A-A Ảnh 3.6 thể biểu đồ chuyển vị đứng mặt cắt A-A cốt đê, trị số chuyển vị lớn tim đê Vùng chuyển vị lớn tập trung đỉnh khối đắp với trị số 0,07012m tương đương 7,12cm 3.2.2.3 Phân tích kết tính tốn Từ kết tính tốn Plaxis (ảnh 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6) nhận xét, phân tích ứng suất, biến dạng, lún, sau: Trên sở tính tốn thiết kế phương pháp giải tích tính tốn thiết kế, mơ 83 2D phần mềm Plaxis cọc xi măng đất nhằm xử lý lún đê, tác giả rút số nhận xét: - Ứng với hàm lượng xi măng 14,63% (240kg xi măng cho 1m3 đất tự nhiên), cọc xi măng đất 0,8m, dài 16m xử lý đoạn đê có độ lún S=9,09 cm (tính tốn theo quan điểm hỗn hợp Viện Kỹ Thuật Châu Á), mô phần mềm Plaxis 2D độ lún S= 9,276cm Như độ chênh lệch lún tổng hợp theo bảng sau: Bảng 3.7 Độ chênh lệch lún đoạn đê theo giải tích mơ Plaxis Trường hợp Chuyển vị đứng lớn Độ chênh lệch (cm) lún (cm) Giải tích 9,09 Plaxis 2D 9,276 0,186 Ta thấy cho dù tính tốn theo giải tích Plaxis khơng có chênh lệch lớn khẳng định lại phương pháp tính tốn thiết kế phù hợp 3.3 Công tác kiểm tra chất lượng nền: 3.3.1 Công tác kiểm tra chất lượng thể Bảng 3.8 sau: Bảng 3.8 Tổng hợp khối lượng công tác xử lý theo bảng B.1 (TCVN9403-2012) STT Nội dung công việc Số lượng cọc Số lượng mẫu (thí kiểm tra nghiệm) 25 cọc 12 mẫu/ hố khoan 03 cọc 01 thí nghiệm Khoan mẫu trường Thử tĩnh cọc Nội dung kiểm tra Kiểm tra cường độ Kiểm tra sức chịu tải (50,00 tấn) 3.3.2 Chi phí cho cơng tác kiểm tra chất lượng Bảng 3.9 sau: Bảng 3.9 Tổng hợp khối lượng công tác xử lý Số Đơn giá Thành tiền Tổng cộng lượng (đồng) (đồng) (đồng) Khoan mẫu trường 25 2.000.000 50.000.000 Thử tĩnh cọc 03 40.000.000 120.000.000 STT Nội dung công việc 170.000.000 Kết luận chương 3: - Trong chương này, tác giả tính tốn đất gia cố ĐXM theo hai phương pháp “Phương pháp tính tốn theo quan điểm hỗn hợp Viện Kỹ Thuật Châu Á 84 Phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm Plaxis” qua tác giả thấy dù tính kết độ lún theo phương pháp giải tích theo phương pháp phần tử hữu hạn cho giá trị gần độ lún Thỏa điều kiện ổn định so với độ lún cho phép đê