Thí nghiệm mô hình đánh giá biến dạng lún của nền đất yếu được gia cố bằng các cột đất trộn xi măng

Trong bài báo này, xây dựng mô hình thí nghiệm để đánh giá biến dạng lún của nền đất yếu được gia cố bằng hệ thống cột đất trộn xi măng. Dựa trên kết quả quan trắc độ lún theo các cấp áp lực nén khác nhau, tiến hành so sánh với kết quả tính toán theo các phương pháp giải tích để làm rõ ảnh hưởng của ma sát giữa khối gia cố với nền đất xung quanh.

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THÍ NGHI ỆM MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ BIẾN DẠNG LÚN CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG CÁC CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG TS Lê Bá Vinh Trường đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Khi tính tốn độ lún cơng trình đắp đất yếu gia cố cột xi măng đất, số phương pháp tiêu chuẩn nước nước dựa nhiều giả thiết đơn giản hóa Điều dẫn đến chênh lệch kết tính toán độ lún theo phương pháp theo thực tế Trong báo này, tác giả xây dựng mơ hình thí nghiệm để đánh giá biến dạng lún đất yếu gia cố hệ thống cột đất trộn xi măng Dựa kết quan trắc độ lún theo cấp áp lực nén khác nhau, tiến hành so sánh với kết tính tốn theo phương pháp giải tích để làm rõ ảnh hưởng ma sát khối gia cố với đất xung quanh Summary: In the calculation of settlement of embankments on the soft soil improved with cement treated soil columns, many methods and standards are based on several simplifying assumptions That leads to the difference between the results calculated according to these methods and measured settlements In this paper, the authors carried out model experiments to evaluate the deformation of soft ground reinforced by soil cement columns From comparison between the analytical analysis and test results under inclined loads, the effects of friction between the reinforcement block and surrounding soft soils can be analyzed I ĐẶT VẤN ĐỀ * Giải pháp dùng hệ thống cột đất trộn xi măng để gia cố đất yếu phương pháp phổ biến Việt Nam giới Hiện nay, vấn đề biến dạng đất gia cố cột đất trộn xi măng nhiều tranh luận Trong nhiều phương pháp tiêu chuẩn, cơng thức tính tốn độ lún khối gia cố không xét đến ma sát khối gia cố với đất xung quanh, không xét đến giảm ứng suất theo độ sâu mô đun biến dạng khối gia cố tính trung bình, khơng xét đến tương tác trụ đất Cách tính chưa sát với thực tế, thực tế phản ứng thủy hóa xi măng làm nước nền, Người phản biện: TS Phùng Vĩnh An Ngày nhận bài: 02/4/2015 Ngày thông qua phản biện: 16/4/2015 Ngày duyệt đăng: 24/4/2015 đồng nghĩa với việc ma sát trụ đất tăng đáng kể N goài ra, ảnh hưởng tải trọng giảm dần theo độ sâu Trong báo này, tác giả xây dựng mơ hình thí nghiệm để đánh giá biến dạng lún đất yếu gia cố hệ thống cột đất trộn xi măng II CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN ĐỘ LÚN ỔN ĐỊNH CỦA N ỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG HỆ THỐNG CỘT ĐẤT TRỘN XI MĂNG Nhìn chung, qui trình tính tốn Việt Nam, Trung Quốc, Châu Âu, Thụy Điển phân độ lún gia cố thành thành phần S=S1+S2 (S1 – độ lún khối gia cố, S2 – độ lún đất khối gia cố) Trong độ lún khối gia cố tập trung phân tích A Tính tốn độ lún theo TCVN 9403-2012 [2] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Độ lún thân khối gia cố tính theo cơng thức: S1  qH q.H  Etb aEc  (1  a) Es A Mục đích thí nghiệm (1) Trong đó: q - tải trọng cơng trình truyền lên khối gia cố (kgf/cm2) H - chiều sâu khối gia cố (cm) a - tỷ số diện tích, a  n.Ac B L Ac - diện tích tiết diện trụ (cm2), n- tổng số trụ B, L - kích thước khối gia cố (cm) Ec – modulus đàn hồi cột đất trộn xi măng (kgf/cm2) Es – modulus biến dạng đất xung quanh cột (kgf/cm2) B Tính tốn độ lún theo tiêu chuẩn DBJ 0840-94 (Trung Quốc) [1] Độ lún khối gia cố xác định theo công thức: ( P  P z ) H S1  E tb ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG HỆ THỐNG CỘT XI MĂNG Đ ẤT Thí nghiệm mơ hình nhằm đánh giá ứng xử hệ cột xi măng đất đất yếu theo cấp áp lực nén (ở chủ yếu đánh giá ảnh hưởng ma sát khối đất gia cố đất xung quanh đến biến dạng lún khối gia cố) Đo áp lực nén, chuyển vị hệ thống cột xi măng-đất mơ hình cấp áp lực theo thời gian Từ kết thí nghiệm mơ hình, dùng phương pháp Asaoka để xác định độ lún ổn định gia cố Từ so sánh, đánh giá kết đo lún mơ hình với phương pháp giải tích B Nội dung thí nghiệm - Đúc mẫu xi măng-đất với hàm lượng xi măng 16% có đường kính 20mm, dài 200mm - Thi công cột xi măng-đất vào đất yếu bên hộp mơ hình - Gia tải theo cấp áp lực, đo trị số áp lực nén, chuyển vị hệ cột xi măng đất đất yếu theo thời gian, quan sát, chụp hình C Cách tiến hành s - dung trọng đất yếu hộp mơ hình (kgf/cm3) M ẫu đất yếu lấy phường Bình Khánh – Quận – TP Hồ Chí M inh Dùng máy trộn chế bị lại mẫu đất, sau cho mẫu đất vào hộp mơ hình qt lớp dầu nhớt để hạn chế tối đa ma sát đất thành hộp, đậy nắp hộp mơ hình lại để đất cố kết trọng lượng thân vịng ngày Sau đó, đặt lớp vải địa kỹ thuật lên đất yếu, rải lớp cát dày 10mm lên lớp vải địa kỹ thuật Lớp vải địa kỹ thuật lớp cát đảm bảo cho nước thoát theo biên Đặt cứng tản lực lên lớp cát gia tải cố kết đất cấp áp lực bảng III THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ BIẾN DẠNG LÚN CỦA N ỀN ĐẤT YẾU Bảng 1: Cấp áp lực để cố kết lớp đất mô hình (2) Trong đó: p – áp lực trung bình đỉnh cột (kgf/cm ) p oz – áp lực mũi cột (kgf/cm2) poz  po  tb  H (3)  tb   c a  (1 a)s (4) c - dung trọng cột xi măng đất (kgf/cm3) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC Cấp áp (kgf/cm2) lực Thời gian (ngày) 0.20 0.43 4 CÔNG NGHỆ Sau cố kết xong, mang mẫu đất thí nghiệm, kết phân tích tiêu lý đất sau chế bị thể bảng Bảng 2: Tính chất mẫu đất sau chế bị TT Gi trị lý Gi trị đại di ện cá c l ớp đất Cát: 0.05 - 2.0 (mm ), % 5.1 Bụi: 0.005 - 0.05 (mm ), % 53.6 Sét < 0.005 (m m), % 41.3 Độ ẩm t ự nhi ên, W (%) 73.2 Dung trọng t ự nhi ên,  w (KN/ m3 ) 14.8 Tỷ trọng, Gs 2.66 Hệ số rỗng ban đầu,  o 2.093 Độ rỗng, n (%) 67.7 Độ bão hòa, S r (%) 93.0 Giới hạn chảy, LL (%) 71.2 Giới hạn dẻo, P L (%) 35.6 10 Chỉ số dẻo, PI (%) 11 Hình Mặt bố trí cột xi măng đất mơ hình thí nghiệm Hệ thống gia tải sử dụng bơm thủy lực kích ép, hệ thống đo áp lực tác dụng lên cứng đồng hồ điện tử Lớp đất yếu mô hình dày 230mm Hệ thống đồng hồ đo chuyển vị cột đất trộn xi măng ghi lại giá trị chuyển vị theo cấp áp lực nén theo thời gian Sau cố kết xong đất yếu, dỡ tải, cạo gọt mặt mơ hình để chiều dày lớp đất yếu lại 200 mm Đúc mẫu xi măng/đất với hàm lượng 16%, hàm lượng nước/xi măng 1,5, đường kính 20mm, chiều dài 200mm 35.6 +  (Độ) 03°39' + C (kPa) 6.27 Hình Mơ hình thí nghiệm Bảng 3: Một số tiêu mẫu xi măng-đất với tỷ lệ 16% Tuổi bảo dư ỡng Hộp mơ hình làm thép cường độ cao dày 2mm, có kích thước dài 900mm, rộng 130mm, cao 230mm Ngày ac % 14 28 16 qu E  kgf/ cm2 kgf/ cm2 % 5.302 526.8 1.33 5593 577.6 1.20 6.691 678.9 1.13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Khoảng cách bố trí cột đất trộn xi măng từ tâm đến tâm 50mm, bố trí cột theo hình tam giác Mẫu đúc ngày tuổi tháo khỏi khn cắm vào hộp mơ hình, trải lớp vải địa kỹ thuật lên phía khối gia cố, sau rải thêm lớp cát dày 10mm lên phía lớp vải địa kỹ thuật Chờ cột xi măng-đất đủ 28 ngày tuổi bắt đầu tiến hành thí nghiệm Đặt cứng tản lực dày 3mm, dài 140mm, rộng 127mm lên tiến hành gia tải theo cấp áp lực, đồng thời bấm thời gian ghi lại số đọc đồng hồ chuyển vị ứng với 1, 2, 4, 8, 15, 30, 60, 120, 240, 480, 720, 1440 phút TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Các bước thực mơ hình thí nghiệm Tiến hành gia t ải t heo cấp áp lực, số đọc lực t rên đồng hồ tương ứng với cấp t ải t ính t ốn bảng (số đọc hiệu chỉnh t rọng lượng t rọng lượng kích t hủy lực t ấm cứng t ản lực) Bảng 4: S ố đọc đồng hồ tương ứng với áp lực nén Áp lực nén S ố đọc đồng hồ kgf/cm2 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 kN 0.7 1.6 2.5 3.3 4.2 5.1 6.8 Áp lực nén cấp giữ khơng đổi hình theo thời gian, việc phân tích độ lún ổn chuyển vị lún đất hệ cột xi định đất yếu gia cố cột đất trộn măng đất cứng ổn định (khoảng 24 giờ) xi măng thực theo phương pháp Asaoka [3] cho cấp áp lực sau: D Các kết thí nghiệm Với cấp áp lực nén, từ độ lún mơ * Với cấp áp lực nén 0.5 kgf/cm2 Hình Kết phân tích độ lún ổn định theo Asaoka cấp áp lực 0.5 kgf/cm2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ * Với cấp áp lực nén 1.0 kgf/cm2 Hình Kết phân tích độ lún ổn định theo Asaoka cấp áp lực 1.0 kgf/cm2 * Với cấp áp lực nén 1.5 kgf/cm2 Hình Kết phân tích độ lún ổn định theo Asaoka cấp áp lực 1.5 kgf/cm2 * Với cấp áp lực nén 2.0 kgf/cm2 Hình Kết phân tích độ lún ổn định theo Asaoka cấp áp lực 2.0 kgf/cm2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ * Với cấp áp lực nén 2.5 kgf/cm2 Hình Kết phân tích độ lún ổn định theo Asaoka cấp áp lực 2.5 kgf/cm2 * Với cấp áp lực nén 3.0 kgf/cm Hình Kết phân tích độ lún ổn định theo Asaoka cấp áp lực 3.0 kgf/cm2 * Với cấp áp lực nén 4.0 kgf/cm2 Hình 10 Kết phân tích độ lún ổn định theo Asaoka cấp áp lực 4.0 kgf/cm2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Tổng hợp kết phân tích độ lún ổn định cấp áp lực thể bảng * Kiểm chứng độ lún ổn định gia cố theo phương pháp giải tích Nếu áp dụng phương pháp giải tích nêu để xác định độ lún ổn định gia cố mô hình, kết tính lún thể bảng [4] Trong ES lấy theo giá trị nén cố kết cấp áp lực Từ thí nghiệm nén cố kết mẫu đất sau chế bị ta có giá trị modulus biến dạng khối gia cố theo cấp áp lực bảng Bảng 5: Giá trị modulus biến dạng khối gia cố theo cấp áp lực nén kgf/cm2 P Etb kgf/cm 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 87.4 88.3 89.4 90.7 91.9 93.3 96.4 Bảng 6: Độ lún ổn định tính theo phương pháp Cấp áp lực TCVN 94032012 DBJ 08 40 94 Độ lún quan trắc (kg/cm2) (cm) (cm) (cm) 0.5 0.075 0.077 0.064 1.0 0.150 0.152 0.137 1.5 0.219 0.221 0.198 2.0 0.299 0.302 0.263 2.5 0.359 0.361 0.330 3.0 0.426 0.428 0.400 4.0 0.598 0.600 0.524 Hình 11 So sánh độ lún ổn định tính theo số phương pháp NHẬN XÉT Trong quy trình tính tốn độ lún khối gia cố cột xi măng đất TCVN 94032012 tiêu chuẩn Trung Quốc BDJ 08-4094 tính tốn theo quy trình Trung Quốc cho kết lớn từ (0.4÷ 3.0) %, BDJ 08-40-94 có xét đến ảnh hưởng ứng suất phụ trọng lượng thân cột Kết quan trắc lún mơ hình cho kết nhỏ so với phương pháp tính tiêu chuẩn trên, với chênh lệch lớn 20.3% Nguyên nhân chênh lệch vì:  Các cơng thức tính tiêu chuẩn thường có xu hướng thiên an tồn  Cơng thức tính lún theo tiêu chuẩn tương tự định luật Hooke đơn giản Khi tính lún theo tiêu chuẩn không xét đến lực ma sát xung quanh khối gia cố đất tạo nên Do tạo khác biệt kết tính lún theo tiêu chuẩn theo thí nghiệm mơ hình thực tế  Trong cơng thức tính lún theo tiêu chuẩn, modulus đàn hồi khối gia cố lấy theo phương pháp trung bình trọng số chưa phù hợp, modulus biến dạng phụ thuộc nhiều vào tương tác đất trụ, dẫn đến sai lệch so với kết thực tế mơ hình * Tính tốn độ lún theo phương pháp giải tích TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ có xét ảnh hưởng ma sát khối gia cố đất xung quanh Lực ma sát khối gia cố đất xung quanh tính theo cơng thức: f s  (1  sin  )  h'  tg  C Trong đó:  h' - ứng suất hữu hiệu lớp đất khối gia cố theo phương thẳng đứng  '  h 4,8  0,2   0,48 (kN/m2) =  h'  2 -3 4,8.10 (kgf/cm ) f s  (1 sin 3, 65) 4, 8103 tg3, 65 0,0627  0, 063 (kgf/cm2) Từ tính lún với tải trọng thực tác dụng lên khối gia cố là: q  B  L  fs   H  B q' B L Hình 12 So sánh độ lún ổn định tính theo số phương pháp có xét ảnh hưởng ma sát khối gia cố đất xung quanh Khi xét đến ảnh hưởng ma sát khối gia cố đất yếu xung quanh, kết tính lún thể biểu đồ hình 12 Từ ta thấy độ lún xác định theo phương pháp chênh lệch không nhiều Chênh lệch độ lún quan trắc mơ hình so với độ lún tính theo phương pháp giải tích (tính theo % thể bảng 7) Bảng 7: Chênh lệch độ lún tính theo phương pháp giải tích độ lún quan trắc Kgf/cm2 1.5 2.5 Theo TCVN 9403-2012 % 6.7 0.5 1.7 1.8 7.3 Theo BDJ 08 40 94 % 5.7 1.3 1.1 1.3 7.7 Cấp áp lực nén IV KẾT LUẬN - Trong quy trình tính tốn độ lún ổn định khối gia cố cột xi măng-đất theo TCVN 9403-2012 tiêu chuẩn Trung Quốc BDJ 084094 tính tốn theo quy trình Trung Quốc cho kết lớn từ (0.4÷ 3.0) %, BDJ 08-40-94 có xét đến ảnh hưởng ứng suất phụ trọng lượng thân cột - Các kết độ lún đo từ mơ hình thí nghiệm nhỏ kết tính tốn độ lún khối gia cố theo TCVN 9403-2012 theo tiêu chuẩn Trung Quốc BDJ 084094, với chênh lệch lớn 20.3%, ngun nhân tính lún theo tiêu chuẩn chưa xét đến lực ma sát xung quanh khối gia cố đất tạo nên - Nếu tính lún theo tiêu chuẩn có xét đến lực ma sát xung quanh khối gia cố đất tạo nên chênh lệch kết tính lún theo tiêu chuẩn độ lún đo từ mơ hình thí nghiệm lớn 7,7% Do đó, kiến nghị cần xem xét tính đến lực ma sát khối gia cố đất xung quanh tính tốn độ lún ổn định khối gia cố cột xi măng đất TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (VNU-HCM) khn khổ đề tài “Nghiên cứu phương pháp tính tốn độ lún ổn định độ lún theo thời gian đất yếu gia cố cột đất xi măng”, cấp ĐHQG, mã số: C2014-20-13 Tác giả báo xin trân trọng cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Quy phạm kỹ thuật xử lý móng Trung quốc (Shanghai- Standard: Ground treatment code, DBJ 08 40 94) Trường Đại học Đồng tế biên soạn, năm 1995 [2] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 9403 : 2012 "Phương pháp gia cố đất yếu trụ đất xi măng”, 2006 [3] A Asaoka, Observation procedure of settlement prediction, Soil & Foundation Vol.18, No.4, Sept1978 [4] Đinh Hữu Dụng, Phân tích tính tốn độ lún đắp đất yếu gia cố cột đất trộn xi măng, Luận văn Thạc sĩ trường ĐH Bách khoa TP.HCM, 2014 [5] K.Omine & H.Ochiai “Homogenization method for numerical analysis of improved ground with cement treated soil columns” 10 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 26 - 2015 ... THỐNG CỘT XI MĂNG Đ ẤT Thí nghiệm mơ hình nhằm đánh giá ứng xử hệ cột xi măng đất đất yếu theo cấp áp lực nén (ở chủ yếu đánh giá ảnh hưởng ma sát khối đất gia cố đất xung quanh đến biến dạng lún. .. cát gia tải cố kết đất cấp áp lực bảng III THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH ĐÁNH GIÁ BIẾN DẠNG LÚN CỦA N ỀN ĐẤT YẾU Bảng 1: Cấp áp lực để cố kết lớp đất mơ hình (2) Trong đó: p – áp lực trung bình đỉnh cột. .. nén cấp giữ khơng đổi hình theo thời gian, việc phân tích độ lún ổn chuyển vị lún đất hệ cột xi định đất yếu gia cố cột đất trộn măng đất cứng ổn định (khoảng 24 giờ) xi măng thực theo phương