Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền đất yếu và đầu cọc cho giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TUẤN PHƢƠNG NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT ĐẮP LÊN NỀN ĐẤT YẾU VÀ ĐẦU CỌC CHO GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TUẤN PHƢƠNG NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT ĐẮP LÊN NỀN ĐẤT YẾU VÀ ĐẦU CỌC CHO GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Mã số chuyên ngành: 62.58.60.01 Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Đức Mạnh Phản biện độc lập 2: PGS TS Nguyễn Phi Lân Phản biện 1: PGS TS Châu Trƣờng Linh Phản biện 2: PGS TS Võ Ngọc Hà Phản biện 3: PGS TS Trần Tuấn Anh NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Võ Phán PGS TS Châu Ngọc Ẩn LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực không chép từ nguồn dƣới hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu đƣợc thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Tuấn Phƣơng i TÓM TẮT LUẬN ÁN Xây dựng đất yếu cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật giải pháp có triển vọng cho khu vực tỉnh phía Nam Ƣu điểm giải pháp giảm độ lún đáng kể tải trọng tập trung đầu cọc, chất lƣợng cơng trình đƣợc kiểm sốt thuận tiện đảm bảo, không chịu nhiều tác động môi trƣờng hóa lý lên vật liệu (so với cọc đất trộn xi măng), giảm đáng kể vật liệu đắp bổ sung (so với phƣơng pháp gia tải trƣớc) số ƣu điểm khác Để phân tích đánh giá đặc điểm quy luật phân bố ứng suất lên đầu cọc đất nền, thí nghiệm mơ hình thực đƣợc thực Kết nghiên cứu cho thấy ứng suất tập trung lên đầu cọc chiếm tỷ lệ đáng kể, phụ thuộc vào dao động mực nƣớc ngầm, ứng suất tác dụng vào đất phân bố không đồng phụ thuộc vào sức căng vải địa kỹ thuật vị trí điểm đo Ứng suất tác dụng lên đất có giá trị lớn vị trí gần cọc, nhỏ dần tƣơng ứng với gia tăng khoảng cách cọc có giá trị nhỏ điểm cọc Khi ngập nƣớc, ứng suất tổng tác dụng lên cọc gia tăng, ứng suất tổng tác dụng lên đất khơng thay đổi đáng kể Do đó, hệ số tập trung ứng suất n nhỏ vào mùa khô tăng cao vào mùa mƣa ngập nƣớc Kết thí nghiệm đo đạc cho thấy hệ số tập trung ứng suất có giá trị lớn vừa san lấp đầm chặt, sau giảm dần ổn định sau khoảng tháng Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) điều kiện địa chất khu vực ven sơng Tiền, giá trị đạt đƣợc n = [4÷6] Kết nghiên cứu đo đạc xem tài liệu tham khảo tốt cho việc tính tốn thiết kế cơng trình giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép, cọc vật liệu rời hay cọc đất trộn xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật ii ABSTRACT Soft soil treatment by combining reinforced concrete piles with geotextile is one of the most popular solutions in the soft soil area of the southern provinces The advantage of this solution was a significant reduction in settlement due to pile head load, the quality of the constructions was controlled conveniently and a little affection of the physic or chemical environment on the pile manufacturing materials (compared to the cement soil piles), significantly reduced replenishment materials (compared to the pre-loading methods) and some other advantages Moreover, to analyze and evaluate the characteristics and rules of stress distribution on the pile heads and soft soil ground, real - model experiments were performed The study results showed that the concentration stresses on the pile heads accounted to large proportion, depending on the fluctuation of the ground water level, the stress in the soft soil was irregularly distributed depending on the tension of the geotextile and the location measurement points The stress that was distributed in the soft soil ground at the near piles had higher value than the locations away from the piles When the soft soil was submerged, the concentration total stress on the pile heads was increased, while the total stress distributed on the soft soil did not change Therefore, the coefficient of stress concentration (n) was smaller in the dry season and higher in the rainy season The results of the experiment showed that the stress concentration coefficient was larger during the ground leveling and ground compacting, then it was gradually seen to reduced and stabilize after a month The concentration total stress on the pile heads (n) in the geological of the Tien river was n = [4 ÷ 6] The results of studying could be considered a good reference in calculation and design construction by soft soil treatment with reinforced concrete piles, loose material piles, cement soil piles combined with the geotextile iii LỜI CÁM ƠN Luận án đƣợc thực với hƣớng dẫn tận tâm tận tình PGS TS Võ Phán, PGS TS Châu Ngọc Ẩn Cùng với dẫn giúp đỡ PGS TS Nguyễn Minh Tâm, PGS TS Lê Bá Vinh, PGS TS Bùi Trƣờng Sơn, PGS TS Võ Ngọc Hà, TS Lê Trọng Nghĩa, TS Đỗ Thanh Hải, TS Trƣơng Quang Hùng, GS TS Ngô Kiều Nhi, GS TS Trịnh Minh Thụ, PGS TS Đoàn Thế Tƣờng TS Phạm Văn Hùng Luận án đƣợc giúp đỡ Bộ mơn Địa – Nền Móng, Khoa kỹ thuật Xây dựng, Phòng học ứng dụng, Trƣờng Đại học Bách khoa Tp HCM, Trƣờng Đại học Tiền Giang Xin chân thành cảm ơn hƣớng dẫn, dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi đƣợc học tập nghiên cứu để hồn thành luận án Nghiên cứu sinh xin chân thành ghi nhớ công ơn cố gắng để nâng cao tri thức đạo đức để phục vụ tốt cho nghiệp giáo dục iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu .1 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Điểm luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ NỀN ĐẤT YẾU .4 1.1 Tính chất đặc trƣng đất yếu ĐBSCL .4 1.2 Các giải pháp xử lý đất yếu dƣới cơng trình 1.2.1 Giải pháp xử lý đất yếu trụ đất gia cố xi măng 1.2.2 Giải pháp xử lý đất yếu cọc cát 1.2.3 Giải pháp xử lý đất yếu bấc thấm kết hợp gia tải trƣớc .8 1.2.4 Xử lý đất yếu bơm hút chân không 1.2.5 Xây dựng đất yếu cọc bê tông cốt thép sàn giảm tải .9 1.2.6 Xây dựng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật cƣờng độ cao, lƣới địa kỹ thuật cƣờng độ cao 10 1.3 Sự phân bố tải trọng đất đắp khơng có cọc bê tông cốt thép 11 1.4 Sự phân bố ứng suất đất đắp không xử lý cọc bê tông cốt thép 13 1.4.1 Sự phân bố ứng suất tiếp, ứng suất pháp 13 1.4.2 Ảnh hƣởng biến dạng ngang phân bố ứng suất cắt 14 1.4.3 Áp lực đất khối đắp cọc .16 1.5 Sự phân bố ứng suất đất đắp có xử lý cọc kết hợp vải địa kỹ thuật 17 1.6 Ứng xử cọc bê tông cốt thép dƣới đất đắp .21 1.6.1 Phần tử cọc 21 1.6.2 Ứng suất chuyển vị ngang cọc biên .21 Đặc điểm phân bố ứng suất đất đắp lên đƣợc xử lý cọc 23 1.7 1.7.1 Sự phân bố ứng suất đƣờng ống tròn .23 1.7.2 Sự phân bố ứng suất đất đắp lên đƣợc xử lý cọc 25 v 1.7.3 Sự chuyển tiếp tải 30 1.7.4 Các nhân tố đệm cát 32 Nhận xét chƣơng 35 1.8 CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN ĐẦU CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 37 2.1 Giải pháp xây dựng cơng trình cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật 37 2.1.1 Giới thiệu giải pháp mục tiêu nghiên cứu sở lý thuyết phân bố ứng suất, biến dạng đất đắp đất yếu giải pháp xây dựng cơng trình cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật 37 2.1.2 Đặc điểm tính tốn cọc 39 2.1.3 Đặc điểm tính tốn vải địa kỹ thuật 40 2.2 Lý thuyết phân bố ứng suất đất đắp đất yếu giải pháp xây dựng cơng trình cọc bê tơng cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật 40 2.2.1 Định nghĩa cung vòm 40 2.2.2 Cơ chế hình thành cung vịm .41 2.2.3 Lý thuyết cung vòm 44 2.2.4 thép Cung vịm giải pháp xây dựng cơng trình cọc bê tơng cốt 48 2.2.5 Phân tích ảnh hƣởng vải địa kỹ thuật gia cƣờng 60 2.2.6 Các thơng số đánh giá mức độ cung vịm 66 Nhận xét chƣơng 67 2.3 CHƢƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẮP LÊN HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 68 3.1 Tổng quan cấu kiện phục vụ mơ hình thực nghiệm 68 3.2 Ngun tắc xây dựng mơ hình thực nghiệm 69 3.2.1 Giới thiệu 69 3.2.2 Mơ hình thực nghiệm trƣờng 69 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 71 3.3 3.3.1 Giới thiệu giải pháp 74 3.3.2 Khả ứng dụng thơng số vào tính tốn 74 vi Vật liệu thực nghiệm .75 3.4 3.4.1 Cọc bê tông 75 3.4.2 Cát thực nghiệm 76 3.4.3 Vải địa kỹ thuật 77 3.4.4 Đất yếu .79 Thiết bị ghi nhận biến dạng 79 3.5 3.5.1 Tổng quan 79 3.5.2 Làm thiết bị thực nghiệm 79 3.5.3 Chuẩn hóa thiết bị đo biến dạng 85 Nhận xét chƣơng 90 3.6 CHƢƠNG PHÂN TÍCH QUI LUẬT PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG KHỐI ĐẮP LÊN HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 91 4.1 Đặc điểm phân bố ứng suất giải pháp xây dựng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật 91 Đo biến dạng để xác định ứng suất giai đoạn gia tải 91 4.1.1 4.1.2 Đặc điểm phân bố ứng suất lên cọc đất ứng với tải trọng đắp cao ảnh hƣởng thời gian dao động mực nƣớc 97 4.2 So sánh phân bố ứng suất đắp theo phƣơng pháp giải tích phƣơng pháp đo từ mơ hình thí nghiệm trƣờng .105 4.3 Phân tích ứng suất phân bố đất yếu phƣơng pháp phần tử hữu hạn 111 4.4 Ảnh hƣởng mực nƣớc ngầm đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc 116 4.4.1 Giới thiệu 116 4.4.2 Kết đo mực nƣớc thu đƣợc trạm đo thành phố Mỹ Tho 116 4.4.3 Kết đo biến dạng để xác định ứng suất từ mơ hình thực nghiệm thu đƣợc lần đo mực nƣớc sông dâng cao 63cm tải trọng phân bố q = 48kN/m2 .117 Nhận xét, kết nghiên cứu luận án 122 4.5 4.5.1 Nhận xét 122 4.5.2 Kết nghiên cứu 122 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .124 Kết luận .124 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ phân vùng đất yếu khu vực ĐBSCL (Nguyễn Văn Thơ Trần Thị Thanh, 2002) [5] Hình 1.2 Giải pháp xử lý đất yếu cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật, Kempfert et al (1997) [9] 11 Hình 1.3 Sự truyền tải khối đất đắp theo Kempfert et al (1997) [9] 12 Hình 1.4 Ứng suất mái dốc theo Rendulic (1938) Schwarz (1963) 13 Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất lên vải theo Tolke (1990) 14 Hình 1.6 Chuyển vị mái dốc theo Geduhn/Vollmert (2005) 15 Hình 1.7 Lực kéo căng vải yếu khơng có cọc Kempfert et al (1997) [9] 16 Hình 1.8 Mơ hình đắp cọc kết hợp vải địa kỹ thuật Kempfert et al (1997) [9] 17 Hình 1.9 Mơ hình thí nghiệm phịng cọc biên cọc theo Zaeske (2001) 18 Hình 1.10 So sánh lực kéo căng vải hệ I II theo (Zaeske, 2001) 18 Hình 1.11 Lực kéo căng vải đới dốc đới trung tâm có lực ma sát đất vải theo (Maihold, 2003) 19 Hình 1.12 Lực kéo căng vải đới dốc đới trung tâm khơng có lực ma sát đất vải theo (Love, 2003) 19 Hình 1.13 Lực kéo căng vải mái dốc theo (Geduhn/Vollmert, 2005) .20 Hình 1.14 Lực kéo căng vải mái dốc Kempfert et al (1997) [9] 20 Hình 1.15 Sự phân bố tải trọng đắp bên Kempfert et al (1997) [9] 21 Hình 1.16 a) giá trị λ, β; b) tƣơng quan M* [ζz/Cu] [27] 22 Hình 1.17 Xác định hệ số lún hệ số lún tƣơng ứng [20] 23 Hình 1.18 Xác định tƣơng quan giữ hệ số (ζv/γBc) hệ số (H/Bc) với cặp hệ số lún tƣơng đối (rp, rsd ) Spangler (1960) [20] 24 Hình 1.19a 1.19b ứng suất phân bố đƣờng hầm trịn Bolton (1979) .24 Hình 1.20 Dạng cung trƣợt khối đắp cửa sập dịch chuyển nhỏ theo Terzaghi .25 Hình 1.21 Dạng cung trƣợt khối đắp cửa sập dịch chuyển lớn theo Terzaghi .26 Hình 1.22 Khối đất thay qua lỗ rỗng trạng thái cân (McKelvey, 1994 Li, 2002) 27 Hình 1.23 Khối đất bắt đầu cân (McKelvey, 1994 Li, 2002) 27 Hình 1.24 Cung vịm xuất dƣới tác dụng trọng lƣợng khối đất (McKelvey, 1994 Li, 2002) 27 Hình 1.25 Hình nêm khối đất a) theo 2D; b) theo 3D đề nghị Carlsson [33] 28 Hình 1.26 Đỉnh cung vịm nhóm cọc theo đề nghị Jones (1990) 29 Hình 1.27 Sự truyền tải (trọng lƣợng thân, tải trọng ngoài) lên đất yếu xung quanh cọc (Li, 2002) [34] 30 viii ... PHƢƠNG NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG ĐẤT ĐẮP LÊN NỀN ĐẤT YẾU VÀ ĐẦU CỌC CHO GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT... PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN ĐẦU CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 37 2.1 Giải pháp xây dựng cơng trình cọc bê tơng cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật. .. kế Nghiên cứu phân bố ứng suất đất đắp lên đất yếu đầu cọc cho giải pháp xây dựng cơng trình cọc bê tơng cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật để tìm quy luật đặc điểm phân bố ứng suất cọc đất yếu