Nghiên cứu tính toán ứng suất, biến dạng và ổn định của công trình đắp trên nền đất yếu được xử lý bằng cọc BTCT và vải địa kỹ thuật cường độ cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -oOo ĐÀO QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ ỔN ĐỊNH CỦA CƠNG TRÌNH ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG CỌC BTCT VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO CHUYÊN NGÀNH: Mà SỐ NGÀNH : : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG : 60.58.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 - 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS PHẠM VĂN LONG Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM, ngày tháng năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày …… tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đào Quốc Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02-01-1979 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng MSHV: 00906200 Khoá (Năm trúng tuyển): 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ ỔN ĐỊNH CỦA CƠNG TRÌNH ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG CỌC BTCT VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO.” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu tính tốn vải địa kỹ thuật gia cường đất đắp đất yếu có gia cố cọc Đề xuất giải pháp tính toán hợp lý biến dạng ổn định đất yếu có xử lý cọc BTCT kết hợp với vải địa kỹ thuật cường độ cao 3- NỘI DUNG Nội dung: PHẦN I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Mở đầu Chương 1: Nghiên cứu tổng quan tính tốn vải địa kỹ thuật gia cường đất đắp đất yếu có gia cố cọc PHẦN II: NGHIÊN CỨU CHUYÊN SÂU VÀ PHÁT TRIỂN Chương 2: Nghiên cứu mơ hình tính tốn tính tốn vải địa kỹ thuật gia cường đất đắp đất yếu có gia cố cọc phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Chương So sánh phân tích kết tính tốn Chương Ứng dụng kết nghiên cứu để chọn giải pháp cấu tạo phương pháp tính tốn cho cơng trình thực tế PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận kiến nghị 4- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 5- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 6- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Phạm Văn Long CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS PHẠM VĂN LONG TS VÕ PHÁN Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN ! Để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ này, chân thành biết ơn tất q Thầy Cơ mơn Địa Cơ Nền Móng Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM tận tình truyền đạt kiến thức suốt trình học, thời gian làm luận văn cao học Kính gửi lời cảm ơn đến Tiến sỹ Phạm Văn Long, người hỗ trợ, hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt thời gian tiến hành đến lúc hồn tất luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn lời động viên, kinh nghiệm truyền đạt bạn bè đồng nghiệp q trình cơng tác Công ty Cổ Phần Tư Vấn Xây Dựng Vina Mekong Xin gửi lời cảm ơn đến anh chị bạn lớp cao học Địa Kỹ Thuật Xây Dựng khóa 2006 Và sau cùng, xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo tập thể thầy, cô Phòng Quản lý sau đại học Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM giúp đỡ suốt khóa học TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài Nghiên cứu tính tốn ứng suất, biến dạng ổn định cơng trình đắp đất yếu xử lý cọc bê tông cốt thép vải địa kỹ thuật cường độ cao Tóm tắt Lún sụt ổn định đất yếu vấn đề quan tâm cơng trình đắp đất yếu Các khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long, TP HCM tỉnh lân cận có đất yếu phân bố rộng với chiều dày từ 10m đến 30m, việc gia cố đất yếu cho công trình đắp khu vực ln gặp khó khăn Nhiều giải pháp gia cố khác nghiên cứu gia tải trước kết hợp với đường thoát nước đứng, khoan vữa, gia cố cọc đất trộn xi măng …Phương pháp gia cố đất yếu cọc kết hợp với vải địa kỹ thuật gia cường đất đắp, tên tiếng Anh thường gọi “Geosynthetic Reinforced Pile Embankment” viết tắt (GRPE) phương pháp ổn định đất yếu phổ biến Được cải tiến từ phương pháp gia cố thông thường cọc với mũ cọc đất đắp, hệ thống GRPE tận dụng tối đa làm việc vải địa kỹ thuật (ĐKT) gia cường Luận văn tập trung nghiên cứu ứng xử đất đắp vải địa kỹ thuật gia cường mũ cọc Đồng thời, phân tích mơ hình kết cấu cấu truyền lực hệ thống GRPE Kết nghiên cứu phân tích, so sánh gồm kết phân tích cơng thức lý thuyết, quan trắc thí nghiệm mơ hình kết phân tích tính tốn phần tử hữu hạn (FEM) thực phần mềm Plaxis Từ đó, rút kết luận kiến nghị hai phương pháp tính tốn thiết kế hệ thống GRPE phân tích tính tốn lý thuyết phân tích tính tốn chương trình phần tử hữu hạn (FEM) Sau cùng, kiến nghị áp dụng phương pháp tính tốn cho cơng trình đắp sử dụng hệ thống GRPE TP HCM vùng lân cận SUMMARY OF THESIS Title of Thesis Study of stress, deformation and stability of the embankment on the soft ground treated by micro reinforced concrete piles with geotextile reinforcement Abstract Excessive settlement and instability are main problems of embankment construction on the soft ground The soft soil in Mekong Delta, Ho Chi Minh City and other surrounding areas are wide distributed and vary from 10m to more than 30m depth Hence, there is difficulty in soft soil treatment work There are many solutions in soft soil treatments such as preloading combine PVD, jet grouting, deep soil mixing column, etc Geosynthetic Reinforced Pile Embankment (GRPE) system is one of the most popular solutions in soft soil treatment now In the common soil reinforcing, pile embankment was used However, pile embankment combined geosynthetic layers are used in GRPE system in order to take full advantage of geosynthetic layers This thesis concentrates on behavior of the embankment, geosynthetic layers above the pile caps In addition, structure model analyze and load transfer mechanism of GRPE systems are mentioned and studied The study result is detailed and carefully compared among theoretical analyze, monitoring results from experimental model and Finite Element Method (FEM) by Plaxis program Two methods are suggested for analyzing GRPE system: theoretical analyze and FEM Finally, conclusions and comments of this study are considered to apply for similar projects in HCM city and surrounding areas -i- MỤC LỤC PHẦN I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN MỞ ĐẦU ™ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ™ XÁC LẬP NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU – PHẠM VI GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ™ CẤU TRÚC LUẬN VĂN CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG DƯỚI ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CÓ GIA CỐ CỌC 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG VÒM CỦA ĐẤT 10 1.3 CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC 16 1.4 SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT 18 1.5 LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG MÀNG 18 1.5.1 Hệ số giảm ứng suất 19 1.5.2 Mơ hình vịm đất cống ngầm 20 1.5.3 Phương pháp Terzaghi 21 1.5.4 Lý thuyết Hewlett Randolph 22 1.5.5 Lực kéo vải địa kỹ thuật 22 1.5.6 Phản lực đất 25 1.5.7 Lực kéo vải địa kỹ thuật trượt 26 1.5.8 Biến dạng vải địa kỹ thuật gia cường 27 1.5.9 Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn BS8006 27 1.5.10 Thí nghiệm trường vòm đất đắp lực kéo vải ĐKT 29 1.5.10.1 Giới thiệu chung 29 1.5.10.2 Các thơng số áp dụng thí nghiệm mơ hình 30 1.6 THIẾT KẾ CỌC 42 1.6.1 Kích thước nhóm cọc 43 1.6.2 Chuyển vị ngang cọc mô men uốn cọc 43 1.6.3 Sự tương tác hiệu ứng vòm hiệu ứng màng 46 1.7 ỔN ĐỊNH MÁI ĐẤT ĐẮP 47 1.7.1 Theo Tiêu chuẩn BS8006 47 -iiPHẦN II NGHIÊN CỨU CHUYÊN SÂU VÀ PHÁT TRIỂN CHƯƠNG 50 NGHIÊN CỨU CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG DƯỚI ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ CỌC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) 50 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 50 2.2 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN CÁC MƠ HÌNH LÝ THUYẾT BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 50 2.2.1 Các vấn đề tồn việc ứng dụng chương trình Plaxis 50 2.2.2 Các thơng số sử dụng Plaxis để mơ mơ hình lý thuyết 53 2.2.3 Mơ hình tốn phẳng (2D) 54 2.2.4 Mơ hình tốn đối xứng trục 57 2.2.5 Mơ hình tốn khơng gian 59 2.3 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS 61 2.3.1 Các thông số sử dụng Plaxis mô mơ hình thí nghiệm 62 2.3.2 Các biển đổi mơ hình thí nghiệm thể Plaxis 63 2.3.3 Mơ hình tốn đối xứng trục 64 2.3.4 Mơ hình tốn khơng gian (3D) 65 2.4 NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN VỀ MƠ HÌNH TÍNH TỐN 67 CHƯƠNG 68 SO SÁNH VÀ PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ TÍNH TỐN 68 3.1 SO SÁNH KẾT QUẢ PLAXIS VỚI KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ THUYẾT 68 3.1.1 Phân tích so sánh kết tính tốn lý thuyết 68 3.1.2 Kiến nghị phương pháp tính tốn lý thuyết 70 3.1.3 Kiến nghị phương pháp tính tốn phần tử hữu hạn (FEM) 71 3.2 SO SÁNH KẾT QUẢ CÁC MƠ HÌNH BÀI TOÁN BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) 72 3.2.1 Lực căng vải địa kỹ thuật 72 3.2.1.1 Kết lực căng vải ĐKT khoảng cách cọc thay đổi 72 3.2.1.2 Kết lực căng vải ĐKT so sánh qua mơ hình tốn 73 3.2.2 Chuyển vị vải địa kỹ thuật 74 3.2.2.1 Kết chuyển vị vải ĐKT khoảng cách cọc thay đổi 74 3.2.2.2 Kết chuyển vị vải ĐKT so sánh qua mơ hình tốn 75 3.2.3 Nhận xét kết luận kết mơ hình tốn Plaxis 76 -iiiSO SÁNH KẾT QUẢ PLAXIS VỚI KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH 77 3.3.1 So sánh kết tính tốn Plaxis với kết TNMH 77 3.3.2 Nhận xét kết luận kết so sánh Plaxis với TNMH 79 3.3 CHƯƠNG 80 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ CHỌN GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ 80 4.1 GIỚI THIỆU 80 4.2 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 80 4.2.1 Dự Án Cảng POSCO 80 4.2.1.1 Giới thiệu chung phần xử lý Dự án 80 4.2.1.2 Địa chất cơng trình 83 4.2.1.3 Các thông số kết tính tốn 93 4.2.1.4 Nhận xét kết tính toán 97 4.2.2 Dự Án Nhà Máy Xử Lý Rác Vietstar 97 4.2.2.1 Giới thiệu phương pháp xử lý Dự án 97 4.2.2.2 Địa chất cơng trình 98 4.2.2.3 Các thơng số kết tính tốn 102 4.2.2.4 Nhận xét kết tính tốn 104 4.2.3 Dự Án Sửa Chữa Cầu Văn Thánh 107 4.2.3.1 Giới thiệu chung phương pháp xử lý Dự án 107 4.2.3.2 Địa chất cơng trình 110 4.2.3.3 Các thông số kết tính tốn 114 4.2.3.4 Nhận xét kết tính tốn 118 PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119 KẾT LUẬN 119 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC A TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG TRÊN ĐẦU CỌC THEO CÔNG THỨC LÝ THUYẾT PHỤ LỤC B KẾT QUẢ QUAN TRẮC THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH Ở KUALA LUMPUR, MALAYSIA PHẦN I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN PL-4 Bảng PL3 Tính tốn vải ĐKT gia cường theo công thức Hewlett Randolph TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG TRÊN ĐẦU CỌC DƯỚI ĐẤT ĐẮP (Theo công thức Hewlett & Randolph (1988)) Các thông số thiết kế Đất đắp H (m) = 1.00 1.50 1.75 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 0.425 0.383 0.351 0.327 0.307 0.484 0.425 0.383 0.351 0.330 0.330 Khoảng cách lưới cọc Kích thước mũ cọc vuông Dung trọng đất đắp s= a= γ= 2.00 m 0.80 m 19.0 kN/m³ Góc mma sát đất đắp Biến dạng dọc vải địa kỹ thuật gia cường ø = ε = 30.0 0.06 Kết tính tốn - Hệ số áp lực đất bị động Kp = 1+ sinφ ' 1− sinφ ' Kp = Tỉ lệ giảm ứng suất đỉnh vịm xác định theo cơng thức ⎛ a⎞ S sr = ⎜1 − ⎟ ⎝ s⎠ Ssr1 = 2.( K −1) ⎛ 2.(K p − 1) ⎞ (s − a) 2.( K p − 1) ⎟+ ⎜1 − s ⎜ 2.H (2.K p − 3) 2.H (2.K p − 3) ⎟⎠ ⎝ 1.017 0.721 0.636 0.573 0.484 Tỉ lệ giảm ứng suất mũ cọc xác định theo công thức S sr = Ssr2 = ⎛ 2.K p ⎞ ⎛ ⎛ a ⎞(1− K p ) ⎛ a ⎞⎛ a ⎞ ⎞ ⎛ a ⎞ − ⎜1 − ⎟⎜1 + K p ⎟ ⎟ + ⎜1 − ⎟ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎜1 − ⎟ ⎝ s ⎠⎝ s ⎠ ⎠⎟ ⎝ s ⎠ ⎝ K p +1 ⎠ ⎝ ⎝ s ⎠ 0.330 Ssr = Max(Ssr1, Ssr2) = Ssr = 1.017 0.721 0.636 0.573 - Ứng suất thẳng đứng tác dụng lên vải địa kỹ thuật gia cường WT = WT = Ssr γ H (s − a2 ) 2.(s − a) 27.04 28.77 29.63 30.49 32.21 33.94 35.66 37.38 39.55 43.94 43.188 44.445 46.957 49.470 51.983 54.495 57.651 64.057 - Lực kéo yêu cầu vải địa kỹ thuật Trp = Trp = Ssr γ H (s2 − a2 ) 1+ 4.a 6.ε 39.419 41.932 PL-5 Bảng PL4 Tính tốn vải ĐKT gia cường theo phương pháp John TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG TRÊN ĐẦU CỌC DƯỚI ĐẤT ĐẮP (Theo phương pháp John (1987)) Các thông số thiết kế Đất đắp H (m) = 1.00 1.50 1.75 2.00 2.50 Khoảng cách lưới cọc Kích thước mũ cọc vng Dung trọng đất đắp s= a= γ= 2.00 m 0.80 m 19.0 kN/m³ Góc mma sát đất đắp Hệ số lệch tải đất đắp ø = fs = 30.0 1.00 Hệ số lệch tải tải trọng bên đất đắp fq = 1.00 Biến dạng dọc vải địa kỹ thuật gia cường Hoạt tải đất đắp ε = q= 0.08 0.0 kPa L= 1.20 m 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 Các thông số qui đổi L = s-a WT = 21.63 30.54 33.58 33.11 32.45 32.01 31.69 31.45 31.27 31.12 WB = 2.85 4.275 4.9875 5.7 7.125 8.55 9.975 11.4 12.825 14.25 21.37 19.79 18.32 16.92 15.56 14.23 Kết tính tốn a = b = 1+ ε G = VT = VP = εG = 1.20 m 0.30 m Giải lặp từ εG ⎡ 4b 16b2 a 16b2 ⎤ 1+ + ( ) loge ⎢( ) + ⎥ 8b a a2 ⎥⎦ ⎢⎣ a 1.06 1.06 0.06 0.00 a2 T = (Wt −WB )a 1+ 2 16b T = 15.84 22.15 kN/m 24.12 23.12 PL-6 Bảng PL5 Tính tốn vải ĐKT gia cường theo phương pháp kiến nghị TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG TRÊN ĐẦU CỌC DƯỚI ĐẤT ĐẮP (Theo công thức kiến nghị) Các thông số thiết kế Đất đắp H (m) = 1.00 1.50 1.75 2.00 2.50 Khoảng cách lưới cọc Kích thước mũ cọc vng Dung trọng đất đắp s= a= γ= 2.00 m 0.80 m 19.0 kN/m³ Góc mma sát đất đắp Hệ số lệch tải đất đắp ø = fs = 30.0 1.00 Hệ số lệch tải tải trọng bên đất đắp fq = 1.00 Biến dạng dọc vải địa kỹ thuật gia cường Hoạt tải đất đắp ε = q= 0.08 0.0 kPa L= 1.20 m 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 Các thông số qui đổi L = s-a WT = 21.63 30.54 33.58 33.11 32.45 32.01 31.69 31.45 31.27 31.12 WB = 3.24 4.58 5.04 4.97 4.87 4.80 4.75 4.72 4.69 4.67 23.27 22.95 22.72 22.55 22.42 22.31 (WB = 0.15* WT) Kết tính tốn a = b = 1+ ε G = VT = VP = εG = 1.20 m 0.30 m Giải lặp từ εG ⎡ 4b 16b2 a 16b2 ⎤ 1+ + ( ) loge ⎢( ) + ⎥ 8b a a2 ⎦⎥ ⎣⎢ a 1.06 1.06 0.06 0.00 a2 T = (Wt −WB )a 1+ 2 16b T = 15.51 21.90 kN/m 24.08 23.74 PL-7 B ÁP DỤNG CHO DỰ ÁN SỬA CHỮA CẦU VĂN THÁNH Bảng Tính tóan vải gia cường đầu cọc vị trí đắp cao TÍNH TOÁN CỐT GIA CƯỜNG TRÊN ĐẦU CỌC Phương pháp tính: Tính theo tiêu chuẩn BS 8006 (1995) Các thông số tính toán Chiều cao lớp đất đắp H= γ= Dung trọng lớp đất đắp 2.60 m 20.0 kN/m³ Khoảng cách cọc S= 2.50 m Đường kính mũ cọc a= 1.25 m Hệ số vượt tải đất đắp fs = 1.3 Hệ số vượt tải tải trọng fq= 1.3 Biến dạng cho phép củ VĐKT ε= 0.06 Hoạt tải (xe HL-93) q= 21.6 kPa Tính toán cốt gia cường - Hệ số hiệu ứng vòm cọc ma sát tính sau ⎛ H ⎞ C c = 5⎜ ⎟ − 07 ⎝ a ⎠ Cc = 3.05 - Ứng suất trung bình tính toán cao trình mặt lớp cốt gia cường σ 'v = f sγH + f q q σ 'v = 95.67 kN/m2 - Ứng suất tác dụng mũ cọc, tính sau p 'c ⎛C a ⎞ = ⎜ c ⎟ σ 'v ⎝ H ⎠ p'c/σ'v = 2.15 - Tải trọng tính toán phân bố mặt cốt gia cường tính sau + Khi H>1.4(S-a) WT = ⎤ 1.4 × S × f s × γ (S − a ) ⎡ 2 ⎛ p' c ⎞ ⎢ S − a ⎜⎜ ⎟⎟⎥ σ ' S − a2 ⎝ v ⎠⎦ ⎣ ( ) + Khi 0.7(S-a)