Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng sử dụng để gia cố nền đường

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐINH CÔNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG SỬ DỤNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (60.58.60) LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM 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 ngày tháng năm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 10 tháng 09 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐINH CÔNG PHƯƠNG Ngày, tháng, năm sinh: 16 – 02 – 1977 Giới tính: Nam T/ Nữ Nơi sinh: Mỹ Tho - Tiền Giang Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Khoá (Năm trúng tuyển): 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG SỬ DỤNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG – TÌM HIỂU CÁC CƠNG TRÌNH THIẾT KẾ ĐƯỜNG GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG TẠI KHU VỰC TP.HCM VÀ VÙNG PHỤ CẬN TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TỐN SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC THIẾT LẬP CƠNG THỨC GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG ĐƯỢC TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03/09/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Minh Tâm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) TS Nguyễn Minh Tâm TS Võ Phán Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH tháng năm 2009 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Luận Văn Tốt Nghiệp tổng hợp toàn kiến thức mà tác giả tiếp thu khoảng thời gian học Cao Học Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM chuyên ngành Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Trong trình thực hiện, tác giả gặp nhiều bỡ ngỡ, khó khăn việc tìm kiếm tài liệu tham khảo phân tích kết Đến hôm nay, Luận Văn hoàn thành, tác giả xin chân thành cảm ơn: Em xin cảm ơn tất thầy cô tham gia giảng dạy chuyên ngành hết lòng truyền đạt kiến thức quí báu suốt thời gian em theo học Em xin gửi lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến thầy NGUYỄN MINH TÂM, người ln quan tâm, hướng dẫn tận tình thời gian thực Luận Văn Tác giả xin cảm ơn anh, chị cán kỹ thuật Ban Quản lý Dự án Đại lộ Đông Tây, Ban Quản lý Dự án Cầu Thủ Thiêm Phòng Quản lý Giao thông - Sở Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ thời gian tác giả thu thập số liệu để thực luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè thân hữu giúp đỡ, động viên thời gian hoàn thành Luận Văn Tp HCM, ngày 03 – 07 – 2009 ĐINH CÔNG PHƯƠNG ABSTRACT Geotechnical engineers face several challenges when constructing embankments over soft soils because of bearing failure, intolerable settlement, and global or local instability… Method that using Deep Cement Soil Mixing Column to strengthen embankments is an economic and effective method to construct roads on soft soils Evaluating the stress distribution and displacement of embankment into the soft soil is a very necessary work for design The transfer the embankment load into the column is almost explained by soil arching phenomenon that plays a significant role in the behavior of embankments supported on columns The purpose of this Thesis is using Finite Element Method Program, such as Plaxis, to modeling embankment, which is supported by Deep Cement Soil Mixing Column, to find out the stress distribution and displacement of embankment, with or without using geosynthetic membrane The critical height of embankment in soil arching phenomenon and the Stress Reduction Ratio, that is suitable for Ho Chi Minh City’s geological condition, can be determined All the results are compared with other foreign researcher’s results to find out appropriated numerical function to calculating stress under embankment TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, trình thiết kế đường lớp đất yếu, kỹ sư địa kỹ thuật xây dựng gặp nhiều trở ngại đất yếu khơng đủ khả gánh đỡ cơng trình, độ lún lớn ổn định tổng thể cục đường Phương pháp ứng dụng cọc đất trộn xi măng để gia cố đường đất yếu phương pháp mang tính kinh tế đạt hiệu cao Trong việc thiết kế, điều cần thiết tìm phân bố ứng suất chuyển vị gia cố Cơ chế truyền tải trọng từ đường sang cọc đất trộn xi măng đất yếu giải thích tượng hiệu ứng vịm Nó đóng vai trị quan trọng việc phân tích ứng xử đường, gia cố cọc đất trộn xi măng Luận Văn có mục tiêu mơ hình đường, gia cố cọc đất trộn xi măng, phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể chương trình Plaxis, để tìm qui luật phân bố ứng suất biến dạng đường, cọc đất trộn xi măng phần đất yếu bên dưới, cho trường hợp có khơng có sử dụng vải địa kỹ thuật Giá trị chiều cao cực hạn đất đắp hệ số giảm ứng suất SRR ứng với số liệu địa chất cơng trình khu vực thành phố Hồ Chí Minh xác định Tác giả so sánh kết tìm với công thức lý thuyết thực nghiệm nhà nghiên cứu giới để tìm cơng thức giải tích thích hợp nhất, ứng dụng cho điều kiện địa chất khu vực thành phố Hồ Chí Minh MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Ý nghĩa khoa học đề tài Phạm vi nghiên cứu luận văn Chương : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG 1.1 Lịch sử hình thành phát triển phương pháp cọc đất trộn xi măng 4 1.1.1 Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng giới 1.1.2 Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng Việt Nam 1.2 Khái niệm công nghệ trộn sâu chế tạo cọc đất trộn xi măng 1.2.1 Khái niệm công nghệ trộn sâu 1.2.2 Công nghệ thi công 1.3 Nguyên lý hình thành cường độ cọc đất trộn xi măng 1.4 Tổng quan giải pháp gia cố đất yếu đường cọc đất trộn xi măng 1.5 Trình tự thi cơng, quản lý chất lượng cọc đất trộn xi măng 11 13 1.5.1 Trình tự thi cơng 13 1.5.2 Quy trình kiểm sốt chất lượng cho DSMC 13 1.5.3 Cơng tác thí nghiệm 13 1.6 Một vài số liệu giải pháp gia cố đất yếu đường cọc đất trộn xi măng 14 1.7 Một số cơng trình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng (DSMC) để gia cố đất yếu Thành phố Hồ Chí Minh 1.7.1 Cơng trình: Dự án Đại lộ Đơng Tây 15 15 1.7.2 Cơng trình: Hầm Thủ Thiêm – Dự án đường chui đường Nguyễn Hữu Cảnh, thuộc dự án Đại lộ Đơng Tây 20 1.7.3 Cơng trình: Đường vào cầu Khánh Hội – Dự án trọng điểm Thành phố Hồ Chí Minh 21 1.8 Trình tự trộn cọc đất gia cố xi măng (DSMC) để gia cố đất yếu dự án Đại lộ Đông – Tây 22 Chương 2: CÁC MƠ HÌNH PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG 2.1 Tính tốn cọc đất trộn xi măng theo phương pháp truyền thống – độ lún cọc đất trộn xi măng đất 24 24 2.2 Phương pháp tính tốn theo mơ hình Poorooshasb Meyerhof 29 2.3 Phương pháp tính tốn dựa vào lý thuyết “Hiệu ứng vòm” 32 2.3.1 Định nghĩa hiệu ứng vòm 2.3.2 Áp dụng nguyên lý hiệu ứng vòm vào việc xác định ứng suất truyền xuống hệ cọc đất trộn xi măng 2.3.3 Các thí nghiệm hiệu ứng vịm 32 33 34 2.3.3.1 Thí nghiệm cửa sập Terzaghi (1936) 34 2.3.3.2 Thí nghiệm Chen Yun-min cộng (2006) [4] 35 2.3.3.3 Các mơ hình tính tốn phân bố ứng suất lên cọc đất trộn xi măng dựa nguyên lý hiệu ứng vịm 45 2.4 Tính tốn phân bố ứng suất lên cọc đất trộn xi măng có kết hợp gia cường vải địa kỹ thuật 53 2.4.1 Cơ chế truyền lực phân bố ứng suất 53 2.4.2 Mơ hình móc xích (Catenary Method) – Mơ hình John (1987) 59 2.4.3 Mơ hình dầm – Mơ hình Collin (2003) 61 2.4.4 Lý thuyết hiệu ứng màng – Mơ hình Marston – Tiêu chuẩn Anh BS8006 62 2.4.5 Mơ hình Carlsson (1987) 64 2.4.6 Sự tương tác hiệu ứng vòm hiệu ứng màng 64 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC THIẾT LẬP CƠNG THỨC GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG 3.1 Mơ hình đàn hồi cọc đất trộn xi măng gia cố đất yếu 71 71 3.1.1 Giới thiệu mơ hình 71 3.1.2 Thiết lập phương trình 72 3.1.2.1 Hệ tọa độ tổng quát 72 3.1.2.2 Đối với đất không xử lý – vùng đất yếu xung quanh cọc đất trộn xi măng đơn nguyên 73 3.1.2.3 Đối với đất xử lý – phần tử đất cọc đất trộn xi măng 76 3.1.2.4 Kết hợp phương trình lại 3.2 Xác định ứng suất thẳng đứng tác dụng lên cọc đất trộn xi măng 77 78 dựa vào ảnh hưởng hiệu ứng vòm 3.3 Sự tương tác cọc đất trộn xi măng vùng đất yếu xung quanh cọc 80 3.4 Thiết lập phương trình diễn tả phân bố ứng suất thẳng đứng cọc đất trộn xi măng vùng đất yếu xung quanh cọc 81 3.4.1 Ứng suất tác dụng lên vùng đất yếu xung quanh cọc đất trộn xi măng 81 3.4.2 Ứng suất tác dụng lên cọc đất trộn xi măng 83 3.4.3 Mối quan hệ chuyển vị cọc đất trộn xi măng vùng đất yếu xung quanh cọc 84 3.5 Quan hệ ứng suất - biến dạng cọc đất trộn xi măng vùng đất yếu xung quanh cọc 87 3.5.1 Quan hệ ứng suất biến dạng vùng đất yếu xung quanh cọc 87 3.5.2 Quan hệ ứng suất biến dạng cọc đất trộn xi măng 90 3.5.3 Tương quan biến dạng cọc đất trộn xi măng vùng đất yếu xung quanh 90 Chương MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG ĐƯỢC TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 4.1 Giới thiệu chung phương pháp PTHH sử dụng để mô 94 94 4.1.1 Tổng quan phương pháp PTHH– FINITE ELEMENT METHOD 4.1.2 Phân tích chương trình PLAXIS mơ hình 4.1.3 Các thơng số mơ hình Morh – Coulomb 4.2 Ngun lý qui đổi từ mơ hình thực tế sang mơ hình PLAXIS 2D 4.2.1 Qui đổi bề rộng cọc 4.2.2 Qui đổi Module đàn hồi 94 96 97 99 100 101 4.3 Mơ hóa đường gia cố cọc đất trộn xi măng phần mềm PLAXIS 2D 4.3.1 Sơ lược cơng trình chọn để mô 4.3.2 Các thông số mơ hình tốn phẳng 2D 102 102 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Biểu đồ mơ tả phản ứng cọc đất trộn xi măng mối quan hệ hàm lượng ximăng cường độ cọc 11 Hình 1.2 Mơ hình 3D thể kết cấu đường gia cố cọc đất trộn xi măng, kết hợp sử dụng vải địa kỹ thuật 12 Hình 1.3 Sơ đồ bố trí cọc đất - ximăng mặt 14 Hình 1.4 Bản đồ tuyến Đại lộ Đơng Tây 16 Hình 1.5 Mặt cắt ngang điển hình đường dẫn khu vực cầu Nước Lên, Cầu Kênh 1, Cầu Kênh 2, Cầu Cá Trê Nhỏ gia cố bằng cọc đất trộn xi măng 17 Hình 1.6 Mặt cắt ngang điển hình hạng mục đường khu vực Rạch Cây – Lò Gốm 17 Hình 1.7 Qui trình thi cơng điển hình cơng trình đường gia cố cọc đất trộn xi măng 18 Hình 1.8 Máy thi cọc đất trộn xi măngtại khu vực Kênh Kênh 19 Hình 1.9 Khoan lõi thí nghiệm cho cọc đất XM thử khu vực Cầu Rạch Cây 19 Hình 1.10 Thi cơng đào đất đốt hầm H1 ¸ H3, sau cọc đất trộn xi măng đạt cường độ cho phép 20 Hình 1.11 Tồn cảnh khu vực gia cố cọc đất trộn xi măng – phần đường vào cầu Khánh Hội – Phía Quận 21 Hình 1.12 Kiểm tra kích thước khoảng cách cọc đất XM 21 Hình 1.13 Mặt cắt điển hình hạng mục đường khu khu vực Cầu Khánh Hội 22 Hình 2.1 Mơ hình cọc đất trộn xi măng đất làm việc đồng thời 25 Hình 2.2 Mơ hình cọc đất trộn xi măng đất Poorooshasb Meyerhof 31 Hình 2.3: Mơ hình cột đất thể định nghĩa hiệu ứng vịm 32 Hình 2.4 Sơ đồ hiệu ứng vịm áp lực qua thí nghiệm cửa sập Terzaghi 34 Hình 2.5 Dụng cụ thí nghiệm Chen Yun-min cộng (2006) 36 Hình 2.6 Sự chuyển vị lớp cát thí nghiệm Thí nghiệm số số 41 Hình 2.7 Các mơ hình phân bố ứng suất hiệu ứng vịm [6] 46 Hình 2.8 Mơ hình rãnh Terzaghi 47 Hình 2.9 Mơ hình nêm Guido Carlsson 49 -122- Hệ số tập trung ứng suất n 8.5 7.5 6.5 Co Vai DKT 5.5 Khong Vai DKT h/(s-a) Đồ thị 4.9 Quan hệ ứng suất chiều cao lớp đất đắp Tmax (kN/m) 150 PLAXIS BS2006 Carlsson 100 50 0 h/(s-a) Đồ thị 4.10 Quan hệ lực kéo dọc trục lớn tỷ số h/(s-a), ứng với thiết kế E=200kN/m; s=2m a=0.6m -123- Theo cơng thức tính lực kéo vải địa kỹ thuật theo Carlsson không phụ thuộc vào chiều cao lớp đất đắp h Khi tính theo cơng thức BS2006, h/(s-a) >1.4, giá trị lực kéo vải địa kỹ thuật thay đổi không đáng kể theo chiều cao lớp đất đắp Khi h/(s-a)