Nghiên cứu ứng xử của cọc ống bê tông gia cố nền đất yếu dưới nền đường đắp bằng phân tích PTHH

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA CỌC ỐNG BÊ TÔNG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP BẰNG PHÂN TÍCH PTHH.. PHAN HUY ĐÔNG *.[r]

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA CỌC ỐNG BÊ TÔNG GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP BẰNG PHÂN TÍCH PTHH

PHAN HUY ĐÔNG*

Study on the behaviours of Large Diameter Cast-in-place Concrete Pipe Pile for piled embankment reinforcement by FEM

Abstract: This paper presents a three-dimensional (3D) numerical analysis of a case study of a piled embankment project using the “Large diameter cast in-place concrete pipe pile (PCC pile) At this site, PCC pile with diameter of 1m, length of 16m were installed to support the design load of 150 kPa, which are generated by embankment height in range of 3m to 6m and train load In 3D analysis, the actual shape of PCCs and their installation pattern with the in-situ soil parameters were simulated Therefore, the behaviours of Pile under the embankment were analysed with different Pile spacing, Pile length and with or without Pile cap The 3D analysis found that the differential settlement between piles and soil can be controlled by both pile spacing and pile length In addition, selection of length of PCC pile should consider its characteristic since PCC pile is non-reinforcement

1 GIỚI THIỆU*

Bài toán gia cố đất yếu đường đắp cọc giải pháp tin cậy hiệu áp dụng xử lý đất yếu đường đắp cao, ví dụ đường dẫn đầu cầu, đường cao tốc, đường sắt,… Trong đó, giải pháp cọc bê tơng ống đường kính lớn đổ chỗ, gọi tắt cọc PCC áp dụng Việt Nam năm gần (Dong PH, 2016; Phan Huy Đơng 2017) Với ưu điểm dạng cọc ống, thành mỏng, dùng bê tông mà khơng dùng cốt thép, đường kính lớn, cọc PCC phát triển riêng cho gia cố đất yếu Cọc PCC chế tạo chỗ ống vách gồm hai ống thép hàn nối đồng trục, phía mũi hai ống thép cấu tạo lề bịt để bảo vệ ngăn không cho đất xâm nhập vào ống vách hạ Ống vách rung hạ liên tục xuống độ sâu thiết

* Bộ môn Cơ học đất-Nền móng, Đại học Xây dựng E-mail: dongph@nuce.edu.vn

kế búa rung đến độ sâu thiết kế Trong trình rung hạ ống vách, mũi cọc dạng hình nêm làm cho đất xung quanh thành cọc bị nén chặt để tạo khoảng rỗng chiều dày thành cọc Sau đó, tiến hành đổ bê tơng vào thành rỗng hai ống thép vừa rung ống vừa rút ống vách lên, bê tông trọng lượng thân đổ toàn vẹn bên ống vách, lực rung máy có tác dụng đầm chặt bê tông cọc đảm bảo chất lượng cọc đồng thời đầm chặt đất xung quanh cọc

2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PTHH PHÂN TÍCH BÀI TỐN CỌC GIA CỐ NỀN

Nhìn chung, thiết kế cọc đắp thường theo hai phương pháp:

1) Coi sau gia cố cọc làm việc “tương đương”: Phương pháp thường áp dụng cho trường hợp vật liệu cọc có độ cứng khơng q lớn so với đất (ví dụ: trụ đất xi măng, cọc đá,…) Khi đó, đất sau gia cố qui đổi tương đương với tiêu lý tính đổi trung bình có trọng số theo mật độ gia cố (tỷ diện tích thay thế);

2) Coi gia cố cọc làm “liên hợp” làm việc đồng thời cọc đất: Theo phương pháp này, tải trọng từ đất đắp phân phối phần vào cọc phần lại vào đất cọc Tỷ lệ phân phối phụ thuộc vào độ cứng cọc, độ cứng nền, khoảng cách cọc, chiều cao đắp bên Để nâng cao hiệu làm việc cọc, phát huy hiệu ứng tập trung ứng suất đắp vào đầu cọc (hiệu ứng vịm), người ta cịn bố trí tầng đệm đầu cọc, tầng đệm cấu tạo thông thường lớp vải địa kỹ thuật xen kẹp lớp cát đệm lưới địa kỹ thuật xen kẹp lớp đá dăm (Hình 1) Do cọc có độ cứng lớn, lại hạ sâu vào lớp bên dưới, thiết kế cần phát huy tối đa khả làm việc cọc gia cố (JGJ/T 213- 2010)

Hình Nguyên lý làm việc giải pháp gia cọc gia cố đất yếu đắp

Phương pháp PTHH ứng dụng rộng rãi tính tốn thiết kế toán Địa kỹ thuật (David and Zdravkovic-2001) Trong đó, phân tích tính tốn chủ yếu áp dụng tốn phẳng (2D) Khi cọc mơ hình hóa phần tử (plate) phần tử neo ("node to node”) Theo cách mô tả có số tồn sau:

- Phần tử dạng neo "node to node": Cọc mô tả phần tử dạng neo với hai điểm đầu cuối cố định, cọc chịu kéo nén, phần tử không xét đến tương tác cọc đất xung quanh Do đất chảy tự cọc Điều hạn chế không phản ánh làm việc cọc

- Sử dụng phần tử (Hình 2): Các phần tử với thuộc tính độ cứng kháng uốn, kháng nén phần tử bề mặt qui đổi tương đương từ hàng cọc theo đơn vị chiều dài tính Tuy nhiên, cách phân tích không cho phép đất chuyển dịch qua khe cọc, không phản ánh làm việc Do đó, kết phân tích có nhiều hạn chế, đặc biệt khảo sát toán ổn định trượt đắp xét đến khả chống chuyển vị ngang cọc cọc có đường kính lớn khoảng cách cọc phương khác

a

Cọc gia cố

b

Hình Sơ đồ tính cho tốn cọc gia cố nền: a) Sơ đồ thực tế; b) Mơ hình tính

Nhằm khắc phục hạn chế toán 2D, báo phân tích khảo sát làm việc cọc điều kiện biên thay đổi thực toán chiều (3D), sử dụng phần mềm Plaxis 3D foundation Toàn phân tích ứng suất, biến dạng suốt trình gia tải mơ theo sơ đồ chiều

3 ỨNG SỬ CỦA CỌC PCC GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP

3.1 Giới thiệu dự án

Cọc PCC áp dụng cho dự án xây dựng đường sắt thị Hà Nội Trong cọc PCC sử dụng để gia cố đất yếu đường đắp cao Bên kết cấu đường sắt Điều kiện địa chất giải pháp thiết kế cọc khu vực khảo sát mô tả Hình Trong đó, đất với nhiều lớp xen kẹp, chiều dày lớp đất mềm yếu thay đổi từ 20 m đến 25m, có lẫn lớp thấu kính cát mỏng xen kẹp Với yêu cầu chịu tải không lớn, cọc PCC thiết kế theo mơ hình cọc ma sát Các thơng số tải trọng, giải pháp thiết kế cọc độ lún cho phép tổng hợp Bảng

Bảng Các thông số kỹ thuật của cọc PCC gia cố

STT Thông số Đơn

vị Giá trị Sức chịu tải yêu cầu gia cố

(tại mặt lớp gia cố cọc) kPa 150 Chiều cao lớp đắp m 36

3 Đường kính cọc m 1,0

4 Chiều dày thành cọc m 0,12

5 Chiều dài cọc m 1618

6 Khoảng cách cọc (lưới ô vuông) m×m 3,0 4,0 Độ lún dư yêu cầu đắp cm 30

2F 2.30 2a

4.50 3a

7.00 3b

10.80

5a

15.60 6d

17.30 8b

19.70 8e

23.40

2

0

3

4

3

12

4

12

14

1

8 m

Hình Điều kiện địa chất giải pháp thiết kế cọc PCC

c Đổ mũ cọc; d San lấp làm phẳng bề mặt

e Thi công tầng đệm đá dăm lưới ĐKT f Thi công đắp kết cấu đường

Hình Một số hình ảnh thi công cọc PCC dự án đường sắt đô thị (Dong PH., 2016)

3.2 Thiết lập sơ đồ tính

Với mục đích nhằm đánh giá sức chịu tải giới hạn gia cố cọc PCC tìm hiểu thêm ứng xử gia cố cọc toán gia tải vào liên hợp cọc đất Sơ đồ làm việc cọc trình gia tải đắp mô tả phần mềm Plaxis 3D foundation (Plaxis tutorial Manual) Nội dung phân tích Plaxis 3D foundation bao gồm bước sau:

Bước Lập sơ đồ tính: Dựa mặt cắt

thiết kế điển hình đường Hình 5.a, sơ đồ tính tốn lập Hình 5.b Do tốn đối xứng qua trục tâm đường, để giảm bớt khối lượng phân tích, sơ đồ phân tích xét nửa đường Các lớp đất dời dính phân tích theo dạng mơ hình khác Bảng tổng hợp tiêu lý lớp đất (mơ tả hình 3) xác định dựa vào báo cáo khảo sát địa chất dự án

a

b

Active pore pres sures

30m 6m 8m

Mơ hình 3D

Bước Xác lập điều kiện ban đầu:

Cũng giống sử dụng phần mềm mơ tốn phẳng 2D, phân tích trạng thái ứng suất biến dạng toán 3D, trước hết cần thiết lập điều kiên ban đầu ứng suất ban đầu (do trọng lượng thân) áp lực nước lỗ rỗng thủy tĩnh Ứng suất ban đầu xác định trạng thái cố kết thường (trạng thái k0)

áp lực nước lỗ rỗng xác đinh theo áp lực thủy tĩnh

Bước Thiết lập thi công cọc: Các cọc

PCC dạng ống mơ phần tử dạng ống (tube) với thông số vật liệu gán bê tông sử dụng dự án (Cấp độ bền B22.5)

Bước Thiết lập thi công đắp: Nền đất

đắp cát

Bảng Tổng hợp tiêu lý lớp đất Lớp đất

2F 2a 3a 3b 5a 6d 8b

Thông

số Đơn vị

MH MH CH, CL ML

MH, MO

CL-ML&ML ML

Chiều dày 2,3 2,2 2.5 3,8 4,8 1.7 6,1

Mô hình HS HS HS HS HS MC HS

 kN/m3 17,5 16,7 15,1 16,3 16,1 18 17,5

c (kPa) 11,53 8,55 11,02 14,49 17,02 7,5

 độ 18 18°16′ 18°28′ 23°82′ 23°90′ 21°12′ 26°

e 1,184 1,43 2,044 1,531 1,57 1,56 1,178

Cc 0,04 0,048 0,095 0,06 0,057 0,038 0,039

Cs 0,057 0,06 0,105 0,06 0,064 0,039 0,044

E50 kPa 3300 3300 2100 3200 2600 4900 7400

Eoed kPa 3450 4800 3000 4913,612 4000 3710,79 7410,79

Eur kPa 9000 9500 6000 9500 8312 12000 15900

3.3 Phân tích hiệu cọc PCC gia cố nền

Nhằm đánh giá vai trò cọc PCC gia cố nền, báo tiến hành khảo sát trạng thái

ứng suất biến dạng trường hợp có bố trí cọc khơng bố trí cọc với chiều cao đắp tăng dần (thông số thiết kế mô tả Bảng 1)

Nền tự nhiên H đắp = 5m

a Chuyển vị khơng có cọc

Cọc 3mx3m, , dài 16m H đắp = 5m

c Mô tả chuyển vị ngang cọc

-25 -20 -15 -10 -5

0 0.2 0.4 0.6 0.8

C

h

iều

sâ

u (m)

Chuyển vị nghang (m)

Hđắp=3m Hđắp =3m

Hđắp=4m Hđắp=4m

Hđắp=5m Hđắp=5m

Có cọc Khơng có cọc

d Chuyển vị ngang vị trí chân mái dốc trường hợp có cọc

khơng có cọc

Hình Kết phân tích chuyển vị trường hợp có cọc khơng có cọc

Kết phân tích chuyển vị (lún chuyển vị ngang) gia cố cọc, ứng sử cọc mơ tả Hình Hình Cụ thể sau:

Chuyển vị thẳng đứng (Độ lún):

Trường hợp tự nhiên (Hình 6.a Hình 7.a): Chuyển vị đứng chủ yếu tập trung vào lớp đất bên trên, phạm vi phân phối cho thấy vùng ảnh hưởng xấp xỉ kích thước bề rộng gia tải Độ lún lớn, chiều cao đắp đến 4m, có dấu hiệu bị trượt trồi, chuyển vị đứng số điểm gần chân mái đắp có xu chuyển vị lên

Trường hợp có cọc (Hình 6.b Hình 7.b): Phạm vi ảnh hưởng xuống sâu hơn, thấy đến hết chiều dài cọc, điều cọc tiếp nhận tải trọng phân phối dọc theo thân cọc Độ lún gia cố cọc giảm đáng kể Có thể thấy, chiều cao thiết kế (5m) chuyển vị xấp xỉ12 cm, đáp ứng yêu cầu độ lún theo thiết kế

Chuyển vị ngang nền:

Trường hợp khơng có cọc (Hình 6.a 6.d): Chuyển vị ngang chủ yếu tập trung vị trí

chuyển vị ngang lớn tăng mạnh Chân mái dốc bị đẩy trồi

a

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ĐỘ

LÚN (m)

KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m)

H đắp = 1m H đắp = 2m H đắp = 3m H đắp = 4m H đắp = 5m H đắp = 6m

b

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ĐỘ LÚN (m)

KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m)

H đắp = 1m H đắp = 2m H đắp = 3m H đắp = 4m H đắp = 5m H đắp = 6m

Hình Độ lún đất yếu theo chiều cao đắp (H đắp) khác nhau:a Nền tự nhiên;

b Nền gia cố cọc (3mx3m)

khảo sát chuyển vị ngang cọc cho thấy cọc biên chịu chuyển vị ngang nhiều so với cọc tim đường Khi chiều cao đắp 5m, chuyển vị ngang lớn đỉnh cọc biên xấp xỉ 5,67 cm

Áp lực nước lỗ rỗng dư:

Kết phân tích áp lực nước dư đất sau thi cơng đắp mơ tả Hình Trường hợp tự nhiên, thời điểm thi công đắp xong (tốc độ đắp trung bình lấy theo tốc độ đắp thực tế dự án, xấp xỉ 0,5m/ngày), áp lực nước lỗ rỗng dư tăng với tẳng tải trọng đắp Toàn áp lực đất đắp tác dụng vào nước lỗ rỗng tiêu tán dần theo thời gian Tuy nhiên trường hợp có cọc, phần lớn tải trọng đắp phân phối vào cọc, áp lực nước dư tăng lên khơng đáng kể giá trị áp lực nước dư giảm tăng chiều cao đắp, điều giải thích tăng chiều cao đắp, xuất hiệu ứng vòm, tải trọng đắp phân phối vào cọc nhiều vào đất cọc áp lực nươc dư giảm theo

d

(*H)

Hình Áp lực nước dư độ sâu xấp xỉ 5m (lớp đất số 3a)

3.4 Phân tích ảnh hưởng mật độ gia cố cọc

Nhằm đánh giá ảnh hưởng mật độ gia cố cọc làm việc tương tác cọc với đất cọc, kết độ lún, chuyển vị ngang khảo sát khoảng cách cọc khác 3mx3m, 4mx4m 5mx5m Thông số khác cọc giữ nguyên thông số thiết kế Bảng

-0.35 -0.3 -0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ĐỘ

L

Ú

N (m

)

KHOẢNG CÁCH TỪ TIM ĐƯỜNG (m)

Cọc 3mx3m Cọc 5mx5m Cọc 4mx4m

Hình Độ lún đất yếu vị trí các cọc với khoảng cách cọc khác

-25 -20 -15 -10 -5

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Ch

iều s

âu

(m

)

Chuyển vị ngang (m)

Cọc 3mx3m Cọc 3mx3m

Cọc 4mx4m Cọc 4mx4m

Cọc 5mx5m Cọc 5mx5m

Vị trí cọc Vị trí đất

Hình 10 Chuyển vị ngang vị trí cọc vị trí của đất chân mái dốc với khoảng cách

cọc khác

Kết Hình ứng với chiều cao đắp

H = 5m cho thấy, độ lún đất yếu tăng