Nghiên cứu ứng xử của nền đất yếu được gia cố bằng trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật dưới nền đường đắp cao tại huyện cai lậy, tỉnh tiền giang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN BÙI HỮU HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO TẠI HUYỆN CAI LẬY - TỈNH TIỀN GIANG RESEARCH ON THE BEHAVIOR OF SOFT GROUND REINFORCED BY CEMENT SOIL PILLARS COMBINED WITH GEOTEXTILE UNDER HIGH FOUNDATION IN CAI LAY DISTRICT - TIEN GIANG PROVINCE LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG LONG AN, NĂM 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN BÙI HỮU HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO TẠI HUYỆN CAI LẬY - TỈNH TIỀN GIANG RESEARCH ON THE BEHAVIOR OF SOFT GROUND REINFORCED BY CEMENT SOIL PILLARS COMBINED WITH GEOTEXTILE UNDER HIGH FOUNDATION IN CAI LAY DISTRICT - TIEN GIANG PROVINCE LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGỌC PHÚC LONG AN, NĂM 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố tạp chí khoa học cơng trình khác Các thông tin số liệu luận văn có nguồn gốc ghi rõ ràng./ Tác giả Bùi Hữu Hiệp ii LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng xử đất yếu gia cố trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật đường đắp cao huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang” nhận giúp đỡ, bảo nhiệt tình thầy, giáo Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An bạn học viên Cao học để hoàn thành luận văn Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đến thầy Tiến sĩ Nguyễn Ngọc Phúc, người thầy nhiệt tình hướng dẫn, tận tâm giúp đỡ tơi kiến thức, tài liệu, phương pháp suốt q trình thực luận văn thạc sĩ Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng QLĐT-Tuyển sinh, Phòng Sau đại học Quan hệ quốc tế, quý thầy cô giáo tham gia quản lý, giảng dạy trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An quan tâm tạo điều kiện cho tơi hồn thành khóa học Sau cùng, tơi xin gửi lời tri ân đến gia đình, bạn học viên Cao học Khóa tất người thân, bạn bè, đồng nghiệp động viên, khích lệ giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Mặc dù có nhiều cố gắng suốt q trình thực đề tài, song cịn có mặt hạn chế, thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp dẫn thầy cô giáo bạn đồng nghiệp Tác giả Bùi Hữu Hiệp iii NỘI DUNG TĨM TẮT Cơng trình đất yếu thường phải đối mặt với nhiều vấn đề lún ổn định, bù lún Việc xử lý đất yếu nhằm mục đích làm tăng độ ổn định, giảm độ lún đường; giảm độ lún lệch đường mố cầu; đảm bảo yêu cầu sử dụng bình thường trình khai thác Trong nhiều giải pháp xử lý đất yếu phổ biến như: trụ đất xi măng; giếng cát bấc thấm kết hợp gia tải trước; bơm hút chân khơng.v.v giải pháp xử lý đất yếu trụ đất xi măng nghiên cứu ứng dụng nhiều giải pháp xử lý có thời gian thi cơng nhanh, mặt thi công nhỏ, thiết bị thi công đơn giản, tiết kiệm vật liệu san lấp ngày khan địa phương Việc xây dựng cơng trình đắp đất yếu thường sử dụng phương pháp đào bỏ thay đất xử lý gia cố đất yếu nhiều giải pháp có gia cố trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật Luận văn nghiên cứu giải pháp gia cố đất yếu để rút ngắn thời gian thi công hạn chế lượng tài nguyên đắp bù lún cần thiết Thực đề tài cịn nhằm tìm giải pháp gia cố đất yếu nêu điều kiện địa chất tỉnh Tiền Giang nói chung huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang nói riêng iv ABSTRACT RESEARCH ON THE BEHAVIOR OF SOFT GROUND REINFORCED BY CEMENT SOIL PILLARS COMBINED WITH GEOTEXTILE UNDER HIGH FOUNDATION IN CAI LAY DISTRICT - TIEN GIANG PROVINCE Buildings on soft ground face problems such as stable settlement and soil compensation Soil improvement aims at increasing the stability and reducing the settlement of the roadbed, reducing the settlement deviation between the roadbed and bridge abutment and ensuring the normal usage requirements Among popular solutions for soil improvement such as: cement pillars, sand wells or absorbent wicks combined with preloading, vacuum pump, etc., the solution to treat soft ground with cement pillars has been studied and applied a lot because this ground treatment solution can shorten the construction time, apply for small construction sites, with simple construction equipment and save filling construction materials Structures on soft soil are built by excavation method to replace the ground or improve the ground by different solutions including reinforcement with cement pillars combining with geotextiles The thesis researches the solutions to reinforce soft soil in order to shorten construction time and limit the amount of filling materials for settlement compensation This research also aims to find out the solutions in geological conditions of Tien Giang province in general and Cai Lay district, Tien Giang province in particular v MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xii PHẦN MỞ ĐẨU 1 Sự cần thiết đề tài Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ ĐẤT YẾU BẰNG TRỤ ĐẤT XIMĂNG 1.1 Khái niệm 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển trụ đất xi măng 1.1.2 Nguyên tắc gia cố đất trụ đất xi măng 1.1.3 Công nghệ thi công 1.2 Giải pháp gia cố đất yếu đường 11 1.2.1 Đặc điểm chung đường 11 1.2.2 Giải pháp gia cố đất yếu 12 1.3 Các dạng bố trí trụ đất xi măng 13 1.4 Ứng dụng trụ đất xi măng 14 1.5 Nhận xét chương 15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TỐN TRỤ ĐẤT XI MĂNG TRONG XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 16 2.1 Các quan điểm sở tính tốn 16 2.1.1 Hiệu ứng vòm đất 17 2.1.2 Các thông số diễn tả phân bố ứng suất 20 2.1.3 Các phương pháp giải tích tính hệ số SRR 23 2.1.4 Đánh giá phương pháp 26 2.2 Sự lún trụ đất yếu đất gia cố trụ đất xi măng 27 vi 2.2.1 Phương pháp tính tốn theo quan điểm trụ đất xi măng làm việc trụ cứng 28 2.2.2 Phương pháp tính tốn theo tiêu chuẩn gia cố trụ đất xi măng Việt Nam 29 2.2.3 Phương pháp tính tốn theo quan điểm hỗn hợp viện kỹ thuật Châu Á (AIT) 34 2.2.4 Phương pháp tính tốn theo tiêu chuẩn Châu Âu 37 2.2.5 Phương pháp tính theo tiêu chuẩn Thượng Hải – Trung Quốc 39 2.2.6 Phương pháp tính theo tiêu chuẩn Nhật Bản 40 2.3 Nhận xét chương 41 CHƯƠNG MƠ PHỎNG TÍNH TỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 43 3.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn 43 3.1.1 Phương pháp vi phân 43 3.1.2 Phương pháp tích phân 43 3.1.3 Phương pháp phần tử rời rạc 43 3.1.4 Trình tự phân tích toán theo phương pháp Phần tử hữu hạn 44 3.2 Giới thiệu phần mềm Plaxis thường dùng để giải toán địa kỹ thuật 45 3.3 Các mơ hình đất Plaxis 51 3.3.1 Mơ hình Mohr-Coulomb 51 3.3.2 Mơ hình Hardening Soil 55 3.4 Phân tích tính tốn cơng trình đắp cao 58 3.4.1 Điều kiện địa chất huyện Cai Lậy – tỉnh Tiền Giang 58 3.4.2 Cấu tạo địa chất 58 3.4.3 Mơ hình tính tốn Plaxis 61 3.4.4 Trường hợp đất chưa có giải pháp gia cố 62 3.4.5 Trường hợp đất gia cố hệ trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật 68 3.5 Nhận xét chương 79 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 vii Kết luận 80 Kiến nghị 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 viii DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơng nghệ thi cơng trụ đất xi măng Hình 1.2 Máy trộn khơ sâu Hình 1.3 Cánh trộn theo phương pháp trộn khô (SGF 2000) Hình 1.4 Thiết bị khoan 10 Hình 1.5 Cánh trộn theo phương pháp trộn ướt 11 Hình 1.6 Bố trí trụ trộn khô 13 Hình 1.7 Bố trí trụ trùng theo khối 13 Hình 1.8 Bố trí trụ trộn ướt cạn 13 Hình 1.9 Bố trí trụ biển 14 Hình 1.10 Bố trí trùng trộn ướt 14 Hình 1.11 Các ứng dụng trộn sâu (Terashi, 1997) 14 Hình 2.1 Mơ hình đất yếu gia cố trụ đất xi măng 18 Hình 2.2a Bản chất hiệu ứng vòm 19 Hình 2.2b Kết hiệu ứng vòm 19 Hình 2.3 Sự phân bố ứng suất gia cố trụ đất xi măng 20 Hình 2.4 Mơ hình hiệu vịm Kempfert (2003) 22 Hình 2.5 Biểu đồ thể kết tính tốn SRR phương pháp 26 Hình 2.6 Biểu đồ thể phương pháp có kết xấp xỉ 26 Hình 2.7 Kết nghiên cứu SRR Naughton (2007) 27 Hình 2.8 Lún trụ đất xung quanh 27 Hình 2.9 Mơ hình quy đổi tương đương 29 Hình 2.10 Lực dọc trục trụ vùng chủ động tăng sức kháng cắt kháng uốn, Trong vùng bị động trụ bị nứt chịu kéo 30 Hình 2.11 Tính lún gia cố tải trọng tác dụng chưa vượt sức chịu tải cho phép vật liệu trụ 33 Hình 2.12 Sơ đồ bố trí trụ đất xi măng 36 Hình 3.1 Các phương pháp giải gần phương trình vi phân chương trình tính số tương ứng 44 Hình 3.2 Quan hệ ứng suất biến dạng 45 Hình 3.3 Lưới biến dạng mơ hình 3-D PLAXIS FOUNDATION 47 69 Hình 3.26 Mơ hình PTHH đất yếu gia cố trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật Nền đất yếu gia cố trụ đất xi măng có đường kính trụ chọn D = 0,6m, khoảng cách trụ 1,2 (tim đến tim) Chiều dài trụ 15m Tính tốn chiều cao đất đắp 5.0m, chiều sâu đất yếu 15m Căn hồ sơ khảo sát địa chất cơng trình kết thí nghiệm, đặc trưng lý vật liệu tổng hợp thể (bảng 3.2) Thông số lớp đất trụ đất xi măng mơ hình Plaxis thể (bảng 3.3, bảng 3.4) để phân tích phân bố ứng suất đất Trọng lượng riêng theo Kamata & Akutsu, 1976 cho trọng lượng riêng đất trộn xi măng tăng từ 3% đến 15% Từ thí nghiệm nén mẫu, module đàn hồi E50 = (50 ÷ 63)qu Hệ số Poission theo Niina et al., 1977 đề nghị lấy từ 0,15 ÷ 0,35 Vải địa kỹ thuật mơ phần tử Geogrid có EA = 2500 kN/m bố trí 05 lớp phía đầu trụ lớp cách 1,0 m Hình 3.27 Mơ hình PTHH đất yếu gia cố - Phương án 70 Hình 3.28 Mơ hình PTHH đất yếu gia cố - Phương án Hình 3.29 Mơ hình PTHH đất yếu gia cố - Phương án Bảng 3.6 Các giai đoạn tính tốn Phase Cơng tác Cal type Loading input Thời gian Ban đầu N/A N/A N/A ngày Phase Thi công trụ đất xi măng Plastic Staged construction 10 ngày Phase Thi công trải lớp vải ĐKT thứ Plastic Staged construction ngày Phase Thi công đường lớp 1, dày 1,0m Conso Staged construction ngày Phase Cho đường cố kết Conso Staged construction 15 ngày Phase Thi công trải lớp vải ĐKT thứ Plastic Staged construction ngày 71 Phase Thi công đường lớp 2, dày 1,0m Conso Staged construction ngày Phase Cho đường cố kết Conso Staged construction 15 ngày Phase Thi công trải lớp vải ĐKT thứ Plastic Staged construction ngày Phase Thi công đường lớp 3, dày 1,0m Conso Staged construction ngày Phase 10 Cho đường cố kết Conso Staged construction 15 ngày Phase 11 Thi công trải lớp vải ĐKT thứ Plastic Staged construction ngày Conso Staged construction ngày Phase 13 Cho đường cố kết Conso Staged construction 15 ngày Phase 14 Thi công trải lớp vải ĐKT thứ Plastic Staged construction ngày Conso Staged construction ngày Phase 16 Cho đường cố kết Conso Staged construction 15 ngày Phase 17 Chất tải 20kN/m Plastic Staged construction ngày Phase 18 Tính ổn định FS Phi/c reduction Incremental multipliers ngày Phase 12 Phase 15 Thi công đường lớp 4, dày 1,0m Thi công đường lớp 5, dày 1,0m Tổng cộng Hình 3.30 Lưới phần tử hữu hạn 140 ngày 72 Hình 1.31 Áp lực nước lỗ rỗng ban đầu Hình 3.32 Ứng suất hữu hiệu ban đầu đất chưa sử dụng trụ đất xi măng 73 Hình 3.33 Phase - Thi cơng trụ đất xi măng Hình 3.34 Phase - Thi cơng đường lớp Hình 3.35 Phase - Thi công đường lớp 74 Hình 3.36 Phase - Thi cơng đường lớp Hình 3.37 Phase 12 - Thi cơng đường lớp Hình 3.38 Phase 15 - Thi cơng đường lớp 75 Hình 3.39 Phase 17 – Chất tải phân bố 20kN/m2 Hình 3.40 Q trình tính tốn 76 Hình 3.41 Chuyển vị đất yếu gia cố sau 140 ngày + Kết tính toán đất gia cố trụ đất xi măng đường kính 0,6m chiều dài 15m khoảng cách trụ 1,2m (tim đến tim) có độ lún 0,054m Hình 3.42 Chuyển vị theo phương ngang đất yếu gia cố 77 Hình 3.43 Chuyển vị theo phương đứng đất yếu gia cố Hình 3.44 Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư 78 Hình 3.45 Sự phân bố ứng suất hữu hiệu đất yếu gia cố Hình 3.46 Sự phân bố ứng suất tổng đất yếu gia cố 79 Hình 3.47 Hệ số ổn định đất yếu gia cố 3.5 Nhận xét chương: Khi đất chưa gia cố bị phá hoại đắp đến lớp thứ với độ lún 0,234m Khi đất gia cố trụ đất xi măng đường kính 0,6m chiều dài 15m khoảng cách trụ 1,2m (tim đến tim) có độ lún 0,054m có hệ số ổn định 2,925 Phương pháp phần tử hữu hạn mơ tốn gia cố đất yếu trụ đất xi măng Phương pháp tính ứng suất áp lực lỗ rỗng dư điểm đất 80 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Căn vào kết khảo sát mơ hình số sở để tác giả rút kết luận khoa học đóng góp vào thực tiễn: Để phân tích phân bố ứng suất đất gia cố trụ đất xi măng, phương pháp quan trắc trường phương pháp giải tích Terzaghi (Russell & Pierpoint chỉnh sửa năm 1997) phương pháp phần tử hữu hạn (Plaxis 3D) phương pháp đáng tin cậy, ước lượng xác phân bố ứng suất Xây dựng mơ hình tốn xác định phân bố ứng suất đất yếu gia cố trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật cơng trình đắp cao huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang Việc thêm lớp gia cường đầu trụ mang lại hiệu đáng kể mong muốn giảm ứng suất tác dụng lên đất yếu, theo kết thu từ mơ hình phân tích tác giả SRR giảm thêm lớp gia cường đầu trụ Khảo sát đánh giá tỷ lệ giảm độ lún bề mặt đất trước sau gia cố theo thông số đàn hồi đất, trụ theo kích thước trụ đất xi măng Kết mô cho đường đất yếu gia cố trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật công trình đắp cao huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang hệ trụ đất xi măng đường kính 0,6m, chiều dài 15m khoảng cách trụ 1,2m, có độ lún 0,054m có hệ số ổn định 2,925 Nên cơng trình ổn định thời gian sử dụng Kiến nghị Trong việc phân tích phân bố ứng suất, lún, biến dạng theo độ sâu trụ đất xi măng đất gia cố trụ đất xi măng ta nên tiến hành thí nghiệm trường để thu kết xác hơn, đồng thời kiểm chứng mức độ xác phương pháp - Áp dụng mơ hình tốn để nghiên cứu tính tốn xử lý đất yếu trụ đất xi măng, xác định trạng thái ứng suất, ứng suất giới hạn tính độ lún tức thời bề mặt gia cố Từ kết mô luận văn, để nâng cao tính thực tiễn bổ sung nghiên cứu ảnh hưởng lớp đệm, lớp đất đắp đầu trụ, ảnh hưởng độ cứng trụ đến thay đổi ứng suất hệ - trụ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Bộ GTVT (2000), Quy trình khảo sát thiết kế đường ô tô đắp đất yếu, 22TCN262 - 2000, Hà Nội [2] Bộ Khoa học Công nghệ (2012), Gia cố đất yếu – Phương pháp trụ đất xi măng, TCVN9403 - 2012, Hà Nội [3] Chu Quốc Thắng (1997), Phương pháp Phần tử hữu hạn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Đậu Văn Ngọ Giải pháp xử lý đất yếu đất trộn xi măng Tạp chí phát triển khoa học công nghệ tập 11 số 11- năm 2008 [5] Nguyễn Ngọc Thắng Gia cố đất yếu trụ đất xi măng Nhà xuất khoa học kỹ thuật [6] Nguyễn Minh Tâm (2006) “The Behavior of DCM columns under Highway Embankments by Finite Element Analysis [7] Nguyễn Viết Trung - Trụ đất – xi măng phương pháp gia cố đất yếu, NXB Xây dựng năm 2014 [8] Quy trình thí nghiệm đất gia cố chất kết dính xi măng 22 TCN 59 - 84 [9] TCVN 4200: 2012 Đất xây dựng - Phương pháp xác định tính nén lún phịng thí nghiệm [10] TCVN 9354: 2012: Đất cho xây dựng – Phương pháp xác định module biến dạng trường ép phẳng [11] TCVN 9403:2012, “Gia cố đất yếu – Phương pháp trụ đất xi măng” Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Vụ Khoa học Công nghệ, 2012 [12] Tiêu chuẩn sở TCCS 05:2010/VKHTLVN Hướng dẫn sử dụng phương pháp Jet-grouting tạo trụ đất xi măng để gia cố đất yếu, chống thấm cơng trình đất [13] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9403:2012 Gia cố đất yếu-Phương pháp trụ đất xi măng [14] Trần Nguyễn Hoàng Hùng – Cơng nghệ xói trộn vữa cao áp (Jet-Grouting), Đại học Quốc Gia Thành phố HCM năm 2016 [15] Võ Phán – Cơ học đất, Đại học Bách khoa TP HCM 2010 82 Tiếng Anh [16] A.A Balkema Publishers “The Deep Mixing Method, Principle, Design and Construction” [17] Braja Das - Principles of Geotechnical Engineering – Third edition [18] Bummhima Indraratna and Jian Chu - Ground Improvement – Case Histories [19] CDIT (2002) Deep Mixing Method, Principle, Design and Construction [20] D.T Bergado, J.C Chai, M.C Alfaro, (1994) “Những biện pháp kĩ thuật cải tạo đất yếu” [21] Hakan Bredenberg, Goran Holm, Bengt B.Broms “Dry Mix Methods for DeepSoilStabilization” [22] Hans-Georg Kempfert, Berhane Gebreselassie, (2006) “Excavations and Foundations in soft soil” [23] Alamgir (1996) “Stress – Strain distribution in embankment reinforced by columnar inclusion” [24] Braja M.Das (1984) “ Principles of Geotechnical engineering” 83 ... NGHIỆP LONG AN BÙI HỮU HIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC GIA CỐ BẰNG TRỤ ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT DƯỚI NỀN ĐƯỜNG ĐẮP CAO TẠI HUYỆN CAI LẬY - TỈNH TIỀN GIANG RESEARCH ON THE BEHAVIOR... nguyên đắp bù lún cần thiết Thực đề tài ? ?Nghiên cứu ứng xử đất yếu gia cố trụ đất xi măng kết hợp vải địa kỹ thuật đường đắp cao huyện Cai Lậy, tỉnh Tiền Giang? ?? để tìm giải pháp gia cố đất yếu nêu... cố trụ đất xi măng gây Nâng cao hiệu gia cố đất yếu bằng trụ đất xi măng phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể: Thiết kế hợp lý cho đường đất yếu gia cố trụ đất xi măng kết hợp với vải địa kỹ thuật