Ở Việt Nam hiện nay còn khá ít công trình xử lý nền bằng phương pháp sử dụng cọc xi măng đất kết hợp với lớp phủ cứng bề mặt. Phương pháp này phát huy hiệu ứng vòm lên cọc xi măng để giảm bớt số lượng cọc xi măng cần thiết. Tuy nhiên phương pháp AliCC đã được sử fungjđể xử lý nền cho công trình Cảng SP-PSA nằm dọc theo sông Thị Vải tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Công tác quan trắc hiện trường đã được tiến hành đầy đủ và cẩn thận để rút ra những kết luận được sử dụng như những kinh nghiệm hướng dẫn cho những công trình tương tự. Mời các bạn cùng tham khảo!
ảNH hởng hiệu ứng vòm phơng pháp xử lý Alicc khu công nghiệp phú mỹ tỉnh bà rịa vũng tàu Trần Quang Hộ*, Võ Nguyễn Phú Huân** Tóm tắt: Việt Nam công trình xử lý phơng pháp sử dụng cọc xi măng đất kết hợp với lớp phủ cứng bề mặt Phơng pháp phát huy hiệu ứng vòm lên cọc xi măng để giảm bớt số lợng cọc xi măng cần thiết ( Arch action Low improvement ratio Cement Column viết tắt AliCC) Tuy nhiên phơng pháp AliCC đà đợc sử dụng để xử lý cho công trình Cảng SP-PSA nằm dọc theo sông Thị VảI tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu Công tác quan trắc trờng đà đợc tiến hành đầy đủ cẩn thận để rút kết luận đợc sử dụng nh kinh nghiệm hớng dẫn cho công trình tơng tự Abstract: There are too few study cases about Arch action Low improvement ratio Cement Column method (ALiCC) in Viet Nam The method improves arch action on cement columns to reduce the amount of required columns However, ALiCC method has been applied for SP-PSA Terminal along Thi Vai river in Ba Ria - Vung Tau province Monitoring was carried out during and after the contruction Monitoring data were back analysised to draw conclusions which will be used as past experiences and guide lines for next similar projects Các tiêu lý đất đợc tổng hợp Mô tả công trình Hình nh sau: Cảng SP-PSA đợc xây dựng dọc theo sông Thị Vải Phần đất bờ với diện tích khoảng 540,000m2 Vị trí xây dựng công trình đợc mô tả Hình dới đây: Hình 1: Vị trí xây dựng Địa chất khu vực Do nằm gần sông nên khu vực có lớp bùn yếu dày từ 10.6 đến 28.2m Hình 2: Các tiêu lý đất * Trờng Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh ** Công ty Cổ phần T vấn Thiết kế Cảng Kỹ thuật Biển (PortCoast) Phơng pháp ALiCC Phơng pháp AliCC phơng pháp sử dụng cọc đất trộn xi măng kết hợp với lớp phủ xi măng cứng bề mặt Cấu tạo phơng pháp AliCC đợc trình bày Hình TảI khai thác Theo tính toán thiết kế ban đầu cờng độ nén cho nở hông đợc chọn sở điều kiện chọc thủng cọc ximăng vào lớp phủ cứng quck = 970 Kpa Tuy nhiên nghiên cứu so sánh kết quan trắc với kết phân tích phơng pháp số nên cờng độ đợc chọn để phân tích cờng độ trung bình qave = 1712 Kpa, Hình Kết cấu mặt Quan trắc t¹i hiƯn tr−êng Lớp phủ xi măng Cọc xi măng Mặt bố trí thiết bị đo trờng nh Hình Một thiết bị đo áp lực đợc lắp đặt đầu cọc xi măng thiết bị lắp đặt đất bên cạnh cọc t yu Hình 3: Phơng pháp xử lý ALiCC Xử lý Cảng SP-PSA Chiều sâu thiết kế cọc đất trộn xi măng (CDM) từ 22m đến 24m, đờng kính cọc CDM l 1m Khoảng cách cọc 2.5m Chiều dày lớp phủ xi măng bề mặt 2m Kết cấu mặt dày 1.5m Khu vực bố trí quan trắc Kết thí nghiệm cờng độ cọc ximăng Trong báo cờng độ cọc đất trộn ximăng đợc lấy theo kết nghiên cøu tõ c¸c mÉu thư lÊy ë hiƯn tr−êng cđa Sam Tan Gak Peng, Truong Van Mac But and T Uchida, H Matsumoto & H.Takahashi đợc trình bày Hình Vị trí lắp đặt thiết bị đo áp lực đất Hình 5: Mặt mặt cắt bố trí thiết bị quan trắc Chi tiết thiết bị đo áp lực đất đợc mô tả Hình dới đây: Hình 4: Biểu đồ thí nghiệm cờng độ cọc xi măng Hình 6: Thiết bị đo áp lực đất Thiết bị đo áp lực đất (Earth pressure cell) gồm thép mỏng hình tròn không gỉ đợc hàn xung quanh đợc phân cách với rÃnh hẹp nhỏ chứa chất lỏng Bên lắp cảm biến áp lực đợc nối dây để truyền thông số Khi áp lực bên thay đổi áp lực ép thép lại với gây gia tăng tơng ứng chất lỏng bên thiết bị Các đầu dây đợc nối vào cảm biến biến đổi thay đổi áp suất lên chất lỏng thành tín hiệu ®iƯn ®Ĩ trun ®Õn m¸y ®äc sè liƯu Sù phân bố ứng suất hiệu ứng vòm áp lực bên truyền xuống đợc phân chia cho cọc đất xung quanh hiệu ứng vòm Phơng pháp Low et al (1994) ứng suất tác dụng lên ®Êt nÒn: (Kp −1)(1−δ)(s +a) σs =αγ 2(Kp −2) s +a s +a − H − +αq (1) 2(Kp −2) Kp −1 +(1) ứng suất tác dụng lên đầu cọc: p = (s + a )( Hγ + q) − σ s s a (2) Trong ®ã: Kp = + sin ϕ − sin ϕ víi φ lµ gãc ma sát vật liệu đắp s : khoảng cách cäc a : ®−êng kÝnh cäc H : chiỊu cao lớp đắp bên = a s+a hệ số phân bố áp lực đất lên đất =0.8 q : tải khai thác = 25 Kpa Phơng pháp Terzaghi (1943) ứng suất tác dụng lên đất nỊn: HiƯu øng vßm σs = σv z =h = sγ H 1 − exp − 2K tanφ + q 2K tanφ s (3) ứng suất tác dụng lên đầu cọc: (s + a )(γH + q ) − σ s s σp = (4) a Trong ®ã: K số kinh nghiệm = 0.7 Theo tiªu chuÈn thiÕt kÕ Anh BS8006 (1995) : Tải trọng đắp tác dụng lên cọc xi măng Hình 7: Hiệu ứng vòm Hiệu ứng vòm đợc định nghĩa truyền áp lực từ phần khối đất bị lún lên khối đất không bị lún (Terzaghi,1943).Theo McNulty (1965) định nghĩa hiệu ứng vòm truyền tải trọng ổn định vật liệu có cờng độ nhỏ đến vật liệu bên cạnh có cờng độ lớn hơn, ứng suất cắt trình truyền tải trọng Đà có nhiều nghiên cứu giới xác định ứng suất tác dụng lên đầu cọc đất xung quanh Kết đợc giới thiệu thông qua biểu thức sau ứng suất tác dụng lên đất nền: (s + a )H − σ p a σs = (5) s øng suÊt tác dụng lên đầu cọc: C a p = c H ' v (6) Trong ®ã: σ v' = ( f fsγH + f q q) Cc : hệ số tạo vòm tra theo bảng H : chiều cao lớp đắp bên q : tải khai thác = 25 Kpa fq fms: hệ số riêng phần tải trọng tra theo b¶ng (7) HƯ sè tËp trung øng st n thông số quan trọng để đánh giá mức độ ảnh hởng hiệu ứng vòm đợc Han v Gabr (2002) định nghĩa tỷ số ứng suất thẳng đứng tác dụng vào đầu cọc với ứng suất thẳng đứng tác dụng lên đất xung quanh đợc tÝnh bëi c«ng thøc sau: σ n= p (8) σs Trong ®ã: n : hƯ sè tËp trung øng st p : ứng suất tác dụng lên đầu cọc s : ứng suất tác dụng lên đất Khi n = hiệu ứng vòm Giá trị n lớn mức độ ảnh hởng hiệu ứng vòm lớn Khi mức độ ảnh hởng hiệu ứng vòm nhỏ tải trọng bên phân bố cọc đất Điều làm cho chuyển vị tơng đối (S) cọc đất trở nên lớn, gây tợng lún không ảnh hởng đến trình khai thác sau Tuy nhiên thiết kế để hệ số tập trung ứng suất n lớn, hầu hết tải trọng cọc gánh chịu giá thành xử lý sÏ cao Ph©n tÝch sù ph©n bè øng suÊt phần tử hữu hạn 8.1 Mô hình đợc sử dụng phân tích Mô hình Mohr Coulomb (MC) Mô hình Mohr Coulomb mô hình đàn dẻo lý tởng Mô hình kết hợp định luật Hook tiêu chuẩn phá hoại Coulomb Mô hình bao gồm năm thông số, hai thông số đàn hồi từ định luật Hook ( modun Young E hệ số poisson ) hai thông số từ tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb ( góc ma sát lực dính c) góc dÃn nở Mô hình bị hạn chế việc mô xác ứng xử biến dạng trớc vật liệu bị phá hoại nhng mô tốt độ bền Đối với lớp phủ bề mặt, cọc xi măng nh đất sét cố kết nặng thờng hình thành vết nứt trớc đạt đến cờng độ đỉnh nên đợc mô theo mô hình Mô hình Đất yếu từ biến (SSCM) Mô hình Đất yếu từ biến, Soft Soil Creep Model (SSCM) đợc xây dựng së lý thut tõ biÕn mét chiỊu cđa Buisman (1936) kết hợp với mô hình sét Cam cải tiến đợc đề nghị Roscoe Burland (1968) để mô pháng tÝnh nÐn lón thø cÊp cđa ®Êt cho tr−êng hợp toán chiều Mô hình bao gồm hai thông số độ cứng đất sè nÐn λ* vµ chØ sè në κ*, mét chØ số từ biến *, hai thông số độ bền lực dính c góc ma sát ; góc dÃn nở ba thông số khác hệ số poisson ur cho trờng hợp dỡ-chất tải, hệ số nén ngang K0NC thông số M độ dốc đờng trạng thái giới hạn Mô hình đợc sử dụng ®Ĩ m« pháng líp bïn sÐt cè kÕt cã tÝnh nén lún cao Mô hình đất tăng bền kép (HS) Mô hình đất tăng bền kép HS (Hardening Soil) Mô hình đà xét đến tăng bền theo biến dạng trợt dẻo chịu ứng suất lệch; xét đến tăng bền theo biến dạng thể tích dẻo đất chịu ứng suất nén Mô hình kĨ ®Õn tÝnh chÊt ®é cøng cđa ®Êt phơ thc vào ứng suất theo qui luật hàm mũ Mô hình đòi hỏi nhập 10 thông số Đó thông số độ cứng tham khảo( E50ref từ thí nghiƯm nÐn ba trơc tho¸t n−íc; Eurref tõ thÝ nghiƯm dỡ-chất tải thí nghiệm nén ba trục thoát nớc; Eoedref tõ thÝ nghiƯm oedometer) øng víi øng st tham khảo pref; số mũ m qui luật độ cứng phơ thc vµo øng st; hƯ sè poisson νur cho trờng hợp dỡ-chất tải; thông số độ bền c, φ; gãc d·n në ψ; hÖ sè nÐn ngang K0NC tỉ số phá hoại Rf xác định biến dạng lúc phá hoại Mô hình đất tăng bền kép đợc sử dụng để mô cho đất yếu nh đất tốt Tất thông số đất cần nhập vào cho ba mô hình đề cập đợc giới thiệu Bảng 8.2 Các trờng hợp phân tích phần mềm Plaxis 3D Foundation Trong phân tích tính toán mô hình 3D đợc sử dụng phân tích cho ba trờng hợp sau: Tr−êng hỵp 1: Líp bïn sÐt cã tÝnh nÐn lón cao vµ chØ sè nÐn cè kÕt thø cÊp lín sử dụng mô hình Soft Soil Creep Model ( SSCM) cho lớp đất mô hình Mohr Coulomb ( MC) cho lớp đất tốt Trong phân tích cờng độ CDM đợc chọn theo cờng độ thực tế trờng 1712Kpa để đánh giá mức độ thay đổi ứng suất Trờng hợp 2: Nhằm để xét đến đất yếu tăng bền theo biến dạng trợt dẻo biến dạng thể tích dẻo trờng hợp sử dụng mô hình Hardening Soil ( HS) cho lớp đất yếu, mô hình Mohr Coulomb ( MC) cho lớp đất tốt Trờng hợp 3: Nhằm để so sánh tính hiệu sử dụng mô hình lớp phủ cứng trờng hợp sử dụng mô hình tơng tự hai trờng hợp nhng không sử dụng lớp phủ xi măng cứng bề mặt mà thay vào lớp cát có bề dày tơng đơng Thông số đầu vào cho Bảng Bảng Các thông số đất mô hình Bùn sét Kết cáu mặt bÃi CDM xử lý SSCM HS MC 18 14.7 14.7 kx (m/day) 1.73 0.0002 ky (m/day) 0.864 kz (m/day) Lớp phủ xi măng Lớp đất tèt MC MC MC 21 15.5 22 19 0.0002 0.864 0.00017 0.00001 1.73 0.00014 0.00014 0.864 8.64E-05 8.64E-06 0.864 1.73 0.0002 0.0002 0.864 1.73E-04 1.73E-05 1.73 Cc - 0.836 0.836 - - - - Cs - 0.045 0.045 - - - - Cát đắp Bùn sét Mô hình MC (KN/m3) Cα - 0.0348 - - - - - einit 0.5 2.35 2.35 0.5 0.5 0.5 0.5 λ* - 0.113 - - - - - κ * - 0.012 - - - - - µ* - 0.0045 - - - - - E50ref - - 1105.77 - - - - Eoedref - - 884.62 - - - - Eurref - - 16000 - - - - m - - 1.0 - - - - c (KN/m2) 0.2 4 250 485 125 ϕ (ñộ) 30 22.87 22.87 45 35 35 30 - - 15 5 14340 - - 35000 48500 12500 18400 0.25 - - 0.2 0.35 0.15 0.334 ψ (độ) Eref (KN/m2) ν KÕt qu¶ tính toán trờng hợp Hình trình bày phổ màu ứng suất tác dụng lên đầu cọc lên đất xung quanh Hình 8: Phổ màu giá trị ứng suất tác dụng trờng hợp ứng suất trung bình tác dụng lên đầu cọc 380 Kpa ứng suất tác dụng lên đất xung quanh 115 Kpa Kết tính toán trờng hợp Hình trình bày phổ màu ứng suất tác dụng lên đầu cọc lên đất xung quanh Hình 9: Phổ màu giá trị ứng suất tác dụng trờng hợp ứng suất trung bình tác dụng lên đầu cọc 410 Kpa ứng suất tác dụng lên đất xung quanh 120 Kpa Kết tính toán trờng hợp Hình 10 trình bày phổ màu ứng suất tác dụng lên đầu cọc lên đất xung quanh Giá trị lớn đo đợc đầu CDM 114.7Kpa giá trị lớn tác dụng lên đất 44KPa Biểu đồ quan trắc cho thấy áp lực lên đất gia tăng nhẹ áp lực lên đầu cọc gia tăng cách rõ rệt trình chất tải 10 Tổng hợp kết Hình 10: Phổ màu giá trị ứng suất tác dụng trờng hợp ứng suất trung bình tác dụng lên đầu cọc 175 Kpa ứng suất tác dụng lên đất xung quanh 130 Kpa 8.3 Tổng hợp kết phân tích Plaxis Kết phân tích Plaxis cho ba trờng hợp đợc trình bày Bảng Bng ứng suất đầu cọc ximng đất xung quanh ứng suất trung bình đầu cọc CDM (KN/m2) ứng suất trung bình đất xung quanh (KN/m2) HƯ sè tËp trung øng st Tr−êng hỵp 380 115 3.30 Tr−êng hỵp 410 120 3.42 Trờng hợp 175 130 1.35 Các trờng hợp tính toán Plaxis 3D Foundation V2.1 Kết quan trắc Kết quan trắc thu đợc từ thiết bị đo áp lực đất đợc trình bày hình 11 Hình 11: Biểu đồ quan trắc áp lực đất theo thời gian ã EP04: earth pressure cell đặt đất ã EP03: earth pressure cell đặt đầu CDM Thông thờng theo phơng pháp kinh điển, Nhật ngời ta thiÕt kÕ víi tØ sè xư lý tõ 30% ®Õn 50% để ngăn ngừa phá hoại trợt chuyển vị ngang; vµ tØ sè tõ 60 - 78.5 % cho móng tờng chắn mố trụ cầu Hệ số tập trung øng st thay ®ỉi tõ 10 ®Õn 20 Trong khu vực xử lý đà dùng phơng pháp AliCC víi tØ sè xư lý chØ 13.6 % < 30% HƯ sè tËp trung øng st theo ph©n tÝch đo đợc nhỏ nhiều so với phơng pháp kinh điển Các kết tính toán từ lý thuyết, quan trắc trờng mô từ phần mềm đợc tổng hợp thể Bảng dới đây: Bng Bảng tổng hợp kết tính toán Các thông số tính toán Đơn vị Low et al (1994) Terzaghi (1943) Tiªu chuÈn Anh (1995) (EP03 & EP04) Theo Plaxis 3D (TH1) Theo Plaxis 3D (TH2) TØ diƯn tÝch xư lý % 13.6 13.6 13.6 13.6 13.6 13.6 Khoảng cách cọc m 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 §−êng kÝnh cäc m 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 Tải khai thác KPa 65.0 65.0 65.0 65.0 65.0 65.0 Bề dày lớp xi măng bề mặt m 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 ứng suất tác dụng lên ®Êt nÒn KPa 72.78 103.6 131 44.0 115 120 øng suất tác dụng lên đầu cọc KPa 276.55 199.5 286.7 114.7 380 410 3.79 1.93 2.18 2.6 3.30 3.42 HÖ sè tËp trung øng suÊt 11 KÕt luËn øng suÊt tác dụng lên đầu cọc theo tính toán từ công thức Low et al, Terzaghi, tiêu chuẩn BS8006 tơng đơng so với kết theo mô hình mô Plaxis ứng suất tác dụng lên cọc đất theo quan trắc Earth pressure cell nhỏ so với tính toán theo công thức Low et al, Terzaghi, tiêu chuẩn BS8006 phần mềm Plaxis HƯ sè tËp trung øng st theo m« pháng phần mềm Plaxis 3D Foundation phù hợp với kết quan trắc Kết công thức theo Low et al, Terzaghi, tiêu chuẩn BS8006 có phần tơng đối phù hợp với giá trị quan trắc Theo nh kết phần mềm Plaxis 3D (trờng hợp 2) mô hình mô dành cho lớp đất yếu Soft Soil Creep model hay Hardening Soil khác biệt lớn Theo nh kết trờng hợp thay lớp xi măng bề mặt cát độ lún công trình tăng khoảng 62.5%, hệ số tập trung ứng suất giảm gần 47% Có khác biệt lớp phủ cứng bên phân phối phần lớn áp lực lên cọc xi măng Điều cho thấy có lớp phủ xi măng bề mặt (phơng pháp AliCC) hiệu xử lý cao nhiều so với không sử dụng Khi áp dụng phơng pháp AliCC đề nghÞ sư dơng hƯ sè tËp trung øng st tõ đến để thiết kế an toàn 12 Tài liƯu tham kh¶o a Coastal Development Institute of Technology (CDIT) (2002) “The Deep Mixing Method : Principle, Design and Contruction” b Bergado, D.T & Taweephong Suksawat (2009) “Numerical Simulations and Parametric Study of SDCM and DCM Piles under Full Scale Axial and Lateral Loads as well as under Embankment Load” c Buisman, K., (1936) Results of long duration settlement tests Proceedings 1st International Conference on Soil Mechanics d e f g h i j and Foundation Engineering, Cambridge, Mass Vol 1: 103: 107 Han, J., Gabr, M A (2002) Numerical Analysis of Geosynthetic Reinforced and Piled-Supported Earth Platforms over Soft Soil Journal of Geoenbiromental Engineering, ASCE, Vol 128, No 1, 44-53 Low,B.K., M.ASCE, Tang, S K., and Choa,V., (1994) “ Arching in Piled Embankments“, Journal of Geotechnical Engineering, November, ASCE Mc Nulty, J W (1965) An Experimental Study of Arching in Sand, Ph D Thesis in Civil Engineering, University of Illinois Miki, H and Nozu, M (2004) “Design and numerical analysis of road embankment with low improvement ratio deep mixing method“, Geotrans 2004, ASCE Peng, S., T., G., Mac But, T Van and T Uchida, Matsumoto, H., & Takahashi, H “Soil improvement works for the design and development of SP - PSA international port company LTD project in BaRia-VungTau, Viet Nam“ Roscoe, K H and Burland, J.B (1968) “ On the generalized stress-strain behavior of “wet“ clay“, Eng Plasticity, Cambridge Univ Press, pp 535-609 Terzaghi, K., Theoretical Soil Mechanics Newyork: Wiley, 1943 ... 0.5 0.5 0.5 0.5 λ* - 0.113 - - - - - κ * - 0.012 - - - - - µ* - 0.0045 - - - - - E50ref - - 1105.77 - - - - Eoedref - - 884.62 - - - - Eurref - - 16000 - - - - m - - 1.0 - - - - c (KN/m2) 0.2 4... 0.864 8.64E-05 8.64E-06 0.864 1.73 0.0002 0.0002 0.864 1.73E-04 1.73E-05 1.73 Cc - 0.836 0.836 - - - - Cs - 0.045 0.045 - - - - Cát đắp Bùn sét Mô h×nh MC γ (KN/m3) Cα - 0.0348 - - - - - einit 0.5... tính công thức sau: n= p (8) σs Trong ®ã: n : hƯ sè tËp trung ứng suất p : ứng suất tác dụng lên đầu cọc s : ứng suất tác dụng lên đất Khi n = hiệu ứng vòm Giá trị n lớn mức độ ảnh hởng hiệu ứng