Hệ CĐXM cú thể được bố trớ theo sơ đồ cọc treo (cọc khụng xuyờn suốt chiều dày lớp đất yếu) hoặc cọc chống (cọc xuyờn suốt chiều dày lớp đất yếu) tựy theo đặc điểm địa chất của cỏc lớp đất tốt phớa dưới tầng đất yếu (Hỡnh 1.13).
1.4. NHỮNG TỒN TẠI TRONG Q TRèNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ CĐXM VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG GIẢI QUYẾT
Trờn cơ sở phõn tớch về phương phỏp tớnh toỏn thiết kế và xem xột hồ sơ thiết kế của cỏc cụng trỡnh sử dụng hệ CĐXM để gia cố nền đất yếu đó thi cụng ở Việt Nam, NCS thấy một số vấn đề như sau:
- Hiện nay ở nước ta đối với cỏc dự ỏn đó sử dụng hệ CĐXM chưa cú một quy trỡnh thiết kế, thi cụng và nghiệm thu CĐXM hoàn chỉnh. Chưa cú mụ hỡnh thống nhất và hợp lý để tớnh toỏn thiết kế hệ CĐXM đặc biệt là giải quyết bài toỏn lỳn của hệ CĐXM sau gia cố cũng như chưa đề cập đến đặc điểm ứng xử cục bộ, trạng thỏi ứng suất, biến dạng của nền đất sau gia cố. Bài toỏn lỳn theo thời gian chưa được xem xột, hoặc cũn sơ sài, thiếu độ tin cậy [4], [26], [27]
- Đa số cỏc dự ỏn lớn sử dụng hệ CĐXM đều sử dụng tỷ lệ khoảng cỏch xấp xỉ bằng 2-2,5 lần đường kớnh cọc. Tuy nhiờn lại chưa cú một tớnh toỏn cụ thể nào để giải thớch tại sao lại sử dụng số liệu này, cụ thể:
+ Gúi thầu A2 Dự ỏn Bến Lức - Long Thành [11] cú 7 đoạn sử dụng CĐXM.
Bảng 1.3. Cỏc thụng số CĐXM (D,d) ở gúi thầu A2 dự ỏn Bến Lức - Long Thành
TT Lý trỡnh Đường kớnh D (m) Khoảng cỏch d (m) 1 Km7+900 - Km 7+960 0,7 1,5 2 Km 9+420 - Km9+50 0,7 1,5 3 Km 11+960 - Km 12+050 0,7 1,5 4 Km 13+180 - Km13+260 0,7 1,5 5 Km 15+480 - Km15+545 0,7 1,6 6 Km 15+646 - Km15+720 0,7 1,5 7 Km 16+300 - Km16+600 0,7 1,6
+ Gúi thầu A6 Dự ỏn Bến Lức - Long Thành cú 6 đoạn sử dụng CĐXM.
Bảng 1.4. Cỏc thụng số CĐXM (D,d) ở gúi thầu A4 dự ỏn Bến Lức - Long Thành
TT Lý trỡnh Đường kớnh D (m) Khoảng cỏch d (m) 1 Km0+ 600 - Km0+668 0,7 1,5 2 Km0+767 - Km0+870 0,7 1,5 3 Km0+62.5 - Km0+130.9 0,7 1,4 4 Km0+243 - Km0+305 0,7 1,6 5 Km0+296 - Km0+355 0,7 1,6 6 Km0+50 - Km0+74 0,7 1,4
+ Hầm chui đường sắt trờn đại lộ Thăng Long [9] được chia ra thành 12 đoạn thi cụng và được ký hiệu TC1 đến TC12.
Bảng 1.5. Cỏc thụng số CĐXM ở Dự ỏn Hầm chui đường sắt trờn đại lộ Thăng Long
TT Lý trỡnh Đường kớnh D (m) Khoảng cỏch d (m) 1 TC1 0,7 1,2 2 TC2 0,7 1,2 3 TC3 0,7 1,2 4 TC4 0,7 1,4 5 TC5 0,7 1,4 6 TC6 0,7 1,4 7 TC7 0,7 1,6
8 TC8 0,7 1,6 9 TC9 0,7 1,6 10 TC10 0,7 1,6 11 TC11 0,7 1,6 12 TC12 0,7 1,6 + Cảng Hàng Khụng Cần Thơ ( Sõn bay Trà Núc): Sử dụng D =0,6m và d=1m + Dự ỏn Đường Liờn Cảng Cỏi Mộp – Thị Vải :Sử dụng D =0,8m và d=1,5m + Dự ỏn Tổng kho xăng dầu Cần Thơ: Sử dụng D =0,6m và và d=1,15m
- Kết quả sử dụng tỷ lệ khoảng cỏch cọc xấp xỉ bằng 2 lần đường kớnh cọc cần được chứng minh bằng phương phỏp tớnh toỏn hiện đại là phương phỏp số dựa trờn cỏc số liệu địa chất thực tế [9], [10], [11], [12], nhất là cỏc số liệu địa chất đất yếu ở Việt Nam.
Việc lựa chọn chiều dài CĐXM cũn chưa hợp lý, điển hỡnh như gúi thầu A2, A5 thuộc dự ỏn Bến Lức - Long Thành đều lựa chọn chiều dài CĐXM vượt qua chiều dày của lớp đất yếu cụ thể :
+ Gúi thầu A2 Dự ỏn Bến Lức - Long Thành cú 7 lý trỡnh sử dụng CĐXM (bảng 1.6):
Bảng 1.6. Cỏc thụng số CĐXM (L) gúi thầu A2 Dự ỏn Bến Lức – Long Thành
TT Lý trỡnh Chiều dày lớp đất yếu (m) Chiều dài cọc L (m)
1 Km7+900 - Km 7+960 5 11 2 Km 9+420 - Km9+50 4 7 3 Km 11+960 - Km 12+050 5 8 4 Km 13+180 - Km13+260 5.5 8,5 5 Km 15+480 - Km15+545 13 16 6 Km 15+646 - Km15+720 10 13 7 Km 16+300 - Km16+600 18,5 9
+ Gúi thầu A5 Dự ỏn Bến Lức –Long Thành cú 3 lý trỡnh sử dụng CĐXM (bảng 1.7):
Bảng 1.7. Cỏc thụng số CĐXM (L) gúi thầu A5 Dự ỏn Bến Lức – Long Thành
TT Lý trỡnh Chiều dày lớp đất yếu (m) Chiều dài cọc L (m)
2 Km 35 + 283,6 – Km 35 + 390 3,5 5
3 Km 32 + 450 – Km 32 + 610 8 9
- Phương phỏp nền tương đương là phương phỏp ỏp dụng chủ yếu khi tớnh toỏn hệ CĐXM. Điều này cú thể chấp nhận được trong cỏc tớnh toỏn ổn định tổng thể của nền đất sau gia cố về lỳn và trượt. Tuy nhiờn khi cần phõn tớch trạng thỏi ứng suất- biến dạng, cỏc ứng xử phỏ hoại cục bộ của cỏc vựng đất khỏc nhau của nền đất sau gia cố thỡ hầu như chưa cú nội dung tớnh toỏn nào được đưa vào cỏc hồ sơ tớnh toỏn, … Điều này cần thiết phải lựa chọn một mụ hỡnh tớnh toỏn hợp lý để cú thể xột đến được cỏc yếu tố cục bộ, ứng suất biến dạng bờn cạnh cỏc tớnh toỏn ổn định tổng thể..
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương 1 đó trỡnh bày tổng quan về đất yếu, cỏc giải phỏp xử lý nền đất yếu và CĐXM, cỏc vấn đề về cỏc cụng nghệ thi cụng cũng như cơ chế hỡnh thành CĐXM. Cỏc giải phỏp xử lý đất yếu đặc biệt là giải phỏp CĐXM được phõn tớch chi tiết ở cỏc phương diện về đặc điểm cụng nghệ, ưu nhược điểm và phạm vi ỏp dụng. Trong chương này NCS cũng đó rỳt ra được những vấn đề cũn tồn tại liờn quan đến cụng tỏc tớnh toỏn thiết kế hệ CĐXM núi chung và trong gia cố nền đắp trờn đất yếu núi riờng ở nước ta. Đõy là những nội dung mà cỏc nhà tư vấn thiết kế ở Việt Nam cần phải khắc phục nhằm cú cỏc thiết kế hợp lý với điều kiện thực tế Việt Nam.
CHƯƠNG II
NGHIấN CỨU LỰA CHỌN Mễ HèNH TÍNH TỐN HỢP Lí KHI THIẾT KẾ HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG ĐỂ GIA CƯỜNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRấN ĐẤT YẾU
2.1. TỔNG QUAN
Tớnh toỏn sức chịu tải và biến dạng của nền đất yếu được gia cố bằng hệ CĐXM cú thể được thực hiện theo cỏc quan điểm khỏc nhau. Cú quan điểm kiến nghị tớnh toỏn CĐXM như đối với cọc cứng [32], [60]. Cú quan điểm xem cọc và đất cựng làm việc đồng thời, cường độ của nền hỗn hợp này là tổ hợp cường độ của CĐXM và đất quanh cọc [54]. Một số lại đề nghị tớnh toỏn theo cả hai quan điểm trờn nghĩa là sức chịu tải thỡ tớnh toỏn như “cọc”, cũn biến dạng thỡ tớnh toỏn theo nền [25].
Khi tớnh ổn định tổng thể của nền đất sau gia cố, cỏc tớnh toỏn nhanh với quan điểm ứng xử tương đương của cỏc đặc trưng cơ lý của của cả cọc và đất yếu sẽ là giải phỏp thớch hợp. Trường hợp cần phõn tớch chớnh xỏc ứng xử cục bộ và tương tỏc giữa CĐXM và đất yếu, đặc biệt là khi cọc mụ đun đàn hồi lớn (hàm lượng xi măng nhiều) thỡ quan điểm cọc cứng, làm việc độc lập sẽ là sự lựa chọn hợp lý.
Cỏc quy trỡnh và tiờu chuẩn về thiết kế CĐXM như: Tiờu chuẩn Thượng Hải Trung Quốc [25], Tiờu chuẩn Nhật Bản - CDIT (2002) [32], Quy trỡnh chõu Âu về phương phỏp trộn sõu (TC 288 – EU-2003) và gia cố đất yếu [24], hay cỏc quy trỡnh khỏc của Mỹ, Thụy Điển… đều đưa ra cỏc cụng thức tớnh toỏn ổn định của nền đất yếu sau gia cố bằng hệ CĐXM núi chung và ổn định lỳn núi riờng. Cỏc cụng thức này thụng thường dựa trờn cỏc phõn tớch giải tớch hoặc kết quả trong phũng thớ nghiệm được phổ quỏt hoỏ để cỏc kỹ sư ỏp dụng tớnh toỏn nhanh trong thực tế. Cỏc phõn tớch về trạng thỏi ứng xử cục bộ của nền đất yếu, của CĐXM làm cơ sở cho việc lựa chọn sơ đồ bố trớ hợp lý CĐXM chưa được đề cập tới.
Bờn cạnh cỏc phương phỏp tớnh theo quy trỡnh. Hiện nay với sự phỏt triển của cụng cụ mỏy tớnh và cỏc phần mềm viết bằng phương phỏp phần tử hữu hạn (PTHH) dựa trờn nền tảng của cơ học liờn tục [63] và cơ học đất tới hạn [39] như Plaxis [56], Geoslope, LagaProg [51]...đó hỗ trợ rất tốt cho việc giải cỏc bài toỏn địa kỹ thuật.
Cỏc phương phỏp tớnh toỏn thiết kế hệ CĐXM lần lượt sẽ được trỡnh bày chi tiết trờn cơ sở phõn chia theo cỏc nhúm phương phỏp khỏc nhau.
2.2. NHểM CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THEO CÁC TIấU CHUẨN THIẾT KẾ
2.2.1. Phương phỏp tớnh toỏn theo quan điểm CĐXM làm việc như cọc cứng [32], [60]
a. Đỏnh giỏ ổn định cọc theo trạng thỏi giới hạn 1.
Để múng cọc ổn định đảm bảo an tồn cần thỏa món cỏc điều kiện sau: Nội lực lớn nhất của cọc: Nmax < [Nvật liệu]/k (2.1) Mụ men lớn nhất trong cọc: Mmax < [Mvật liệu] /k (2.2) Chuyển vị của khối múng: y < [y] (2.3) Trong đú:
[Nvật liệu] - Tải trọng giới hạn của CĐXM (kN). [Mvật liệu] - Mụ men giới hạn của CĐXM (kN.m). k - là hệ số an toàn.
[y] - là chuyển vị cho phộp (m). b. Đỏnh giỏ ổn định theo trang thỏi giới hạn 2.
Tổng độ lỳn của múng: ΣSi < [S] (2.4) Trong đú:
[S]- Độ lỳn giới hạn cho phộp (m). ΣSi- Độ lỳn tổng cộng của múng (m).
2.2.2. Phương phỏp tớnh toỏn theo quan điểm hệ làm việc như nền tương đương [54]
Nền đất sau gia cố được xem là một hệ (đất – CĐXM – đất). Khi tớnh ta quy đổi hệ này thành một nền tương đương cú cỏc đặc trưng cơ lý phụ thuộc vào đặc trưng cơ lý của đất – CĐXM và dạng bố trớ CĐXM
Cỏc tham số của nền tương đương bao gồm : mụ đun đàn hồi tương đương Etđ, hệ số lực dớnh đơn vị tương đương ctđ, gúc nội ma sỏt tương đương φtđ, khối lượng thể tớch tương đương tđ được tớnh đổi theo cụng thức sau:
φtđ = t.φ c + (1- t).φp ctđ = t.cc + (1- t).cp
Etđ = t.Ec + (1- t).Ep (2.5)
tđ
= t.c+ (1- t).p
ĐấT ĐắP NềN TƯƠNG ĐƯƠNG Với : p c A A t (2.6) Ac - Diện tớch CĐXM .
Ap - Diện tớch đất nền được gia cố.
ĐấT ĐắP
2 1 2
1 1
(a) (b) Hỡnh 2.1-Quy đổi nền tương đương
(a). Nền thực tế, (b). Nền quy đổi tương đương 1.CĐXM, 2. Đất xung quanh CĐXM
Nền đất tương đương với cỏc đặc trưng cơ lý như trờn sẽ được tớnh như là một nền đất đồng nhất. Nếu tầng đất yếu cú nhiều lớp khỏc nhau thỡ, cỏc đặc trưng tương đương sẽ được quy đổi cho mỗi lớp đất riờng biệt.
Sau khi đó quy về nền tương đương, ta hoàn toàn cú thể dựng bài toỏn biến dạng phẳng để mụ phỏng tớnh toỏn (hỡnh 2.2). Khi đú nền đất đắp và nền đất yếu được xem xột trờn mặt phẳng cắt ngang và vuụng gúc với tim đường. Trờn (hỡnh 2.2) là mụ tả lưới phần tử hữu hạn mụ phỏng tớnh toỏn 1/2 nền đường trờn nền đất yếu được gia cố. Bài toỏn ổn định tổng thể và lỳn của nền đất yếu sau gia cố cú thể được tớnh toỏn dễ dàng với giả thiết quy đổi như trờn. Tuy nhiờn, cần cú cỏc tớnh toỏn bổ sung để xột đến sự làm việc của CĐXM khi tương tỏc với nền đất yếu và phần đất đắp nền đường phớa trờn.
Hỡnh 2.2-Mụ hỡnh biến dạng phẳng theo mụ hỡnh nền tương đương
2.2.3. Phương phỏp tớnh toỏn theo quan điểm của Viện cụng nghệ chõu Á (AIT) [21]
a. Khả năng chịu tải của cọc đơn
Khả năng chịu tải giới hạn tức thời của cọc đơn trong đất yếu được quyết định bởi sức khỏng cắt của đất yếu bao quanh (khi đất bị phỏ hoại) hay sức khỏng cắt của vật liệu cọc (khi cọc bị phỏ hoại).
Khả năng chịu tải giới hạn tức thời của cọc đơn trong đất yếu khi đất phỏ hoại được tớnh theo cụng thức sau:
Qgh, đất = (πDL +2,25πD2 )cuu (2.7) Trong đú :
D - Đường kớnh của cọc( m). L - Chiều dài cọc (m).
cuu - Sức khỏng cắt khụng thoỏt nước trung bỡnh của đất yếu bao quanh, được thớ nghiệm tại hiện trường qua thớ nghiệm cắt cỏnh hiện trường hoặc xuyờn cụn (kPa).
b. Khả năng chịu tải giới hạn của nhúm cọc
Khả năng chịu tải của nhúm cọc được tớnh theo cụng thức:
Q gh,đất= 2cu.H.(B1+B2) + k.cu.B1.B2 (2.8) Trong đú:
B1, B2, H- Chiều dài, chiều rộng, chiều cao của nhúm cọc (m) k - Hệ số an toàn.
cuu - Sức khỏng cắt khụng thoỏt nước trung bỡnh của đất yếu bao quanh, được thớ nghiệm tại hiện trường qua thớ nghiệm cắt cỏnh hiện trường hoặc xuyờn cụn (kPa).
c. Độ lỳn
Hỡnh 2.3- Phõn tớch lỳn khi gia cố bằng CĐXM
Độ lỳn tổng cộng của một cụng trỡnh đặt trờn CĐXM được tớnh như miờu tả trong (Hỡnh 2.3) độ lỳn tổng cộng lớn nhất lấy bằng tổng độ lỳn cục bộ của khối gia cố S1 và độ lỳn cục bộ của đất khụng ổn định nằm ở dưới khối gia cố S2. Cú 2 trường hợp được nghiờn cứu khi tớnh độ lỳn tổng cộng. Trường hợp thứ nhất, tải trọng tỏc dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị róo. Trong trường hợp thứ 2, tải trọng tỏc dụng tương đối cao và tải trọng dọc trục của cọc tương ứng với tải trọng róo (Xem cụng thức 2.12).
Trường hợp 1: Tải trọng tỏc dụng tương đối nhỏ và cọc chưa bị róo:
Trong trường hợp này, độ cứng tương đối của cọc cú tớnh tới tỏc dụng của đất khụng ổn định, sẽ quyết định sự phõn bố tải trọng giữa cọc và phần đất khụng ổn định nằm kề.
Độ lỳn tổng cộng S1 được tớnh toỏn theo biểu thức sau:
p s c s E a E a L q S ). 1 ( . . 1 1 (2.9) Trong đú:
q1 - Áp lực tớnh lỳn truyền cho cọc (kPa). Ec - Mụ đun đàn hồi của cọc (kPa).
Ep - Mụ đun đàn hồi của đất xung quanh cọc (kPa). L - Chiều dài cọc gia cố (m).
as - Tỷ lệ gia cố
- Gúc của đường tim đi qua 2 cọc với phương ngang
Nếu cọc bố trớ theo mạng hỡnh chữ nhật: 2 1 2 . 1 . 4 . l l D as (2.10)
Nếu cọc bố trớ theo mạng tam giỏc:
sin . . 1 . 4 . 2 1 2 l l D as (2.11) Hỡnh 2.4- Sơ đồ bố trớ CĐXM trờn mặt bằng D D
Độ lỳn tổng cộng S2 được tớnh toỏn theo cỏch như với nền đất yếu chưa gia cố. Tải trọng tỏc dụng lờn lớp đất chưa gia cố dưới đỏy mũi cọc là toàn bộ tải trọng tớnh lỳn q2 (giả thiết tải trọng tỏc dụng khụng thay đổi trờn suốt chiều sõu cọc).
Trường hợp 2: Tải trọng tỏc dụng lớn, ứng với giới hạn róo.Trong trường hợp này, tải
trọng tỏc dụng quỏ lớn nờn tải trọng dọc trục tương ứng với giới hạn róo của cọc. Tải trọng tỏc dụng được chia ra: phần q1 truyền cho cọc và phần q2 truyền cho đất xung quanh như trường hợp thứ nhất. Phần tải trọng q1 được quyết định bởi tải trọng róo của cọc và tớnh theo biểu thức: 2 1 1 . . B B Q n q c creep (2.12) Trong đú: n - Số cọc.
B1, B2 – Chiều dài, chiều rộng vựng đất gia cố (m). Qccreep - Tải trọng róo của cọc (kN).
Độ lỳn tổng cộng S1 được tớnh toỏn theo biểu thức sau:
c E L q S 1. 1 (2.13) Trong đú:
L - Chiều dài cọc gia cố (m). Ec - Mụ đun đàn hồi của cọc (kPa).
Độ lỳn tổng cộng S2 được tớnh toỏn theo cỏch thụng thường như với nền đất yếu chưa gia cố. Tải trọng q1 truyền toàn bộ xuống dưới đỏy khối gia cố, tải trọng q2 tỏc dụng từ trờn mặt đất.
2.2.4. Phương phỏp tớnh toỏn theo tiờu chuẩn chõu Âu [24], [49], [53]
a. Kiểm tra điều kiện về cường độ
Cường độ chịu tải của vật liệu cọc được xỏc đinh theo cụng thức:
Rc = 2cuc+ 3 σh (2.14) Trong đú:
cuc - Sức khỏng cắt khụng thoỏt nước của CĐXM, phụ thuộc vào hàm lượng xi măng sử dụng (kPa).
Tải trọng tỏc dụng vào cọc là tớch số giữa giỏ trị tải trọng phõn bổ trờn 1m2 với giỏ trị “diện tớch tương đương của 1 cọc”. Với giả thiết ứng suất tỏc dụng khụng giảm theo chiều sõu, chỉ số ứng suất tỏc dụng lờn cọc được tớnh bằng tải trọng tỏc dụng vào cọc chia cho diện tớch của một cọc. Chỉ số “diện tớch tương đương của 1 cọc” được xỏc