CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU HỆ CỌC ĐẤT XI MĂNG KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ
3.1 Mô hình thu nhỏ
3.1.1 Các nghiên cứu mô hình thực nghiệm
Việc xây dựng các mô hình để nghiên cứu các bài toán ĐKT là rất phổ biến trên thế giới [11]. Mô hình vật lý bao gồm mô hình tỷ lệ thực (full scale), mô hình trọng lực đơn (1g) và mô hình ly tâm (centrifuge). Trong địa kỹ thuật, mô hình vật lý đầu tiên được giới thiệu bởi Terzaghi (1936). Nó là một màn trập đơn giản mô phỏng sự dịch chuyển của đất và nghiên cứu hiệu ứng vòm. Trải qua nhiều thập kỷ, mô hình vật lý đã được sử dụng thành công trong nhiều nghiên cứu đã công bố. Nó cho phép trực quan hóa vấn đề và đánh giá kết quả mô hình số. Mô hình vật lý cũng thành công trong việc giải quyết các vấn đề vật lý phức tạp; trực quan trong thực hành giảng dạy và sử dụng các công trình thí nghiệm đã được công bố rộng rãi [76].
Với những hạn chế của các nghiên cứu tiêu biểu trong nước về việc nghiên cứu sự làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong xử lý nền đất yếu là
67
không có thực nghiệm đánh giá [15], thì việc xây dựng và nghiên cứu dựa trên mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ trong phòng thí nghiệm sẽ là cơ sở rất tin cậy cho việc phát triển lý thuyết, kiểm tra đối chiếu các phương pháp tính toán giải tích hay các phương pháp số về cơ chế làm việc của hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT cường độ cao trong xử lý nền đất yếu.
Các mô hình vật lý hiện nay bao gồm nhiều tỷ lệ khác nhau và trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ tỷ lệ trong phòng thí nghiệm đến tỷ lệ thực nhằm xác định các ứng xử của vật liệu dưới các điều kiện thực tế.
Loại mô hình vật lý phụ thuộc vào tỷ lệ với mô hình thực từ tỷ lệ lớn đến tỷ lệ nhỏ.
Những ưu điểm trong quyết định lựa chọn một mô hình vật lý tỷ lệ nhỏ trong phân tích một vấn đề địa kỹ thuật bao gồm tính đơn giản và chi phí thấp, phân tích các ứng xử phức tạp và đánh giá kết quả mô hình số cùng với các nghiên cứu tham số [76], [78].
Hiện nay có hai loại mô hình được sử dụng phổ biến trong phòng thí nghiệm là mô hình trọng lực đơn (1g) và mô hình ly tâm. Mô hình phòng thí nghiệm trọng lực đơn (1g) nói chung có ba đặc điểm chính. Đầu tiên, mô hình vật lý cung cấp kết quả đáng tin cậy để hỗ trợ mô hình số và các điều kiện biên được xác định và kiểm soát. Thứ hai, kích thước của các mô hình càng lớn thì mức độ phù hợp so với mô hình thực càng cao. Tuy nhiên, điều này gây ra sự khó khăn trong việc thí nghiệm trong phòng và tốn kém nhiều chi phí.
Đặc điểm thứ ba, mô hình vật lý thường khó có thể tuân thủ đầy đủ các luật tỷ lệ. Với mô hình 1g chỉ có áp lực địa tầng ở một độ sâu nào đó được mô phỏng [11].
Hình 3.1 Nguyên lý của sự thay đổi áp lực địa tầng (dưới tác dụng của gia tốc trọng trường 1g) và lực ly tâm tác dụng lên mẫu [11]
Ngược lại, với mô hình ly tâm, sự thay đổi áp lực địa tầng tăng dần tuyến tính theo độ sâu có thể được mô phỏng bằng lực ly tâm khi mẫu đất được đưa vào buồng quay.
Hình 3.1 thể hiện nguyên lý của sự thay đổi áp lực địa tầng (dưới tác dụng của gia tốc trọng trường 1g) và lực ly tâm tác dụng lên mẫu để mô phỏng áp lực địa tầng của mô hình ly tâm. Do sự thay đổi của gia tốc hướng tâm theo bán kính nên có sự khác nhau về áp lực giữa hai trường hợp nhưng sự sai khác này là không đáng kể.
3.1.2 Các nghiên cứu mô hình thu nhỏ hệ cọc đất xi măng và lưới địa kỹ thuật Trong nghiên cứu hệ cọc ĐXM kết hợp lưới ĐKT, mô hình thí nghiệm được ưu tiên sử dụng nhằm phân tích các ứng xử phức tạp bao gồm phân tích sự tập trung ứng suất, hiệu ứng vòm, khả năng chịu tải của cọc ĐXM.
Kitazume và nnk (2000) [56] là một trong những người đầu tiên sử dụng mô hình ly tâm tỷ lệ 1/30, mô phỏng hệ cọc ĐXM gia cố móng với tỷ lệ cọc ĐXM thay thế 79%. Mô hình được trang bị lớp thoát nước bằng cát dưới đáy hộp. Cọc ĐXM có đường kính 2cm được tạo thành từ hỗn hợp đất sét Kawasaki và xi măng Portland. Kích thước mô hình được miêu tả chi tiết trong hình 3.2. Một số kết quả thí nghiệm thu được là mặt trượt qua hệ cọc ĐXM phụ thuộc vào tải trọng tác dụng và cường độ cọc ĐXM [56].
Hình 3.2 Mô hình hệ cọc đất xi măng gia cố móng tỷ lệ 1/30 [17]
Năm 2004, M.Bouassida và A.Porbaha đã xây dựng mô hình nhóm cọc ĐXM 3x3 cọc (đường kính 2cm, chiều dài cọc từ 11,7 cm đến 19cm) nhằm xác định sức chịu tải và độ lún của nền đất gia cố (hình 3.3) [30].
Trong luận án tiến sĩ của mình, Fang (2006) [35] đã xây dựng mô hình vật lý hệ 3x3 cọc ĐXM đường kính 40 mm, nhằm xác định sức chịu tải của hệ cọc và điều kiện cố kết của nền đất yếu khi được gia cố bởi cọc ĐXM. Kết quả của luận án là xác định
69
được sức chịu tải thẳng đứng của nhóm cọc ĐXM, mặt trượt phá hoại và độ cố kết của nền đất gia cố khi chịu tải trọng. Kích thước mô hình được biểu diễn trong hình 3.4.
Hình 3.3 Mô hình hệ cọc đất xi măng đường kính 20mm [30]
Hình 3.4 Mô hình hệ cọc đất xi măng đường kính 40mm [35]
Ngoài ra, còn có nhiều nghiên cứu công bố về cọc ĐXM thông qua các mô hình thí nghiệm cọc đơn nhằm xác định sức chịu tải, độ cố kết nền đất gia cố, khả năng ổn định nền đất khi cọc ĐXM bị biến dạng dẻo [71], [75], [79].
Đối với việc xây dựng mô hình các lớp lưới ĐKT, một số công trình nghiên cứu tiêu biểu [27], [69], [77], [81], [85].
Artidteang và nnk (2013) [27] đã xác định cường độ lực kéo, hệ số ma sát trong lớp cát của lớp lưới ĐKT Kenaf với kích thước 200 mm x 100 mm. Kết quả thu được hệ sô chống trượt của lớp lưới ĐKT trong cát là 0,812 và hệ số chống kéo tụt từ 0,88 đến 1,11.
Hình 3.5 Mô hình thu nhỏ lớp lưới Địa kỹ thuật [27]
Zhang và nnk (2016) [85] xác định cường độ chịu kéo của lớp lưới ĐKT thông qua mô hình tỷ lệ thực (full scale) thông qua các tải trọng tĩnh, tải trọng động - mô phỏng xe cộ. Qua đó, hiệu chỉnh công thức BS 8006 về tính lực kéo lưới ĐKT (hình 3.6).
Hình 3.6 Mô hình thu nhỏ thí nghiệm kéo lớp lưới Địa kỹ thuật [85]
71
Xing (2014) sử dụng mô hình tỷ lê lớn mô phỏng lưới ĐKT cường độ 560 kN/m trên hệ cọc bê tông đường kính 600mm trên diện tích hình tròn đường kính 9,5m. Kết quả thu được hiệu quả truyền tải cọc Ef đạt được khoảng 0,8 [77].