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 TOÁN 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 toàn 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.

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- Sơđồ 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). Qc

creep - 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 định bằng diện tớch khu vực gia cố chia cho tổng số cọc.

Cường độ chịu tải của vật liệu cọc Rc với giỏ trị của cường độ của đất gia cố khoảng 50kg xi măng/m dài cọc. Hệ số an toàn là tỷ số của cường độ cọc và ứng suất tỏc dụng lờn cọc, thường > 1,2.

b. Tớnh toỏn độ lỳn

Độ lỳn được xỏc định bằng tổng độ lỳn của cọc và độ lỳn phần đất ở bờn dưới khu vực được gia cố.

 Độ lỳn của CĐXM    p c a E E a q h S ) 1 ( . . (2.15) Trong đú S - Độ lỳn của cọc (m).

h - Chiều dày đất yếu trong phạm vi gia cố (m). q - Áp lực gõy lỳn (kPa).

a - Tỷ số quy đổi diện tớch, a = A/d2 . A - Diện tớch tiết diện ngang của cọc (m2). d - Khoảng cỏch giữa tim cỏc cọc (m).

Ec và Ep - Mụ đun đàn hồi của cọc và của nền đất thiờn nhiờn chưa gia cố.

 Độ lỳn của phần đất dưới khu vực được gia cố:

Độ lỳn xảy ra trong vựng ảnh hưởng đến độ sõu khi thỏa món điều kiện sau [36]: σz ≤ 0,1 .γ. H (2.16)

Trong đú:

H - Chiều sõu vựng ảnh hưởng lỳn (m). γ - Trọng lượng thể tớch của đất (kN/m3).

2.2.5. Phương phỏp tớnh toỏn theo tiờu chuẩn Thượng Hải -Trung Quốc [25]Độ lỳn của cọc được xỏc định theo cụng thức: Độ lỳn của cọc được xỏc định theo cụng thức:

s c a E E a qL S ). 1 ( . 1   (2.17) Trong đú: q - Áp lực gõy lỳn (kPa). L - Chiều dài của cọc (m). a - Tỷ số quy đổi diện tớch.

Ec -Mụ đun đàn hồi của cọc (kPa).

Ep - Mụ đun đàn hồi của lớp đất nền trong phạm vi chiều sõu gia cố (kPa). Độ lỳn của phần đất dưới khu vực gia cố cũng được xỏc định theo cụng thức 2.16.6

2.2.6. Phương phỏp tớnh toỏn trong cỏc hồ sơ thiết kế ở Việt Nam [4],[5],[26],[28]

Cỏc yờu cầu tớnh toỏn thiết kế về ổn định lỳn, ổn định trượt và ổn định của bản thõn CĐXM được xỏc định trờn cơ sở xem xột đầy đủ cỏc yếu tố về quy mụ, mức độ cụng trỡnh, tải trọng cụng trỡnh, điều kiện thi cụng, điều kiện địa chất cụng trỡnh, mức độ tỏc động đến kinh tế xó hội… trong trường hợp cụng trỡnh mất ổn định.

Cỏc yờu cầu thiết kế tối thiểu đối với CĐXM

 Trị số lỳn dư cho phộp của nền đất sau khi xử lý khụng vượt quỏ quy định trong 22TCN 262-2000 [3].

 Hệ số an toàn về ứng suất trong thõn cọc ( sức chịu tải của cọc) khụng nhỏ hơn 1,2.

 Hệ số an toàn trượt sõu tớnh bằng phương phỏp Bishop khụng nhỏ hơn 1,4.

 Hờ số an toàn về trượt phẳng khụng nhỏ hơn 1,2. a. Ổn định

 Sức khỏng cắt của nền gia cố

Phõn tớch ổn định dựa theo cỏc phương phỏp nền tương đương. Nền đất tương đương cú cường độ khỏng cắt được xỏc định:

ctđ = cuu(1-a) +a.cuc (2.18)

Trong đú :

cuc - Sức khỏng cắt khụng thoỏt nước của CĐXM (kPa). cuu - Sức khắng cắt của đất nền giữa cỏc cọc (kPa). a - Tỷ số quy đổi diện tớch: a = n.Ac / B1B2

n - Số cọc trong 1m chiều dài khối đất. B1B2 -Kớch thước khối gia cố (m2) . Ac -Diện tớch cọc (m2).

b. Độ lỳn

 Độ lỳn toàn phần

Để giảm độ lỳn của cọc thường được bố trớ dạng lưới tam giỏc hay ụ vuụng. Phõn tớch lỳn dựa trờn quan điểm đồng biến dạng.Núi cỏch khỏc, cho rằng hiệu ứng vũm phõn bố lại tải trọng, sao cho biến dạng thẳng đứng tại độ sõu nhất định bằng nhau trong cọc và đất xung quanh cọc. Đối với nhúm cọc, độ lỳn trung bỡnh sẽ được giảm bởi ứng suất cắt của đất, huy động tại bề mặt tiếp xỳc theo chu vi khối đất xung quanh chỉ chuyển dịch khỏ nhỏ (vài mm) đủ để huy động sức khỏng cắt của đất. Ứng suất cắt gõy độ lỳn lệch giữa cỏc cọc trong nhúm. Độ lỳn lệch này sẽ giảm dần theo mức độ cố kết của đất, cho nờn sẽ khụng kể đến trong tớnh tổng độ lỳn.

Tớnh độ lỳn tổng cộng của đất nền như sau:

S = S1 +S2 (2.19)

Trong đú :

- S1 là độ lỳn của khối được gia cố (m).

- S2 là độ lỳn của phần đất khụng được gia cố, nằm dưới mũi cọc (m).

 Độ lỳn của khối gia cố S1được tớnh như sau:

o Đối với cọc chống: p c a E E a h q S ) 1 ( . . 1    (2.20)

o Đối với cọc cọc treo: 0 0 0 1 ' ' lg '. . 1 ) 1 ( . .   q h e c E a E a h q S un p c       (2.21)

Với 2 ' ' h B q q   (2.22) Trong đú : q - Áp lực cụng trỡnh tỏc dụng lờn khối (kPa). h - Chiều dày lớp đất yếu được gia cố (m). a - Tỷ số quy đổi diện tớch.

Ep - Mụ đun đàn hồi của đất (kPa). Ec - Mụ đun đàn hồi của cọc (kPa).

q’ - Áp lực tỏc dụng lờn lớp đất yếu khụng được gia cố dưới mũi cọc (đối với cọc treo).

h’ - Chiều dày lớp đất yếu khụng được gia cố dưới mũi cọc (kiểu cọc treo) (m). cun - Chỉ số nộn của lớp đất yếu dưới mũi cọc ( kiểu cọc treo).

e0 - Hệ số rỗng tự nhiờn của lớp đất yếu dưới mũi cọc ( kiểu cọc treo). σ’0 - Áp lực địa tầng (hữu hiệu) (kPa).

 Độ lỳn của phần đất nền phớa dưới S2

Độ lỳn S2 được tớnh theo nguyờn lý cộng từng lớp. Phạm vi vựng ảnh hưởng lỳn đến chiều sõu mà tại đú ỏp lực gõy lỳn khụng vượt quỏ 10% ỏp lực đất tự nhiờn. Theo tiờu chuẩn 22 TCN 262-2000[3], S2 được tớnh như sau:

Giải phỏp vải địa kỹ thuật

Cỏc nội dung tớnh toỏn