Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- ĐINH CÔNG PHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG SỬ DỤNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG Chuyên ngành : ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (60.58.60) LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN MINH TÂM Cán bộ chấm nhận xét 1: ..................................................... Cán bộ chấm nhận xét 2: ..................................................... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---oOo--- Tp. HCM, ngày 10 tháng 09 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: ĐINH CÔNG PHƯƠNG Giới tính: Nam T/ Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 16 – 02 – 1977 Nơi sinh: Mỹ Tho - Tiền Giang Chuyên ngành: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Khoá (Năm trúng tuyển): 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG SỬ DỤNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG – TÌM HIỂU CÁC CÔNG TRÌNH THIẾT KẾ ĐƯỜNG GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG TẠI KHU VỰC TP.HCM VÀ VÙNG PHỤ CẬN 2. TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC THIẾT LẬP CÔNG THỨC GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG 4. MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG ĐƯỢC TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03/09/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Minh Tâm. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) TS. Nguyễn Minh Tâm TS. Võ Phán Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. Ngày tháng năm 2009 TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Luận Văn Tốt Nghiệp là sự tổng hợp của toàn bộ kiến thức mà tác giả đã tiếp thu được trong khoảng thời gian học Cao Học tại Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM chuyên ngành Địa Kỹ Thuật Xây Dựng. Trong quá trình thực hiện, tác giả đã gặp nhiều bỡ ngỡ, khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu tham khảo cũng như khi phân tích kết quả. Đến hôm nay, khi quyển Luận Văn này đã hoàn thành, tác giả xin chân thành cảm ơn: Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô tham gia giảng dạy chuyên ngành đã hết lòng truyền đạt những kiến thức quí báu trong suốt thời gian em theo học. Em xin gửi lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy NGUYỄN MINH TÂM, người đã luôn quan tâm, hướng dẫn tận tình trong thời gian thực hiện Luận Văn. Tác giả cũng xin cảm ơn các anh, chị cán bộ kỹ thuật của Ban Quản lý Dự án Đại lộ Đông Tây, Ban Quản lý Dự án Cầu Thủ Thiêm và Phòng Quản lý Giao thông - Sở Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh đã rất nhiệt tình giúp đỡ trong thời gian tác giả thu thập số liệu để thực hiện luận văn này. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè thân hữu vì những sự giúp đỡ, động viên trong thời gian hoàn thành Luận Văn Tp HCM, ngày 03 – 07 – 2009 ĐINH CÔNG PHƯƠNG ABSTRACT Geotechnical engineers face several challenges when constructing embankments over soft soils because of bearing failure, intolerable settlement, and global or local instability… Method that using Deep Cement Soil Mixing Column to strengthen embankments is an economic and effective method to construct roads on soft soils. Evaluating the stress distribution and displacement of embankment into the soft soil is a very necessary work for design. The transfer the embankment load into the column is almost explained by soil arching phenomenon that plays a significant role in the behavior of embankments supported on columns. The purpose of this Thesis is using Finite Element Method Program, such as Plaxis, to modeling embankment, which is supported by Deep Cement Soil Mixing Column, to find out the stress distribution and displacement of embankment, with or without using geosynthetic membrane. The critical height of embankment in soil arching phenomenon and the Stress Reduction Ratio, that is suitable for Ho Chi Minh City’s geological condition, can be determined. All the results are compared with other foreign researcher’s results to find out appropriated numerical function to calculating stress under embankment. TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, trong quá trình thiết kế nền đường trên lớp đất yếu, các kỹ sư địa kỹ thuật xây dựng đã gặp nhiều trở ngại do nền đất yếu không đủ khả năng gánh đỡ công trình, độ lún lớn và mất ổn định tổng thể và cục bộ của nền đường. Phương pháp ứng dụng cọc đất trộn xi măng để gia cố nền đường trên đất yếu là một phương pháp mang tính kinh tế và đạt hiệu quả cao. Trong việc thiết kế, điều cần thiết là tìm ra được sự phân bố ứng suất và chuyển vị của nền gia cố. Cơ chế truyền tải trọng từ nền đường sang cọc đất trộn xi măng và đất yếu sẽ được giải thích bằng hiện tượng hiệu ứng vòm. Nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân tích ứng xử của nền đường, được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng. Luận Văn này có mục tiêu là mô hình nền đường, được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng, bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cụ thể là chương trình Plaxis, để tìm ra qui luật phân bố ứng suất và biến dạng của nền đường, cọc đất trộn xi măng và phần đất yếu bên dưới, cho trường hợp có và không có sử dụng vải địa kỹ thuật. Giá trị chiều cao cực hạn của nền đất đắp và hệ số giảm ứng suất SRR ứng với số liệu địa chất công trình tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh sẽ được xác định. Tác giả sẽ so sánh các kết quả tìm được với các công thức lý thuyết và thực nghiệm của các nhà nghiên cứu trên thế giới để tìm ra được công thức giải tích thích hợp nhất, ứng dụng cho điều kiện địa chất tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh. MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài 2 3. Ý nghĩa khoa học của đề tài 3 4. Phạm vi nghiên cứu của luận văn 3 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG 4 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của phương pháp cọc đất trộn xi măng 4 1.1.1 Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng trên thế giới 4 1.1.2 Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng tại Việt Nam 5 1.2 Khái niệm về công nghệ trộn sâu chế tạo cọc đất trộn xi măng 6 1.2.1 Khái niệm công nghệ trộn sâu 6 1.2.2 Công nghệ thi công 7 1.3 Nguyên lý hình thành cường độ của cọc đất trộn xi măng 9 1.4 Tổng quan về giải pháp gia cố nền đất yếu dưới nền đường bằng cọc đất trộn xi măng 11 1.5. Trình tự thi công, quản lý chất lượng cọc đất trộn xi măng 13 1.5.1 Trình tự thi công 13 1.5.2 Quy trình kiểm soát chất lượng cho DSMC 13 1.5.3 Công tác thí nghiệm. 13 1.6. Một vài số liệu về giải pháp gia cố nền đất yếu dưới nền đường bằng cọc đất trộn xi măng. 14 1.7. Một số công trình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng (DSMC) để gia cố nền đất yếu tại Thành phố Hồ Chí Minh. 15 1.7.1 Công trình: Dự án Đại lộ Đông Tây 15 1.7.2 Công trình: Hầm Thủ Thiêm – Dự án đường chui trên đường Nguyễn Hữu Cảnh, thuộc dự án Đại lộ Đông Tây. 20 1.7.3 Công trình: Đường vào cầu Khánh Hội – Dự án trọng điểm của Thành phố Hồ Chí Minh 21 1.8 Trình tự trộn cọc đất gia cố xi măng (DSMC) để gia cố nền đất yếu tại dự án Đại lộ Đông – Tây. 22 Chương 2: CÁC MÔ HÌNH PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN SỰ 24 PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRÊN CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG. 2.1 Tính toán cọc đất trộn xi măng theo phương pháp truyền thống – độ lún của cọc đất trộn xi măng và đất nền bằng nhau 24 2.2 Phương pháp tính toán theo mô hình của Poorooshasb và Meyerhof 29 2.3 Phương pháp tính toán dựa vào lý thuyết “Hiệu ứng vòm” 32 2.3.1 Định nghĩa hiệu ứng vòm 32 2.3.2 Áp dụng nguyên lý của hiệu ứng vòm vào việc xác định ứng suất truyền xuống hệ cọc đất trộn xi măng. 33 2.3.3 Các thí nghiệm về hiệu ứng vòm 34 2.3.3.1 Thí nghiệm cửa sập của Terzaghi (1936) 34 2.3.3.2 Thí nghiệm của Chen Yun-min và cộng sự (2006) [4] 35 2.3.3.3 Các mô hình tính toán sự phân bố ứng suất lên cọc đất trộn xi măng dựa trên nguyên lý của hiệu ứng vòm 45 2.4 Tính toán sự phân bố ứng suất lên cọc đất trộn xi măng có kết hợp gia cường vải địa kỹ thuật. 53 2.4.1 Cơ chế truyền lực và sự phân bố ứng suất 53 2.4.2 Mô hình móc xích (Catenary Method) – Mô hình của John (1987) 59 2.4.3 Mô hình dầm – Mô hình của Collin (2003) 61 2.4.4 Lý thuyết hiệu ứng màng – Mô hình của Marston – Tiêu chuẩn Anh BS8006 62 2.4.5 Mô hình của Carlsson (1987) 64 2.4.6 Sự tương tác giữa hiệu ứng vòm và hiệu ứng màng. 64 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC THIẾT LẬP CÔNG THỨC GIẢI TÍCH XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG 71 3.1. Mô hình đàn hồi đối với cọc đất trộn xi măng gia cố nền đất yếu 71 3.1.1. Giới thiệu mô hình 71 3.1.2. Thiết lập các phương trình 72 3.1.2.1. Hệ tọa độ tổng quát 72 3.1.2.2. Đối với đất không được xử lý – vùng đất yếu xung quanh cọc đất trộn xi măng trong đơn nguyên 73 3.1.2.3. Đối với đất được xử lý – các phần tử đất trong cọc đất trộn xi măng. 76 3.1.2.4. Kết hợp các phương trình lại. 77 3.2 Xác định ứng suất thẳng đứng tác dụng lên cọc đất trộn xi măng 78 dựa vào ảnh hưởng của hiệu ứng vòm. 3.3 Sự tương tác giữa cọc đất trộn xi măng và vùng đất yếu xung quanh cọc. 80 3.4 Thiết lập các phương trình diễn tả sự phân bố ứng suất thẳng đứng của cọc đất trộn xi măng và vùng đất yếu xung quanh cọc. 81 3.4.1. Ứng suất tác dụng lên vùng đất yếu xung quanh cọc đất trộn xi măng. 81 3.4.2. Ứng suất tác dụng lên cọc đất trộn xi măng. 83 3.4.3. Mối quan hệ giữa chuyển vị của cọc đất trộn xi măng và vùng đất yếu xung quanh cọc. 84 3.5. Quan hệ ứng suất - biến dạng trong cọc đất trộn xi măng và vùng đất yếu xung quanh cọc. 87 3.5.1. Quan hệ ứng suất biến dạng của vùng đất yếu xung quanh cọc 87 3.5.2. Quan hệ ứng suất biến dạng của cọc đất trộn xi măng 90 3.5.3. Tương quan về biến dạng giữa cọc đất trộn xi măng và vùng đất yếu xung quanh. 90 Chương 4. MÔ PHỎNG TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG ĐƯỢC TRONG CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG VÀ NỀN ĐẤT YẾU XUNG QUANH CỌC DƯỚI NỀN ĐƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN. 94 4.1 Giới thiệu chung về phương pháp PTHH sử dụng để mô phỏng. 94 4.1.1 Tổng quan về phương pháp PTHH– FINITE ELEMENT METHOD. 94 4.1.2 Phân tích về chương trình PLAXIS và các mô hình của nó 96 4.1.3 Các thông số của mô hình Morh – Coulomb. 97 4.2 Nguyên lý qui đổi từ mô hình thực tế sang mô hình PLAXIS 2D. 99 4.2.1 Qui đổi bề rộng cọc. 100 4.2.2 Qui đổi Module đàn hồi 101 4.3 Mô hóa nền đường được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng bằng phần mềm PLAXIS 2D. 102 4.3.1 Sơ lược về công trình được chọn để mô phỏng. 102 4.3.2 Các thông số trong mô hình bài toán phẳng 2D. 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Biểu đồ mô tả phản ứng của cọc đất trộn xi măng và mối quan hệ 11 giữa hàm lượng ximăng và cường độ của cọc Hình 1.2. Mô hình 3D thể hiện kết cấu đường được gia cố bằng cọc đất trộn 12 xi măng, kết hợp sử dụng vải địa kỹ thuật Hình 1.3. Sơ đồ bố trí cọc đất - ximăng trên mặt bằng 14 Hình 1.4. Bản đồ tuyến Đại lộ Đông Tây 16 Hình 1.5. Mặt cắt ngang điển hình đường dẫn tại khu vực cầu Nước Lên, Cầu 17 Kênh 1, Cầu Kênh 2, Cầu Cá Trê Nhỏ được gia cố bằng bằng cọc đất trộn xi măng Hình 1.6. Mặt cắt ngang điển hình của hạng mục đường tại khu vực Rạch Cây 17 – Lò Gốm Hình 1.7. Qui trình thi công điển hình của công trình đường gia cố bằng cọc 18 đất trộn xi măng Hình 1.8. Máy thi cọc đất trộn xi măngtại khu vực Kênh 1 và Kênh 2 19 Hình 1.9. Khoan lõi thí nghiệm cho cọc đất XM thử tại khu vực Cầu Rạch Cây 19 Hình 1.10. Thi công đào đất tại đốt hầm H1 ¸ H3, sau khi cọc đất trộn xi 20 măng đã đạt cường độ cho phép Hình 1.11. Toàn cảnh khu vực gia cố cọc đất trộn xi măng – phần đường vào 21 cầu Khánh Hội – Phía Quận 1 Hình 1.12. Kiểm tra kích thước và khoảng cách của cọc đất XM 21 Hình 1.13 Mặt cắt điển hình của hạng mục đường khu khu vực Cầu Khánh 22 Hội Hình 2.1. Mô hình cọc đất trộn xi măng và đất nền làm việc đồng thời 25 Hình 2.2. Mô hình cọc đất trộn xi măng và đất nền của Poorooshasb và 31 Meyerhof Hình 2.3: Mô hình cột đất thể hiện định nghĩa hiệu ứng vòm 32 Hình 2.4. Sơ đồ hiệu ứng vòm và áp lực trên nền qua thí nghiệm cửa sập của 34 Terzaghi Hình 2.5. Dụng cụ thí nghiệm của Chen Yun-min và cộng sự (2006). 36 Hình 2.6. Sự chuyển vị của các lớp cát thí nghiệm của Thí nghiệm số 1 và số 41 7. Hình 2.7. Các mô hình phân bố ứng suất của hiệu ứng vòm [6] 46 Hình 2.8. Mô hình rãnh của Terzaghi 47 Hình 2.9. Mô hình nêm của Guido và Carlsson 49 Hình 2.10. Hình dạng của vòm cát trong hiệu ứng vòm theo Hewlett & 51 Randolph Hình 2.11. Sơ đồ hiệu ứng vòm theo Low và công sự 52 Hình 2.12. Nguyên lý truyền lực lên cọc và vải địa kỹ thuật 55 Hình 2.13. So sánh giữa sự truyền lực do hiệu ứng vòm và ảnh hưởng của vải 58 địa kỹ thuật lên cọc đất trộn xi măng trong mô hình hai phương và ba phương Hình 2.14. Biến dạng móc xích của vải địa kỹ thuật , John (1987) 60 Hình 2.15 Mô hình biểu đồ thí nghiệm kéo trên vải địa kỹ thuật gia 60 Hình 2.16 Sơ đồ mô hình dầm , Collin (2004) 61 Hình 3.1. Hệ thống cọc đất trộn xi măng và đất xung quanh – Đơn nguyên 71 tính toán Hình 3.2. Mô hình lăng trụ của Ugural và Fenster,1995 72 Hình 3.3. Ứng suất của phần tử đất trong hệ tọa độ cực 73 Hình 3.4. Ứng suất tác dụng lên cọc đất trộn xi măng 76 Hình 3.5: Sơ đồ hiệu ứng vòm Hình 3.6: Sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng và đất yếu xung quanh Hình 3.7: Đơn nguyên tính toán – cọc đất trộn xi măng và vùng ảnh hưởng xung quanh nó Hình 3.8: Ứng suất xung quanh cọc đất trộn xi măng Hình 3.9: Mô hình tính toán của nền gia cố bằng cọc đất trộn xi măng Hình 3.10: Mô hình tính toán chuyển vị của cọc đất trộn xi măng và đất nền xung quanh cọc Hình 3.11: Mặt cắt ngang vùng ảnh hưởng của cọc đất trộn xi măng Hình 4.1. Các phương pháp tính Hình 4.2. Phương pháp xác định E0 và E50 từ đồ thị quan hệ giữa ứng suất lệch và biến dạng trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước Hình 4.3. Quy đổi từ mô hình 3D thành 2D theo nguyên lý cân bằng tỷ diện tích thay thế as và mômen quán tính Ic Hình 4.4. Mặt cắt ngang điển hình của nền đường gia cố bằng cọc đất trộn xi măng tại khu vực Cầu Kênh 1 Hình 4.5. Sơ đồ tính bài toán phẳng Hình 4. 6 Mô hình phân tích trong Plaxis và trạng thái ban đầu của mô hình 83 Hình 4.7 Các phase trong PLAXIS Caclultation 83 Hình 4.8 Tổng biến dạng khi lớp đất đắp h=2m; h=6m và 9m 84 Hình 4.9 Mặt cách ngang điển hình thể hiện sự biến thiên của chuyển vị đứng 85 Hình 4.10 Ứng suất thẳng đứng khi lớp đất đắp h =3m và 9m 85 Hình 4.11 Vùng ứng suất và phương của ứng suất chính thể hiện hiệu ứng vòm trên đầu cọc khi h = 3m Hình 4.12 Vùng ứng suất và phương của ứng suất chính thể hiện hiệu ứng vòm trên đầu cọc khi h = 6m Hình 4.13 Vùng ứng suất và phương của ứng suất chính thể hiện hiệu ứng vòm trên đầu cọc khi h = 9m Hình 4.14 Mô hình nền đường gia cố bằng vải địa kỹ thuật. Hình 4.15 Lực kéo dọc trục trong vải địa kỹ thuật - h=9m, E=200kN/m Hình 4.16 Biến dạng dọc trục trong vải địa kỹ thuật - h=6m, E=200kN/m DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Ưu và khuyết điểm giữa công nghệ trộn khô và trộn ướt. 8 Bảng 1.2 So sánh thi công DSMC giữa công nghệ trộn khô và trộn ướt 9 Bảng 2.1. Chi tiết các số liệu của thí nghiệm hiệu ứng vòm của Chen Yun-min 37 Bảng 2.2. Bảng số liệu thể hiện ảnh hưởng của cường độ chịu kéo của vải địa 44 kỹ thuật đến hệ số tập trung ứng suất n. Bảng 2.3. Bảng số liệu thể hiện ảnh hưởng của bề rộng gối giữa đến n 44 Bảng 2.4. Tổng kết các kết quả thí nghiệm mô hình, Low. 65 Bảng 2.5: Giá trị chiều cao yêu cầu hc của nền đất đắp theo các phương pháp 67 tính toán hiệu ứng vòm. Bảng 2.6: Bảng tổng hợp giá trị SRR theo các phương pháp tính toán khi 69 không có vải địa kỹ thuật gia cường. Bảng 2.7: Bảng tổng hợp giá trị SRR theo các phương pháp tính toán khi có 70 vải địa kỹ thuật gia cường. Bảng 2.8: Bảng tổng hợp giá trị SRR theo các phương pháp tính toán khi có 70 vải địa kỹ thuật gia cường. Bảng 3.1: Bảng tổng hợp giá trị ứng suất tác dụng lên đầu cọc đất trộn xi măng và đất yếu khi chiều cao lớp đất đắp thay đổi từ 1 đến 6 theo công thức của Baker. Bảng 3.2: Bảng tổng hợp giá trị ứng suất tác dụng lên đầu cọc đất trộn xi măng và đất yếu khi chiều cao lớp đất đắp thay đổi từ 1 đến 6 6 theo công thức của TS. Nguyễn Minh Tâm. Bảng 4.1: Bảng tổng hợp tính chất vật lý và cơ lý của các lớp đất ở khu vực khảo sát. Bảng 4.2 Các thông số dùng khi mô hình PLAXIS 2D DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Đồ thị 2.1 Qui luật biến thiên hệ số tập trung ứng suất n và tỷ lệ độ cứng 27 giữa cọc, đất với các giá trị tý diện tích thay thế. Đồ thị 2.2 Qui luật biến thiên hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng 28 suất SRR, đất với các giá trị tý diện tích thay thế. Đồ thị 2.3 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa tỷ số PR và S, f và ef 31 Đồ thị 2.4 Sự thay đổi ứng suất trong đất tại các vị trí đặt cảm biến – Thí 38 nghiệm 7. Hình A: Theo chiều cao lớp đất thí nghiệm; Hình B: Khi thoát nước Đồ thị 2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ h/s đến hệ số tập trung ứng suất n 40 Đồ thị 2.6. Ảnh hưởng của cường độ chịu kéo của vải địa kỹ thuật đến hệ số 43 tập trung ứng suất n Đồ thị 2.7. Ảnh hưởng của bề rộng gối giữa đến hệ số tập trung ứng suất n 45 Đồ thị 2.8. Ảnh hưởng của chiều cao nền đất đắp đến hệ số tập trung ứng suất 56 trong trường hợp có và không có sử dụng vải địa kỹ thuật. Đồ thị 2.9. Ảnh hưởng của độ cứng của cọc đất trộn xi măng đến hệ số tập 56 trung ứng suất trong trường hợp có và không có sử dụng vải địa kỹ thuật Đồ thị 2.10. Ảnh hưởng của độ cứng vải địa kỹ thuật đến n 57 Đồ thị 3.1: Đồ thị quan hệ giữa bc và n Đồ thị 4.1 Quan hệ giữa chuyển vị tương đối và chiều cao lớp đất đắp Đồ thị 4.2 Quan hệ giữa ứng suất của cọc đất trộn xi măng và đất yếu với tỷ số h/(s-a) Đồ thị 4.3 Quan hệ giữa chuyển vị của cọc đất trộn xi măng và đất yếu với tỷ số h/(s-a) Đồ thị 4.4 Quan hệ giữa chiều cao lớp đất đắp và hệ số giảm ứng suất Đồ thị 4.5 Quan hệ giữa chiều cao lớp đất đắp và hệ số tập trung ứng suất Đồ thị 4.6 Sự thay đổi hệ số n với module chịu kéo của vải địa kỹ thuật Đồ thị 4.7 Quan hệ ứng suất và chiều cao lớp đất đắp. Đồ thị 4.8 Quan hệ lực kéo dọc trục max và tỷ số h/(s-a), ứng với thiết kế E=200kN/m; s=2m và a=0.6m Đồ thị 4.9 Quan hệ giữa tỷ số h/(s-a) và hệ số SRR Đồ thị 4.10 Quan hệ giữa chiều cao lớp đất đắp và hệ số SRR TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIÊN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: ĐINH CÔNG PHƯƠNG Ngày sinh: 16/02/1977 Nơi sinh: Mỹ Tho - Tiền Giang Địa chỉ: 12/2 Lữ Gia, Quận 11, Tp. Hồ Chí Minh. Cơ quan: Sở Giao thông vận tải Tp.HCM Điện thoại : 08 38 642 574, Di động: 0903 091 900 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO · 1995 – 2000: Sinh viên khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh · 2006 – 2009: Học viên cao học ngành Địa Kỹ Thuật Xây Dựng, khóa 2006, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC · Tháng 11/2000 đến 2006: Công tác tại Công ty Khảo sát, Tư vấn và Thiết kế Xây dựng Tiền Giang. · Từ 2006 đến nay: Công tác tại Sở Giao thông vận tải Tp.HCM. -1- MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, nền kinh tế nước ta phát triển nhanh chóng. Những đô thị mới, khu công nghiệp mọc lên khá nhiều dẫn đến nhu cầu phải xây dựng hệ thống đường giao thông, hạ tầng kỹ thuật đô thị để tạo nên những đầu mối giao thương kinh tế giữa những vùng đô thị với nhau, đặc biệt là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long và thành phố Hồ Chí Minh. Một trong những khó khăn của việc xây dựng hệ thống giao thông tại vùng đồng bằng sông Cửu Long là khu vực này có địa chất khá yếu, lớp đất yếu lại có chiều dày khá lớn. Để các công trình đường giao thông trên đất yếu được ổn định và sử dụng được lâu dài, việc áp dụng các biện pháp gia cố nền đất yếu bên dưới nền đường là điều bắt buộc. Trong số các giải pháp xử lý nền đất yếu đang được sử dụng phổ biến tại nước ta hiện nay, giải pháp dùng cọc đất trộn xi măng đã được sự hiệu quả. Kỹ thuật đất gia cố xi măng - đất đã và đang được áp dụng và phát triển mạnh mẽ tại Thụy Điển, Nhật Bản… trong việc xây dựng các lớp móng đường, ổn định hố đào, nền đê đập, nền cho các móng bồn chứa, nền nhà có tầng cao trung bình, các công trình ven biển, trên biển... Tại Việt Nam nói chung và khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói riêng đã có khá nhiều các công trình sử dụng cọc đất trộn xi măng như là một biện pháp gia cố nền đất yếu và đã đạt được những kết quả rất khả quan. Để đánh giá sự phân bố ứng suất - biến dạng của nền đường được gia cố bằng cọc đất trộn xi măng, nhiều công thức lý thuyết, thực nghiệm và các phương pháp phân tích đã được nhiều tác giả thực hiện. Các nghiên cứu về cọc đất trộn xi măng hiện nay không nhiều, chủ yếu tập trung vào hai mảng chính: phương pháp tính toán, thiết kế tối ưu cho các công trình sử dụng cọc đất trộn xi măng để gia cố nền và các đề tài thí nghiệm nhằm xác định hàm lượng trộn ximăng, phụ gia tối ưu trong điều kiện đất yếu ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Tại Việt Nam, có các nghiên cứu lý thuyết về cọc đất trộn xi măng như thiết lập công thức tính toán sự phân bố ứng suất, biến dạng trong cọc đất trộn xi măng, ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên cọc đất trộn xi măng còn chưa được nghiên cứu nhiều … Giá trị các -2- thành phần ứng suất, biến dạng của cọc đất trộn xi măng trong quá trình chịu lực là rất quan trọng, cần thiết để phục vụ cho việc thiết kế, tính toán chính xác khả năng chịu lực, tính ổn định của 1 cọc đất trộn xi măng và đất nền xung quanh. Vì thế, việc xác định chính xác sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng là hết sức cần thiết. Vì những nguyên nhân trên, đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng sử dụng để gia cố nền đường” là đề tài mang tính cấp thiết, góp phần đánh giá chính xác trạng thái ứng suất - biến dạng của cọc đất trộn xi măng để gia cố nền đường cho khu vực đất yếu. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Trong các đề tài nghiên cứu cọc đất trộn xi măng, các tác giả trong và ngoài nước đã cố tìm ra nhiều công thức lý thuyết để xác định chính xác mối quan hệ giữa ứng suất - biến dạng dựa theo lý thuyết đàn hồi và đã đạt nhiều thành tựu. Hiệu ứng vòm là nguyên lý thích hợp nhất dùng để giải thích truyền lực từ nền đất đắp về hệ cọc đất trộn xi măng và đất yếu xung quanh. Nhờ hiệu ứng vòm, phần ứng suất truyền lên đất yếu sẽ giảm và truyền lên cọc đất trộn xi măng sẽ tăng. Từ đó, làm công trình được an toàn hơn, giảm độ lún tổng thể của hệ. Tuy thế, hiệu ứng vòm chỉ xảy ra khi chiều cao lớp đất đắp vượt qua một giá trị xác định nào đó. Russell and Pierpoint (1997) dựa theo lý thuyết hiệu ứng vòm của Terzaghi đã xây dựng các phương trình xác định mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng vòm lên mô hình cọc 3D. Dựa vào lý thuyết hiệu ứng vòm xác định trên một chỏm cầu giữa các cọc đất trộn xi măng ở trạng thái giới hạn, Hewlett và Randolph (1988); Low và các tác giả khác (1994) đã giới thiệu phương pháp xác định tỷ lệ mà một tải trọng do công trình đường, đê, đập… truyền vào cọc đất trộn xi măng và vùng đất yếu xung quanh cọc, đó là hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng suất SRR. Vì thế, đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng sử dụng để gia cố nền đường” được thực hiện nhằm giới thiệu tìm hiểu kỹ về điều kiện xảy ra của hiệu ứng vòm dưới nền đường, trong điều kiện có và không có vải địa kỹ thuật với các cường độ chịu kéo khác nhau. -3- Các công việc chủ yếu dự kiến sẽ được thực hiện trong luận văn: § Nghiên cứu tổng quan về cọc đất trộn xi măng và cơ chế phân bố ứng suất lên cọc đất trộn xi măng. § Tính toán ứng suất, biến dạng trong cọc đất trộn xi măng dựa theo công thức lý thuyết vừa tổng hợp được bằng Excel. § Mô phỏng lại công trình đường đắp cao bằng một chương trình phần tử hữu hạn phổ biến nhất hiện nay là PLAXIS. So sánh kết quả thu được của hai chương trình tính để phân tích, rút ra kết luận, đánh giá sự chính xác cũng như những hạn chế của từng phương pháp. 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trên cọc đất trộn xi măng sử dụng để gia cố nền đường” sẽ cung cấp cho các kỹ sư thiết kế một công cụ hữu ích để tính toán, thiết kế cọc đất trộn xi măng cho các công trình gia cố nền đường. Các kỹ sư sẽ lựa chọn được khoảng cách giữa các cọc đất trộn xi măng nhanh chóng dựa vào chiều cao thiết kế lớp đất đắp và tiết diện cọc, trên nguyên tắc tận dụng sự xuất hiện của hiệu ứng vòm. Sự phân tích và kiến nghị về phương pháp tính toán đơn giản và chính xác nhất hệ số tập trung ứng suất n và hệ số giảm ứng suất SRR. Khi biết được ứng suất tác dụng lên cọc và đất nền, việc thiết kế còn lại chỉ làm kiểm tra khả năng chịu tải của cọc và đất yếu 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong cọc đất trộn xi măng dùng để gia cố nền đất yếu cho các công trình đường như đường giao thông, đường vào cầu… Một số quan điểm tính sẽ được tác giả sử dụng: § Tải trọng được xem như phân bố đều khắp, vì thế, ứng suất do tải trọng ngoài tác dụng lên cọc là không đổi. § Quan hệ ứng suất – biến dạng trong cọc đất trộn xi măng và lớp đất yếu xung quanh cọc tuân theo lý thuyết đàn hồi. -4- Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CỌC ĐẤT TRỘN XIMĂNG ĐỂ GIA CỐ NỀN ĐƯỜNG 1.1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP CỌC ĐẤT TRỘN XI MĂNG 1.1.1 Tình hình ứng dụng cọc đất gia cố xi măng trên thế giới: Phương pháp đất trộn xi măng ra đời từ những năm đầu thập niên 50 của thế kỷ XX. Từ năm 1960, Nhật Bản và Thụy Điển đã độc lập nghiên cứu và phát triển kỹ thuật trộn đất dưới sâu sử dụng vôi hoạt tính dạng hạt. Đến năm 1970, phương pháp trộn khô sử dụng vôi sống trộn với đất ở hiện trường để tạo thành các trụ vôi đã được thực hiện ở Thụy Điển và Nhật Bản. Xi măng khô được sớm thêm vào để tăng cường ổn định và tạo ra trụ có cường độ cao hơn. Những trụ vôi/xi măng hoặc trụ xi măng sử dụng ngày nay đã thay thế hoàn toàn những trụ vôi. Phương pháp mà bột vôi khô và xi măng được sử dụng để tăng cường ổn định được gọi là phương pháp trộn khô (Dry Method of Deep Mixing). Giữa năm 1970, một nổ lực để tăng cường sự đồng nhất của đất đã được gia cường bằng phương pháp trộn sâu, người Nhật cũng bắt đầu đưa ra phương pháp tăng cường ổn định mà sử dụng vữa xi măng lỏng được gọi là phương pháp trộn ướt (Wet Method of Deep Mixing). Phương pháp trộn ướt ban đầu được giới thiệu ở Nhật để ổn định đất sét trên biển, nhưng sau này nó được sử dụng cả cho những công trình trên đất liền. Ngày nay cả phương pháp ướt và khô vẫn đang được sử dụng ở Nhật Bản. Đến thập niên 80 của thế kỷ XX, phương pháp trộn sâu được áp dụng rộng rãi trong xây dựng. Ở Mỹ vào năm 1980, phương pháp trộn sâu vẫn còn được xem như là một kỹ thuật mới xuất hiện. Tuy nhiên với sự gia tăng của thiết bị sẵn có và kinh nghiệm của nhà thầu xây dựng, phương pháp trộn đất đã trở thành một kỹ thuật xây dựng được chấp nhận. Sau chiến tranh thế giới lần thứ II, Mỹ là nước đầu tiên nghiên cứu về cọc đất – xi măng trộn tại chổ (MIP), đường kính cọc 0,3 – 0,4m, dài 10 đến 12m. Năm