NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT TRONG GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

(1)

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT TRONG GIẢI PHÁP

XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU

NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG^*

Study on responses of concrete pile - geotextil systems in the soft ground treatment

Abstract: The construction of embankments on soft underground is very problem such as settlement, shear strain, deformation, In recent years a new kind of foundation, the so- called:”Geosynthetic reinforced pile – supported embankment” was established, Until now the system behaviour can only be described analytically by simplified geomichanical models, Furthermore the are simplified calculation procedures, which allow the dimensioning of the geosynthetic reinforcement, However, new recommendation can’t help designer problem settlement solving on soft underground by Geosynthetic reinforced pile – supported embankment an exacterly, The result of paper can help designer the best effective analytical and enable application in the practical.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ ^*

Nhu cầu phát triển công nghiệp ngày càng tăng, nhiều nhà máy, xí nghiệp được đầu tư xây dựng ở nhiều tỉnh thành trong cả nước, đặt biệt tăng nhanh ở các tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long, Với cấu tạo địa chất chủ yếu là đất yếu, có nơi dày đến 30 ÷ 40m, Riêng với công trình đắp (đường dẫn vào cầu, đường đắp cao, sân chứa hoặc các nhà kho chứa) xây dựng trên đất yếu thì vấn đề lún không đều, lún nhiều và lâu gây không ít khó khăn cho vận hành, khai thác công trình như tại Tp, Hồ Chí Minh theo báo cáo Sở Giao thông Vận tải Tp, Hồ Chí Minh đường Nguyễn Hữu Cảnh lún quá nhiều (0,5 ÷1m), đường Võ Văn Kiệt lún (0,8 ÷1,2m),; Đường dẫn vào cầu Cần Thơ cả hai phía Bình Minh và Cần Thơ có những đoạn lún (1,0 ÷1,5m)theo báo cáo Sở Giao thông Vận tải Cần Thơ; Cao tốc Lộ Tẻ -

* Trường Đại học Xây dựng Miền Tây,

20B Phó Cơ Điều, Phường 3, TP, Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long,

DĐ: 0919,070,096;

Email: tuanphuongvk@gmail,com

Rạch Sỏi địa phận Cần Thơ và Kiên Giang có đoạn lún (0,5 ÷1m)), Có rất nhiều giải pháp xử lý vấn đề này như cột đất gia cố xi măng, cọc cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước, bằng bấc thấm kết hợp bơm hút chân không, bằng cọc bê tông cốt thép và sàn giảm tải, cọc đất trộn ximăng kết hợp bệ giảm tải bê tông cốt thép.

Tuy nhiên các giải pháp xử lý nền trên đều mất rất nhiều thời gian và giải quyết lún nền là chưa triệt để, có những giải pháp phải chờ lún rất lâu và phải bù lún sau này, Trong những năm gần đây, giải pháp xử lý nền mới “đất đắp gia tải trên nền cọc có kết hợp vải địa kỹ thuật”, hy vọng sẽ giải quyết tốt vấn đề nêu trên.

Việc “Nghiên cứu ứng xử của hệ cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật trong giải pháp xử lý nền đất yếu” nhằm mục đích nghiên cứu giải pháp mới và rút kinh nghiệm từ công trình thực tế là hết sức cần thiết.

2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Lý thuyết hiệu ứng vòm

Theo Terzaghi (1943) đã phát hiện hiện tượng

(2)

cung vòm trong đất thông qua hình ảnh cung vòm từ cửa sập (hình 1)

Hình 1: Mô hình phân tích cung vòm của Terzaghi

Phương trình cân bằng ứng suất:

(σ + dσ )* S - σ * S + 2τz z z xzdz - dG = 0(1) Với σz: ứng suất đứng, τxz: ứng suất cắt trong mặt xz; S: chiều rộng cửa sập; G: trọng lượng đất trên cửa; γ: dung trọng đất

Hình 2: Biểu đồ phân bố ứng suất trong đất đắp trên cửa sập theo Terzaghi Phương trình tương đương:

dσ * S = γ* Sdz - 2τz xzdz (2) Theo Mohr-Coulomb ứng suất cắt phá hoại

' '

τxz= C + σ tanx  (3) Với C^’ và φ^’ là lực dính và góc ma sát trong của đất khi phá hoại, Ứng suất ngang

σx = σz*K với K: hệ số áp lực ngang, Phương trình được viết

' '

ds * S = g * Sdz - 2(C + s Ktanz z  )dz (4) Phương trình vi phân

dσz = γ dz - 2C' dz -2K * tan dz

σz σz s* σz s

  

 

 

(5) Giải phương trình vi phân

' -2Ktan 'z

S * (γ - 2C /S) s

σ =z ' 1- e

2* K * tan



 

 

 

 

 

'z -2Ktan + p* e  s

(6)

Theo kết quả thực nghiệm Terzaghi xác định K = 1, Giải phương trình (6) tìm mức độ gia tăng ứng suất đứng giữa hai bệ móng, So sánh ứng suất đứng giữa hai bệ móng và mức độ gia tăng ứng suất đứng trong nền đất, Để tạo ra cung vòm mức độ gia tăng ứng suất trong nền phải thấp hơn nhiều so với mức độ gia tăng ứng suất đứng trên bệ móng.

Hình 3: Đường ứng suất cắt khi cửa sập dịch chuyển nhỏ theo Terzaghi

Hình 4: Đường ứng suất cắt khi cửa sập dịch chuyển lớn theo Terzaghi

(3)

Phương pháp Nordic Guideline phân tích cung vòm trong đất theo dạng hình nêm được đề

nghị bởi Carlsson (1987), theo phương pháp này góc tạo thành cung vòm là 300 như hình 5.

Hình 5: Hình nêm của khối đất a) theo 2D; b) theo 3D đề nghị bởi Carlsson Trọng lượng của khối đất theo 2D được tính

như sau,

0

(b - a)2

W = γ

4tan15 (7)

Với a: bề rộng cọc; b: khoảng cách 2 cọc tính từ tim; γ: dung trọng đất đắp,

Theo Svant (2000) đưa ra phương pháp tính khối đất 3D,

γ 2 1 3 3

W = b H - (a + Htanβ) - a

2a 6tanβ

  

  

 

(8) Với a: bề rộng cọc; b: khoảng cách 2 cọc tính từ tim; γ: dung trọng đất đắp; H: chiều cao khối đất đắp; β: độ dốc mặt nêm,

Phát triển do Jones (1990) dựa nghiên cứu của Marston và Anderson (1913) về cung vòm trong đỉnh của nhóm cọc,

Hình 6: Bán cầu theo Viện tiêu chuẩn Anh

Phân tích cung vòm dựa trên tỷ số giữa ứng suất đứng trên đỉnh cọc và ứng suất đứng trên nền đất yếu, P^’_c/σ_v

C a 2

' ' c

Pc= σv H

 

 

  (9) Trong đó: Cc: Hệ số cung vòm

Cc =1,95(H/a) - 0,18 cho cọc chống (không chịu uốn)

Cc = 1,5(H/a) - 0,07 cho cọc treo và các cọc khác (thông thường)

2.2. Sự truyền tải

Sự truyền tải trọng ngoài và tải trọng của khối đắp theo nguyên lý phân bố tải trọng được thể hiện trong hình 7.

Hình 7: Sự truyền tải (trọng lượng bản thân, tải trọng ngoài) lên nền đất [5]

(4)

Hệ số tập trung ứng suất: Do sự phân bố tải trong nên trên đầu cọc nhận được ứng suất tập trung lớn hơn nhiều so với ứng suất phân bố trên nền đất yếu, Xét hệ số tập trung ứng suất đầu cọc do nhiều tác giả đưa ra,

2.2.1. Theo MC, Nulty (1965) và Kempton (1998):

Hệ số tập trung ứng suất phụ thuộc vào biểu thức sau:

Pb ρ =γH + q0

(10) Áp lực đứng trung bình phân bố lên vải p_p Tải trọng trung bình ngoài phân bố trên nền

đắp q0

Lực căng vải T

Khi 0: Xuất hiện cung vòm hoàn chỉnh Khi  1: Không xuất hiện cung vòm, Trọng lượng bản thân đất đắp γ

2.2.2 Theo han (2003):

Đánh giá hệ số tập trung ứng suất thông qua biểu thức sau: n = ^σc

σs (11)

Với _c: ứng suất đứng phân bố trên đầu cọc;

s: ứng suất đứng phân bố trên đất giữa hai cọc, 2.2.3 Theo schimidt (2004):

Đánh giá hệ số tập trung ứng suất thông qua biểu thức sau:

LKF = ^*

* *

A

Q c c

Qs H Ac



 (12)

c: ứng suất đứng phân bố trên đầu cọc; γ:

Trọng lượng bản thân đất đắp; H: Chiều cao đất đăp; Ac: Tiết diện ngang của cọc,

3. MÔ HÌNH TÍNH

Hình 8: Mô hình đắp trên cọc kết hợp vải địa kỹ thuật [4],[5]

Cơ chế hình thành cung vòm:

Hình 9: Cơ chế hình thành cung vòm [4],[5]

3.1. Khả năng kéo căng vải khi gia tải 3.1.1 Theo tiêu chuẩn anh bs 8006 (1995) _T ₌ ^W^T ^{( s - a )} _{1 +} ¹

r p 2 a 6 ε

(13) Trp: Lực kéo trong vải trên 1m; WT: Tải trong thẳng đứng phân bố trên vải giữa các cọc; ε:

Biến dạng dài (%) của vải địa kỹ thuật, Phương trình:

T_rp = σ_s(s-a)Ω (14) σs: Ứng suất do đất đắp gây ra trong vải; Ω: Hệ số không thứ nguyên liên quan đến biến dạng lệch của vải; s: Khoảng cách giữa hai cọc; a: Kích thước cạnh cọc,

_{Ω =} ¹ ^{2 y} ₊ ^{( s - a )}

4 ( s - a ) 2 y

 

 

 

(15) y: Độ võng của vải [1]

3.1.1 Theo Zaeske (2001) và Kempfer (2002)

(5)

Hình 10: Thiết lập phương trình vi phân đường ứng suất [2]

Phương trình vi phân được lâp ^d ² ^z ₌ ^q² ₊ ^{C - x}

2 H H

d x

(16) Với

 

j

i 1 2 1 2

2 . 1 + ( z ) .d x + 2 . 1 + ( z ) . d x - l

w p 0

0 i

H = i j

1 2 1 2

2 . 1 + ( z ) . d x + 2 . 1 + (z ) .d x

w p

0 i

 

  

 

 

(17)

Trong đó:

 

α .x -α .x β

W W W

z x = A .e + A .e - 0£x£i

W 1,W 2,W 2

αW

α .x -α .x

' W W

z x = α A .e - A .e

W W. 1,W 2,W

 

 

 

(18)

Lực kéo của vải khi gia tải,

  ^'2 

S x = ε (x)/J = H . 1 + z x (19) 3.2. Kết quả mô hinh thi nghiệm trong phongcủa Zaeske (2001)

Theo Zaeske (2001) đã thí nghiệm để kiểm chứng hiệu ứng vòm với tỷ lệ 1/3 so với kích thước thật gồm 04 cọc trong đất yếu, bên trên đầu cọc trải một lớp vải địa kỹ thuật đỡ lớp cát có chiều dày thay đổi, Tác động tải phân bố đều trên mặt lớp cát, các ứng suất phân bố trong lớp cát và trên đầu cọc được ghi nhận bởi các đầu đo ứng suất.

Hình 11: Kết quả thí nghiệm mô hình thí nghiệm Zaeske (2001)[2]

Kết quả thí nghiệm được ghi nhận như sau:

Trường hợp 1: Khoảng cách giữa hai phần tử cọc s = 70cm lớp cát đắp 35cm, tải trọng tác động lần lượt là 20kPa, 54kPa, 104kPa ứng suất thẳng đứng đo được tại các điểm giữa hai cọc cao hơn đầu cọc với khoảng cách lần lượt là 5cm, 15cm, 25cm,

- Khi p = 20kPa giá trị ứng suất:15–16–19 kPa - Khi p = 54kPa giá trị ứng suất:33–42–45 kPa - Khi p = 104kPa giá trị ứng suất:65–75–87 kPa Trường hợp 2: Khoảng cách giữa hai phần tử cọc s = 70cm lớp cát đắp 70cm, tải trọng tác động lần lượt là 20kPa, 54kPa, 104kPa ứng suất thẳng đứng đo được tại các điểm giữa hai cọc cao hơn đầu cọc với khoảng cách lần lượt là 5cm, 20cm, 30cm, 45cm, 55cm,

- Khi p = 20kPa giá trị ứng suất: 15 – 20 – 29 – 25 – 22kPa

4. THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 4.1. Mô hình thí nghiệm hiện trường Mô hình được xây dựng với 16 cọc bê tông cốt thép có B,20, chiều dài cọc L = 14m gồm 02 mô đun mỗi mô đun 7m,Vải địa kỹ thuật loại dệt cường độ cao khả năng chịu kéo đạt 100 kN/m độ giãn dài tối đa đạt 10%, Cát đắp là cát hạt to, Cát

(6)

đắp gia tải là cát mịn có γtn = 16,5kN/m³, chiều cao đắp đạt 4m như hình 12,13

,

Hình 12: Mặt cắt mô hình thí nghiệm thực tại hiện trường

Hình 13: Mặt bằng mô hình thí nghiệm thực tại hiện trường

Mô hình sử dụng các thiết bị đo ứng suất, đo áp lực nước lỗ rỗng với nguyên lý làm việc như sau:

Ứng dụng lý thuyết biến dạng tấm mỏng chịu áp lực phân bố như hình 14.

Hình 14: Tấm kim loại mỏng chịu tải phân bố đều Dưới tác dụng của áp lực, tấm kim loại mỏng biến dạng đàn hồi, làm thay đổi điện trở của cảm biến dán dính trên tấm kim loại, Từ sự biến đổi điện trở của cảm biến, cường độ dòng điện qua cảm biến cũng thay đổi, Bằng thiết bị đo, có thể ghi nhận sự biến đổi của dòng điện theo từng áp lực tác dụng lên tấm mỏng,

Vật liệu dùng chế tạo cảm biến là vật liệu dẫn điện, có quan hệ giữa biến dạng và điện trở biểu hiện qua tỷ số giữa biến thiên tương đối của điện trở với biến thiên tương đối của chiều dài cảm biến gọi là hệ số cảm biến (gauge factor),

R = ρl

A (20)

Với R: Điện trở; ρ: Điện trở suất; l: Chiều dài vật dẫn điện; A: Diện tích tiết diện dẫn điện,

RF =δR/R

δL/L (21)

Với GF: Hệ số cảm biến;dR: Độ biến thiên cảm biến; R: Điện trở;dL : Độ biến thiên chiều dài; L : Chiều dài,

Việc chế tạo thiết bị đo được kiểm chứng mức độ chính xác tại phòng thí nghiệm cơ học của Trường Đại học Bách Khoa Tp, Hồ Chí Minh, nơi mà trước đây đã thực hiện chế tạo thiết bị đáng tin cậy và thành công cho việc nghiên cứu của nhiều nghiên cứu sinh trong cả nước.

4.2. Kết quả mô hình thí nghiệm hiện trường

4.2.1. Đo ứng suất phân bố

Vị trí đặt các thiết bị đo ứng suất được thể hiện trong hình 15a),b)

(7)

a) b)

Hình 15 a),b) : Vị trí đặt các thiết bị đo trong mô hình

Các đầu đo ứng suất trong mô hình thí nghiệm được đặt tại các vị trí nhằm thu thặp các giá trị ứng suất tại các điểm để phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng vòm trong giải pháp thiết kế xử lý nền này, Các thiết bị được đặt trên tắm đệm phẳng nhằm tránh lệch thiết bị trong quá trình thí nghiệm.

Ps7 là đầu đo áp lực nước lỗ rỗng đặt tại giữa khoảng cách 02 cọc

Ps3 là đầu đo áp lực nước lỗ rỗng đặt tại giữa tâm 04 cọc.

Ps9 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc nhưng dưới lớp vải địa kỹ thuật

Ps1 là đầu đo ứng suất đặt giữa 02 cọc nhưng trên lớp vải địa kỹ thuật

Ps4 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc đo

ứng suất đứng theo phương ngang

Ps8 là đầu đo ứng suất đặt cách cọc ¼ khoảng cách cọc nhưng trên lớp vải địa kỹ thuật

Ps10 là đầu đo ứng suất đặt trên đầu cọc nhưng trên lớp vải địa kỹ thuật,

Ps14 là đầu đo ứng suất đặt trong lớp cát đắp cách đầu cọc 0,4m theo phương đứng.

Kết quả đo ở cấp tải trọng ngoài (đất đắp gia tải 24kN/m²) được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1: Tính giá trị ứng suất tại các điểm đo (kN/m²)

Thời gian Giờ Ps7 Ps3 Ps9 Ps1 Ps4 Ps8 Ps10 Ps14 Ps11 Ps6 Ps2

4/29/19 13:32:50 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4/29/19