NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐƯỜNG QUA VÙNG ĐẤT SÉT YẾU BẰNG HỆ CỌC KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT
NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG*
A study on solution treatment background on soft clay ground by piles system combined geotextile
Abstract: In recent years, a new foundation structure used for embankment works on soft ground, called “Combination of geotextile and embankment on piles system” is used. At present, the behavior of this piles system has been analyzed to study the calculation methods that allow to determine the size of the soft clay is using by the piles system, to give new recommendations for the behavior of the soft clay and the piles system when bearing the construction load. The development of this method has shown that the behavior of structural mixtures consisting of soft clay and piles systems is better and has a clear load distribution. This method has the ability to be used well in the soft clay conditions of the Mekong Delta (ĐBSCL) as well as the scarcity of natural resources to compensate for the current settlement.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) được bao phủ bởi lớp sét mềm bão hòa nước có bề dày và thành phần khác biệt nhau tùy theo từng khu vực. Đây cũng là yếu tố bất lợi trong việc tính toán và thiết kế giải pháp móng cho công trình, nhất là những công trình được xây dựng trên diện rộng, trãi dài như khu công nghiệp, giao thông, cảng….
Hiện nay, có nhiều giải pháp thiết kế nền móng và xử lý nền cho khu vực đất sét yếu mang lại hiệu quả cao nhưng vẫn bộc lộ nhiều hạn chế như thời gian xử lý chờ cố kết lâu, kỹ thuật xử lý phức tạp, phải bù lún khối lượng tài nguyên lớn theo thời gian. Kỹ thuật cải tạo đất yếu và gia tải trước đã phát triển trong
* Trường Đại học Xây dựng miền Tây
Số 20B Phó Cơ Điều, Phường 3, TP. Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long
DĐ: 0919.070.096
Email: [email protected]
suốt thập kỹ qua. Kết quả thu được là số lượng công trình trên đất yếu có giải pháp cải tạo đất yếu mang hiệu quả kinh tế ngày càng nhiều.
Việc thiết kế đường, đường dẫn vào cầu có sử dụng giải pháp gia tải trên đất yếu làm cho nền đường bị nén chặt lại trước khi xây dựng công trình, điều này làm tăng sức chống cắt của đất theo thời gian. Tuy nhiên việc gia tải mất rất nhiều thời gian nhưng độ lún của nền không triệt để. Nền đất có thể bị phá hoại nếu công trình xây dựng có tải trọng lớn hơn cấp tải gia tải và phải tốn kém rất nhiều nguyên vật liệu bù lún sau này. Trong những năm gần đây xuất hiện một loại nền móng mới “sự kết hợp vải địa kỹ thuật và đất đắp trên nền cọc”
có thể sử dụng triệt để độ lún nền và không tốn nguyên vật liệu bù lún sau này, hy vọng là giải pháp có thể khắc phục những hạn chế của các giải pháp thiết kế nền móng, xử lý nền nêu trên [2],[3].
Hình 1: Giải pháp đắp trên cọc kết hợp vải địa kỹ thuật
2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
Để gia tăng độ bền của nền móng và khống chế chuyển vị của công trình, cọc được đóng trong nền đất yếu. Được xem như nền có cốt gánh đỡ tải đắp và tải trọng công trình lên cọc, thông qua cơ chế lan truyền từ lớp vải địa kỹ thuật trên đầu cọc. Những cọc nằm trong không chịu ảnh hưởng tải trọng ngang do đất đắp mái dốc gậy ra. Do đó cọc chỉ chịu tải trọng đứng là chính. Thực tế để đảm bảo cọc không bị gãy, nứt trong quá trình thi công, cẩu lắp thì việc bố trí cốt thép bên trong là rất cần thiết. Theo Kempfert (1997), vải địa kỹ thuật gánh đỡ hết toàn bộ tải trọng ngang và chuyển vị ngang do ứng suất cắt trên nền đắp gây ra.
Dưới ảnh hưởng hiệu ứng màng từ vải địa kỹ thuật, tải trong của đất đắp và tải trọng ngoài gần như tập trung hoàn toàn ở đầu cọc. Hiện tượng hiệu ứng cung vòm trong lớp đất đắp bắt đầu xuất hiện. Để đạt được hiệu quả cao trong hiệu cứng cung vòm thì độ cứng của vật liệu làm cọc phải lớn hơn nhiều so với độ cứng của đất nền xung quanh, bên cạnh đó khoảng cách giữa các cọc, cường độ chịu kéo của vải địa kỹ thuật và chiều cao đắp cũng ảnh hưởng đáng kể. Cơ chế hình thành cung vòm được trình bày hình 2.
Hình 2: Sự hình thành cung vòm [1]
2.1. Tính toán giải tích
2.1.2. Hệ số tập trung ứng suất
Tải trọng ngoài và trọng lượng bản thân đất đắp truyền xuống nền đất yếu bên dưới thông qua lớp vải địa kỹ thuật. Trên lớp vải địa kỹ thuật sẽ có sự phân bố lại ứng suất. Ảnh hưởng của tải trọng ngoài và trọng lượng bản thân sẽ làm cho khối đất có khuynh hướng dịch chuyển xuống và được cản trở bởi sức kháng cắt τ (sức kháng cắt giữa các hạt đất) không dịch chuyển ở trên đầu cọc và các hạt đất dịch chuyển ở giữa các cọc. Việc giảm áp lực đứng lên nền là do ảnh hưởng của sức kháng cắt này thay vì được truyền vào nền đất thì lúc này sẽ truyền lên đầu cọc. Sức kháng cắt này nhiều hay ít sẽ ảnh hưởng đến cơ chế hình thành cung vòm trên đầu cọc. Hiện tượng này gói là hiện tượng tập trung ứng suất đầu cọc.
Hình 3: Sự truyền tải (trọng lượng bản thân, tải trọng ngoài) lên nền đất yếu xung quanh cọc
Vải địa kỹ thuật sẽ phân bố lại ứng suất trước khi tải trọng truyền lên nền đất yếu. Lúc này phần lớn ứng suất sẽ tập trung vào đầu cọc thông qua lực kéo căng của vải làm suy giảm ứng suất tác dụng lên nền đất yếu thông qua cơ chế truyền tải như hình 3.
Hệ số tập trung ứng suất
Theo McNulty (1965) và Kempton (1998) q0
H Pb
Với Pb: Áp lực đứng trung bình phân bố lên vải; q0:Tải trọng trung bình ngoài phân bố trên nền đắp; T: Lực căng vải
Khi 0: Xuất hiện cung vòm hoàn chỉnh;
Khi 1: Không xuất hiện cung vòm; Trọng lượng bản thân đất đắp γ [5]
Theo Han (2003) n =
s c
Với c: ứng suất đứng phân bố trên đầu cọc;s: ứng suất đứng phân bố trên đất giữa hai cọc [5]
Theo Schimidt (2004) LKF =
c c c
s H A
A Q
Q
*
*
*
Với 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 [5]
2.1.2. Hệ số giảm ứng suất
Hệ số giảm ứng suất được ký hiệu S3D là hệ số giá trị ứng suất đang hoạt động trên lớp đất đăp chịu nén do tải trọng ngoài.
Theo tiêu chuẩn BS 8006 1995 Khi H>1.4×(s-a)
'
2 2
2 2 '
1.4 fs ( ) c
T
v
sf s a P
W x s a
s a
Khi 0.7(s – a)≤ H≤ 1.4(s – a)
'
2 2
2 2 '
( fs q ) c
T
v
s f H f ws P
W x s a
s a
Nếu S2/a2 ≤ P’c/σ’v thì WT = 0
Với WT: Tải trọng đứng phân bố lên đất nền (đoạn nằm giữa các cọc liền kề); S: Khoảng cách giữa hai cọc; a: Kích thước cạnh cọc; Ws: Lực phân bố đều; Pc’: ứng suất theo phương
đứng trên đaàu cọc; σv’: ứng suất trung bình ở đáy nền đắp; σv’
= ffs γH + fqWs; ffs: Hệ số tải cục bộ cho trọng lượng đất (tra bảng); fq: Hệ số tải cục bộ cho tải trọng ngoài (tra bảng); γ: dung trọng của đất đắp trên; H: chiều cao đất đắp [7]
Phương trình ứng suất theo Marston
2
' ' c
c v
P C a
H
Với Cc: heä soá cung voøm; Cc =1.95(H/a) - 0.18 cho cọc cứng (cọc thép hoặc bê tông cốt thép); Cc = 1.5(H/a) - 0.07 cho cọc (cọc đá, cọc cát, cọc gỗ)
Phưong trình hệ số giảm ứng suất
2 2
3 2
2.8
( )
c D
P
S s s a
s a H H
[6][7]
Theo Terzaghi
'
2 2
4 tan( )
2 2
3 '
( )
4 tan 1
aHK s a D
s a
S e
HaK
[9][7]
Với K: hệ số áp lực ngang K = 1 – sinφ Theo Hewlett và Randolph 1988 Hệ số giảm ứng suất ở đỉnh cầu
2 1
3
2( 1)
2( 1) ( )
1 1 * *
(2 3) (2 3)
2 2
Kp
P p D
p p
K K
a s s a
S s H K H K
Hệ số giảm ứng suất trên bệ cọc
3 (1 ) 2
2
1
2 1 1 1 1
1
D Kp
p
p P
S
K a a a a
K s s sK s
Với Kp: Áp lực đất bị động [9]
Theo Guido:
3
( )
3 2 .
D
s a
S H
[6][7]
2.2. Thí nghiệm trong phòng
Thí nghiệm được thu nhỏ tỷ lệ 1:3 để xem sét ứng xử của ứng lực dưới mũi cọc và ứng xử biến dạng để kiểm tra sự khác nhau so với lý thuyết tính toán. Một nhóm cọc gồm 4 cọc được đặt trong đất yếu theo lưới ô vuông, đặt trên đầu cọc là vải địa kỹ thuật được khoá chuyển vị đứng, trên gia tải lớp cát có chiều cao h (h thay đổi), bên trong đệm cát đặt các đầu đo ứng suất theo phương đứng, cọc có tiết diện 16x16cm, tải
trọng thí nghiệm thay đổi theo nhiều cấp tải
P = 20 kN/m2; P = 54 kN/m2; P=104kN/m2 như hình 4 [3]
Hình 4: Mô hình thí nghiệm trong phòng của Hans-Georg Kempfert [3]
Ứng suất phân bố trong lớp cát đắp được ghi lại từ các đầu cảm ứng ứng suất. Phần tải mà cọc chịu được đo bởi thiết bị đo áp lực cho phép so sánh ứng suất trong đệm cát. Dưới mức độ từng cấp tải trọng khác nhau ứng suất chuyển tiếp sẽ phân bố khác nhau, lực kéo căng khác nhau. Sự gia tăng ứng suất đứng theo từng cấp tải trong đệm cát được thể hiện trong biểu đồ như hình 5.
(mm) (m) Hình 5: Chuyển vị của vải theo từng cấp tải trọng [3]
Hình 6: Chuyển vị và biến dạng của vải theo chiều cao đắp được rút ra từ thí nghiệm [3]
Δ: Biểu đồ theo kết quả thí nghiệm với hđắp = 0,35m
▲: Biểu đồ theo kết quả mô hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn với hđắp = 0,35m
○: Biểu đồ theo kết quả thí nghiệm với hđắp = 0,7m
●: Biểu đồ theo kết quả mô hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn với hđắp = 0,7m
2.2.1. Tính lực kéo căng cho vải theo cách bố trí lưới hình chữ nhật
Khả năng kéo căng của vải phụ thuộc vào lưới cọc hình chữ nhật như hình 7, 8 [3], [1].
Hình 7: Lực kéo căng của vải theo lưới cọc vuông hình chữ nhật [3] [1]
Hình 8: Lực kéo căng của vải theo lưới cọc tròn hình chữ nhật [3]
1 2
. . - . . .
, ,
2 2 180
d sy
A s s atn F A
Lx x y s x k Lx zo k
x
1 2
. . - . . .
, ,
2 2 180
d sx
A s s atn F A
Ly x y s y k Lx zo k
y
2.2.2. Tính lực kéo căng vải theo lưới tam giác
Khả năng kéo căng của vải phụ thuộc vào lưới cọc hình tam giác như hình 9 [3], [1].
Hình 9: Lực kéo căng của vải theo lưới cọc tròn hình tam giác [3] [1]
1 2
. . - .
2 4
A s s d
Lxy x y
. .
, ,
Jx
F A
x k J J Lxy zo k
x y
. .
, ,
Jy
Fy k J J ALxy zo k
x y
2.3. Tính toán cung vòm
Sự phân bố tải trọng, ứng suất trong nền đắp, trong vải xem như không tác dụng, mà chỉ có ứng suất đứng tập trung trên đầu cọc σ zs,k và ứng suất đứng trên đất xốp chung quanh σ z0,k . Dựa trên lý thuyết dẽo và kết quả thí nghiệm [3], [1]
Hình 10: Thiết lập phương trình vi phân đường ứng suất [2]
Phương trình phân bố lại ứng suất
- . ( ). - 4. . .sin . 0
2
dA d dA dA m y dV
z u z z o s
Giải phương trình
2. -
- -
2 2 2
. . . . . - .
1 1 2 1 4 1 2
x t
x x
x P h t t t
zo h
Trong đó:
. -1
2. 1 2
. -
1 8
2 2. . - 2
2 2.2
2 0 ' tan 45
2 d Kcrit
x S
d
s d
d
s d s d
d d
sd K j
crit
Với: φ'k: góc ma sát trong của đất đắp γk: trọng lượng riêng của đất đắp Pk: tải trọng ngoài
hg: chiều cao đắp
Hình 11: Biểu đồ quan hệ giữa tỷ số chiều cao đắp-khoảng cách cọc và tỷ số giữa cạnh cọc
và khoảng cách cọc [2]
2.3. Tính toán giải pháp cho công trình bằng phần tử hữu hạn
Tính toán sân đường nội bộ công trình CP.Group Tiền Giang như hình 12.
Hình 12: Thiết kế nền sân đường nội bộ cho công trình CP.Group Tiền Giang
Thông số địa chất các lớp đất khu vực xây dựng công trình như bảng 1.
Bảng 1: Các chỉ tiêu cơ học của các lớp đất khu vực xây dựng công trình
Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Cát đắp
Tên Ký hiệu
Bùn sét Sét lẫn cát Cát chặt Cát chặt Đơn vị Hệ số thấm
ngang Kx 0,21*10-6 1,2*10-4 2*10-2 3*10-2 cm/s
Hệ số thấm
đứng Ky 0,12*10-6 0,6*10-4 1*10-2 1*10-2 cm/s
Module biến
dạng Eeod 1252 14900 28860 30000 kN/m2
Hệ số
Poisson 0,35 0,33 0,3 0,3 -
Lực dính C’ 8 71 1 1 kN/m2
Góc ma sát
trong ’ 18016’ 26058’ 300 300
0(độ)
Thông số cọc BTCT và nền BTCT như bảng 2.
Bảng 2: Các thông số cọc BTCT và BTCT nền
Thành phần Thông số Đơn vị
Loại mô hình Material type Elastic -
Module đàn hồi E 2,9*107 kN/m2
Tiết diện cọc A 0,3*0,3 m2
Hệ số Poision 0,15
Chiều dày nền h 0,15 m
Công trình được thiết kế sử dụng giải pháp nền móng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật với khoảng cách bệ cọc 2,5m. Công trình được đưa vào sử dụng có độ lún ổn định đều theo kết quả quan trắc được 25mm sau 2
năm sử dụng. Hình 13: Mô hình trên Plaxis 2D: khoảng cách
cọc 2,5m (s = 2.5m), chiều cao đắp 1m
Hình 14: Dự tính lún của cả hệ sau khi thi công xây dựng hoàn thành
Hình 15: Độ lún ổn định nền 26mm
Hình 16: Chuyển vị của nền
Hình 17: Cung vòm xuất hiện trong vải
Kết quả khảo sát chuyển vị lún cả hệ -30mm.
Thực tế chuyển vị lún sau 1 năm thi công xây dựng hoàn thành phù hợp với kết quả dự độ ổn định nền là -26mm
Hình 18: Hình ảnh khảo sát vị trí lún chênh lệch giữa nền và bệ cọc
7. KẾT LUẬN
- Việc xử lý nền đường qua vùng đất yếu có xử lý cọc kết hợp vải địa kỹ thuật đạt hiệu quả ổn định cao, tránh hiện tượng lún không đều cụ thể được chứng minh qua công trình thực tế.
- Tính toán cho công trình CP.Group Tiền Giang
+ Đối với khoảng cách cọc (s) và cạnh cọc (d)
Tỷ số d/s ≥ 0.15 : tỷ số cạnh cọc và khoảng cách cọc.
(s-d) ≤ 1.4(h – z) với h: chiều cao đắp; z:
chiều cao cát đệm đầu cọc.
(s – d) ≤ 2.5m: Cho thấy nền lún đều theo thời gian 2 năm, độ lún đỉnh cọc và nền xung quanh là đồng nhất.
+ Đối với vải địa kỹ thuật như sau:
Khoảng cách giữa lớp vải với mặt phẳng đầu cọc chọn đủ nhỏ sao cho ảnh hưởng của hiệu ứng màng vải là lớn nhất. Tuy nhiên nó được kiểm tra đủ khoảng cách an toàn sao cho sao cho vải không bị phá hoại do ứng suất cắt khi tiếp xúc với mặt đầu cọc
Chọn vải có lực kéo căng: Rg ≥ 30kN/m và biếng dạng dài ε ≤ 12%; Độ dài che phủ đầu cọc > d.
+ Đối với cát đắp: Đất đắp phù hợp không có lực dính và góc ma sát trong của đất φ’ ≥ 300.
- Kết quả tính toán và thi công thực tế công trình đồng nhất và ổn định. Hiện tượng tập trung ứng suất đầu cọc có xuất hiện góp phần phân bố lại ứng suất tạo hiện tượng lún đều cho nền sau khi xử lý qua 2 năm. Điều này cho thấy giải pháp có thể sử dụng tốt trong thi công và xử lý nền đường trong điều kiện khu vực đất yếu (ĐBSCL).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Châu Ngọc Ẩn, Nền Móng, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2010.
[2]. H.-G. Kempfert & M. Raithel & A.
Kirchner, Pile-supported embankments on soft
ground for a high speed railway - Load Transfer, Distribution and Concentration by different construction methods, 2010.
[3]. Professor Dr.-Ing. H.-G. Kempfert, Lateral spreading in basal reinforced embankments supported by pile-like elements , University Kassel, Germany March 2008.
[4]. Syawal Satibi, Numerical analysis and design criteria of embankments on floating piles, IGS, 2009.
[5]. Nguyễn Minh Tâm, Đinh Công Phương Các phương pháp tính toán sự phân bố tải trọng lên nền đường gia cố bởi hệ cọc dựa trên hiệu ứng vòm, 2009.
[6]. Kempfert, H. - G, Stadel, M. and Zaeske, D. Design of geosynthetic-reinforced bearing layers over piles, December 1997.
[7]. B. Le Hello, B. Chevalier, G. Combe, P.
Villard, Coupling finite elements and discrete elements methods, application to reinforced embankment by piles and geosynthetics, 2007.
[8]. D.T. Bergada, J.C. Chai, Những biện pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây dựng, Nhà xuất bản giáo dục 1994.
[9]. Terzaghi, K. (1943), Theoretical Soil Mechanics, Jonh Wily anh Sons, New York.
Người phản biện: PGS, TS VÕ PHÁN
