PHÂN TÍCH ĐỘ LÖN CỦA NỀN KHO GIA CỐ BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
LÊ BÁ VINH * DƢƠNG CHUNG NGUYỆN
Analyze the settlement of Mekong delta soft ground reinforced by granular columns
Abstract: Granular column is one of the effective and economical solutions for warehouses built on shallow soft grounds. Granular columns are created in soft ground by different vibration methods, and are flexibly applied to soft soils with low shear strength ranging from 15 kPa to 50 kPa to increase the load bearing capacity, reduce the settlement of ground.
Currently there are many methods of calculating settlement for the soft ground reinforced by granular columns. Different computation methods often results in different settlements. Therefore, this article will analyze and evaluate some common calculation methods for the settlement of a warehouse built on the Mekong delta soft ground reinforced by granular columns. The real dimensions of granular column after the construction process are also taken into account.
Keywords: Granular column, settlement, soft soil, Plaxis 3D Foundation.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
Giải pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc vật liệu rời xuất hiện vào năm 1935 và phát triển rất mạnh ở các nƣớc nhƣ Mỹ, Canada và Châu Âu vào những năm 1950 [1],[4]. Đây là một trong những giải pháp hữu hiệu và kinh tế cho những công trình xây trên nền đất yếu có chiều sâu nén lún không lớn. Cọc đƣợc tạo ra trong nền đất yếu bằng các phƣơng pháp rung động khác nhau, và đƣợc vận dụng linh hoạt cho những vùng đất đất yếu có cƣờng độ kháng cắt nhỏ từ 15 kPa đến 50 kPa nhằm làm tăng khả năng chịu tải của đất nền, giảm độ lún nền khi xây dựng công trình bên trên. Hiện nay có khá nhiều phƣơng pháp tính lún cho nền gia cố bằng cọc vật liệu rời. Các phƣơng pháp tính toán khác nhau thƣờng cho ra các kết quả khác nhau. Do
* Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ thuật Xây dựng, Tr ng Đ i học Bách Khoa - Đ i học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.
Email: [email protected]
vậy, bài báo này sẽ phân tích, đánh giá một số phƣơng pháp tính lún phổ biến cho nền gia cố bằng cọc vật liệu rời với một công trình cụ thể ở đồng bằng sông Cửu Long.
2. CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH LÖN CỦA NỀN GIA CỐ CỌC VẬT LIỆU RỜI
2.1. Phƣơng pháp tƣơng đƣơng [2]
Đây là phƣơng pháp giới thiệu bởi Aboshi và Barksdale. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến tại Nhật dùng xác định độ lún của nền gia cố bằng cọc vật liệu rời. Độ lún ổn định trong phạm vi lớp đất gia cố bằng cọc vật liệu rời xác định theo công thức sau:
Hm
St v c . (1)
với St là độ lún của lớp đất gia cố, H là chiều dày lớp đất gia cố, σ là tải tác dụng lên nền gia cố, mv là hệ số nén thể tích, µc hệ số giảm lún cho nền gia cố.
Hệ số tập trung ứng suất n tính theo phƣơng pháp cân bằng lấy trong khoảng từ (3 ÷ 5).
Theo Aboshi khi tỷ diện tích thay thế as< 0,15
thì n = 3 đƣợc chọn để tính toán hệ số giảm lún cho nền gia cố.
Hình 1: Hệ số giảm lún theo tỷ diện tích thay thế của Bachus và Barksdale [4]
2.2. Phƣơng pháp Priebe [6]
Đây là phƣơng pháp đƣợc đề nghị bởi Priebe cho việc xác định độ giảm lún nền khi xử lý bằng cọc vật liệu rời khi bố trí theo dạng lƣới.
Để xác định độ giảm lún khi xử lý nền bằng cọc vật liệu rời, thừa nhận các giả thiết: lớp gia cố nằm trên địa tầng không chịu nén, vật liệu làm cọc không chịu nén, bỏ qua trọng lƣợng bản thân đất và cọc. Xác định hệ số giảm lún n0 theo công thức (2):
1
. . 2 . 1
0 1
A f A K
A f A A
n A
s s ac
s s s
(2) Trong đó:
As – tiết diện ngang cọc vật liệu rời, A – diện tích vùng nền gia cố, µs – hệ số Poisson của đất, Kac – hệ số áp lực đất chủ động.
Khi µs = 1/3 thì hệ số giảm lún xác định nhƣ sau:
1
1 . . 4
5
0 1
A K A
A A A
n A
s ac
s s
(3)
Hình 2: Hệ số giảm lún theo Priebe
Hình 3: Quan hệ giữa hệ số giảm lún n và tỷ diện tích xác định theo Priebe Tuy nhiên khi cọc làm việc thì vật liệu làm cọc vẫn bị chịu nén. Do đó, khả năng chịu nén của vật liệu làm cọc chính là yếu tố gia tăng tỷ diện tích thay thế và đƣợc xác định bởi tỷ số Δ(As/A). Sự gia tăng tỷ diện tích thay thế phụ thuộc vào tỷ số mô đun vật liệu làm cọc và mô đun vùng nền gia cố bằng cọc vật liệu rời. Khi đó hệ số giảm lún (n1) đƣợc xác định theo công thức sau:
1
. . 2 . 1
1 1
A f A K
A f A
A n A
s s ac
s s s
(4) Trong đó:
A A
A A A A
s s
s
/ /
1
(5) Độ gia tăng tỷ diện tích khi cọc chịu nén:
1/
1 1
A A A
A
s
s (6)
Giá trị
1
A As
phụ thuộc vào tỷ số ES/EC của vật liệu làm cọc và đất nền gia cố.
1
A As
đƣợc xác định theo công thức:
1 4
) 1 ( 16 1 4
5 ) 2 ( 4 2 1 ) 1 4 ( 2
5 ) 2 (
4 0 0 2 0
1
aC aC aC
aC aC
aC s
K n K K
n K K
n K A A
(7) Tuy nhiên cũng cần xác định hệ số ảnh hƣởng độ sâu gia cố fd để tìm ra giá trị độ giảm lún cuối cùng khi sử dụng phƣơng pháp Priebe là:
f
dn n
2
1.
(8) Khi đó độ lún sau khi gia cố đƣợc tính:
2 0
n St S
(9) với
Es
S .H
0
(10) Hệ số ảnh hƣởng độ sâu:
s s C
c s C d
P W K
W W f K
/ . 1
1
0
0
, (11)
Wc là khối lƣợng cọc gia cố , Ws là khối lƣợng đất trong vùng gia cố, KOC = 1-sin s, PC - ứng suất tác dụng lên cọc phụ thuộc vào độ sâu gia cố.
c s
s s
s
P P
A A A
A P
/ / 1
, (12)
Để đơn giản trong quá trình tính toán, xem cọc và đất có khối lƣợng nhƣ nhau. Do đó hệ số ảnh hƣởng độ sâu gia cố đƣợc xác định theo công thứ sau:
d ss css c
d P P
D f D
trongđó P
y W
f /
1 /
. 1
1
(13)
Hình 4: Quan hệ giữa tỷ số mô đun Dc/Ds và độ gia tăng tỷ diện tích thay thế theo Priebe
Hình 5: Quan hệ giữa hệ số ảnh huởng theo độ sâu, tỷ diện tích thay thế, và góc ma sát trong
của vật liệu cọc theo Priebe
Hình 6: Hệ số ảnh h ởng độ sâu lớn nhất 2.3 Phƣơng pháp tƣờng vật liệu rời (Granular Wall) [5]
Đây cũng là một trong những phƣơng pháp xác định độ lún của nền gia cố bằng cọc vật liệu rời và đƣợc đề xuất bởi Van Impe và De Beer, và đƣợc xác định theo công thức:
E H P
Sv 2 0
2 2
1 1
1
(14) trong đó: β = f(a,b, s,µ,P0/E), µ - hệ số poisson của đất nền, s – góc ma sát trong của vật liệu làm cọc, E – mô đun biến dạng của đất nền, P0 – tải trọng tác dụng.
Hình 7: Sơ đồ tính toán hệ số phân bố ứng suất theo De Beer và Van Impe
2.4 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc áp dụng thông qua phần mềm Plaxis 3D Foundation [7]
để phân tích, tính toán độ lún và hệ số phân bố ứng suát cho nền công trình gia cố bằng cọc vật liệu rời. Sơ đồ mô phỏng cho vùng đƣợc phân tích đại diện nhƣ thể hiện ở hình 8.
Hình 8: Mô phỏng xác định độ lún và hệ số phân bố ứng suất của nền gia cố nền 2.5 Phƣơng pháp Asaoka [3]
Vào năm 1978 Asaoka đề nghị phƣơng pháp xác định độ lún của nền theo các bƣớc sau: vẽ đƣờng cong lún theo thời gian s(t) của lớp đất, chọn khoảng thời gian Δt để có giá trị độ lún si
ở các thời điểm (t0 +Δt) với i = 1, 2, 3…, vẽ các điểm có tọa độ (si-1, si) trên đồ thị, vẽ đƣờng thẳng A đi qua các điểm ở trên. Đƣờng thẳng A sẽ cắt đƣờng 450 của hệ trục tại một điểm có độ lún: si-1 = si = s∞ (độ lún ổn định). Độ dốc β1
của đƣờng A đƣợc sử dụng để tính hệ số cố kết trung bình của lớp đất theo công thức Asaoka:
2 1 2 1
2
4 ln 12 ln
5
t c H
t hay
cv H v
(*)
Hình 9: Xác định độ lún ổn định theo Asaoka 3. PHÂN TÍCH ĐỘ LÚN CHO CÔNG TRÌNH KHO Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
Tổng diện tích mặt bằng công trình là 64.000m2, trong đó hai hạng mục chính có diện tích xây dựng là 32.000m2. Quá trình thiết kế đƣợc chia ra làm nhiều vùng chịu tải khác nhau từ 10kPa đến 40kPa. Nền đƣợc xử lý gia cố bằng cọc vật liệu rời (cọc đá) có đƣờng kính 0,65m, chiều dài trung bình là 3,3m nhằm gia cố lớp đất sét mềm bên dƣới. Cọc đƣợc thi công theo phƣơng pháp đầm rung thay thế và đƣợc bố trí theo lƣới ô vuông, khoảng cách các cọc từ 1,7m đến 2,5m tƣơng ứng các khu vực vận hành của nhà máy.
Hình 10: Mặt bằng tổng thể bố trí các hố khoan địa chất
Bảng 1: Thông số đất nền dùng trong tính toán gia cố nền Lớp đất Lớp cát Sét nâu đỏ,
dẻo mềm Sét, dẻo cứng Sét pha, dẻo cứng
Cọc vật liệu rời
w (%) - 31,22 24,51 20,56
) / (kN m3
c 18 18,54 19,75 20,03 20
) /
( 3
,sat kN m
c 18 18,97 20,05 20,48 20
e0 - 0,931 0,719 0,629 -
Ip - 19,01 19,16 13.83 -
) / (m day
kh 10 3E-4 6E-5 12E-5 100
) / (m day
kv 10 1E-4 3E-5 4E-5 100
kN/m2
E 20000 2400 12500 14400 48000
) / (kN m2
c 0,1 16,59 25,2 24,2 0,1
0 300 8058 20025 24039 400
0,3 0,35 0,3 0,3 0,3
SPT - 5 15 11-14 -
Chiều dày (m) 0,5 3,3 3,2 6,0 3,3
Hình 11: Sơ đồ tính toán cho nền gia cố Hình 12: Mặt bằng bố trí cọc 3.1. Tổng quan về địa chất công trình
Đặc điểm địa chất của công trình đƣợc tổng hợp nhƣ sau:
Lớp 1: Sét xám trắng - nâu đỏ, vàng dẻo mềm chiều dày trung bình 3,3 (m).
Lớp 2: Sét xám trắng, trạng thái dẻo cứng, chiều dày trung bình 3,2 (m).
Lớp 3: Sét pha, xám trắng – dẻo cứng, chiều dày trung bình 6 (m).
Lớp 4: Cát pha nâu trạng thái dẻo, chiều dày trung bình 21,5 (m) chƣa kết thúc ở đáy hố khoan.
Mặt bằng tổng thể bố trí các hố khoan địa chất nhƣ hình 10. Các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất đƣợc thể hiện trong bảng 1.
3.2. Phƣơng pháp thi công
Thi công cọc vật liệu rời có đƣờng kính 650mm, dài 3.3m, bố trí lƣới ô vuông khoảng cách từ 1,7m đến 2,5m trong vùng đất sét yếu bão hòa nƣớc nhằm tăng sức chịu tải của nền cũng nhƣ giảm độ lún của nền. Sau khi thi công cọc vật liệu rời xong tiến hành gia tải trƣớc với tổng chiều cao lớp cát gia tải lả 2,3m, gia tải
thành từng lớp. Công trình đƣợc chia ra làm nhiều vùng gia tải có tổng diện tích 2280m2, và tiến hành quan trắc lún.
Bảng 2: Kết quả tính toán bằng phƣơng pháp giải tích
Độ lún PP cân bằng
Tƣờng vật liệu
rời
Phƣơng pháp Priebe
S (mm) 67,5 67,08 66,5
3.3. Độ lún ổn định của nền gia cố theo các phƣơng pháp giải tích
Áp dụng các phƣơng pháp cân bằng, tƣờng vật liệu rời, và phƣơng pháp Priebe cho các kết quả độ lún nhƣ bảng 2.
3.4. Tính lún bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis 3D Foundation Sử dụng mô hình Mohr – Coulomb (MC) mô phỏng quá trình làm việc của nền gia cố bằng cọc vật liệu rời.
Tổng chiều cao gia tải thêm là 2,3m cát. Do đó tổng chiều dày lớp cát san lấp H = 0,5 + 2,3
= 2,8m, tƣơng ứng tổng tải tác dụng nền gia cố là 50,4 kN/m2.
Diện tích trong tính toán mô phỏng bằng Plaxis 3D Foundation đƣợc lấy trong vùng quan trắc tƣơng ứng khoảng cách cọc bố trí 2,5m x 2,5m, diện tích tính toán A = 12m x 12m = 144 (m2). Tổng số lƣợng cọc tính toán là 25 cọc bố trí nhƣ hình 13. Kết quả phân tích bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation cho độ lún s = 64,85 (mm) nhƣ hình 14.
Hình 13: Sơ đồ tính bằng Plaxis 3D Foundation
Hình 14: Kết quả phân tích độ lún bằng Plaxis 3D Foundation.
Hình 15: Xác định độ lún ổn định của nền 3.5. Tính toán độ lún của nền gia cố theo kích thƣớc cọc thực tế
Theo thiết kế cọc có đƣờng kính 650mm, dài trung bình 3,3m đƣợc bố trí lƣới ô vuông 2,5m x 2,5m tƣơng ứng với tải sử dụng. Trƣớc khi tiến hành gia tải, thực hiện công tác khảo sát kiểm tra đƣờng kính, chiều dài thực tế của cọc vật liệu rời trong vùng gia cố. Kết quả khảo sát cọc thi công tại hiện trƣờng trong vùng gia tải S7, S8, S9, S10 cho thấy chiều dài trung bình thực tế cọc sau khi thi công là 3,14m, đƣờng kính trung bình là 0,754m. Các kích thƣớc này khác đáng kể so với các thông số thiết kế ban đầu của cọc do vậy tiến hành xác định lại độ lún của nền gia cố theo các kích thƣớc thực của cọc. Các kết quả phân tích độ lún theo các phƣơng pháp khác nhau đƣợc tổng hợp nhƣ bảng 3.
Bảng 3: Độ lún tính toán theo đƣờng kính và chiều dài thực tế thi công của cọc
bằng phƣơng pháp giải tích Tỷ diện
tích thay thế (as)
PP cân bằng Aboshi
PP tƣờng vật liệu rời
PP Priebe
1995 0,0714 65,86(mm) 65,99(mm) 62(mm)
Hình 16: Kết quả tính toán độ lún theo điều kiện cọc thực tế
Nhận xét kết quả phân tích:
Sau khi phân tích độ lún nền theo điều kiện thi công thực tế có thể nhận thấy độ lún tính toán theo lý thuyết giữa phƣơng pháp giải tích và phƣơng pháp phần tử hữu hạn nhƣ hình có chênh lệch không đáng kể. Độ lún theo quan trắc S = 53,4 (mm) so với tính toán theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn S = 61(mm) có sai số là 12%.
4. KẾT LUẬN
- Trong ba phƣơng pháp giải tích xác định độ lún nền gia cố bằng cọc vật liệu rời thì cả 3 phƣơng pháp cho kết quả tƣơng đồng nhau, sai số giữa các phƣơng pháp chỉ khoảng 1%.
- Từ kết quả tính toán nền gia cố bằng cọc vật liệu rời của lớp đất gia cố nhận thấy hệ số giảm lún cơ bản n0 xác định theo Priebe là 1.266. Khi xét đến khả năng chịu nén của cọc
thì hệ số giảm lún n1 = 1,26. Tuy nhiên ngoài ảnh hƣởng của tỷ diện tích thay thế, hệ số giảm lún tính theo Priebe còn xét đến ảnh hƣởng của chiều sâu gia cố của cọc vật liệu rời và đƣợc đặc trƣng bởi hệ số fd = 1,12. Kết quả cho hệ số giảm lún cuối cùng là n2 = 1,41.
- Trong 3 phƣơng pháp giải tích thì phƣơng pháp của Priebe cho kết quả gần giống với độ lún quan trắc thực tế nhất.
Lời cảm ơn:
Chúng tôi xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM đã hỗ trợ thời gian, phương tiện và cơ sở vật chất cho nghiên cứu này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Abhijit and De P.K. (1996), The stress concentration Ratio in Soil – Stone column Interaction. Twelft South East Asian Geotechnical Conference, Kuala Lumpur.
2. Aboshi, H and Suematsu, (1985), The State of The Art on Sand Compaction Pile Method. Geotechnical Seminar on Soil Improvement Method. Nanyang Technological Institute, Singapore.
3. Asaoka, A. (1978), Observational procedure ot settlement prediction, Soil and Foundations, Vol.18.
4. D.T Bergado, J.C. Chai, M.C. Alfaro, A.S.
Balasubramaniam (1998). Những biện pháp kỹ thuật mới cải tạo đất yếu trong xây dựng, Nhà xuất bản giáo dục.
5. Greenwood D. A and Kirsch K. (1983), Specialist Ground Treatment by Vibratory and Dynamic Method. Thomas Telford. London.
6. Priebe H. J (1995), The Design of Vibro Replacement. Ground Engineering Journal.
7. PLAXIS 3D Foundation Manual.
Ng i phản biện: TS. NGUYỄN ANH DŨNG