Xử lí nền đất yếu dưới nền đường các loại bằng phương pháp cọc tiếp cận cân bằng đất gia cố xi măng

Nội dung text: Xử lí nền đất yếu dưới nền đường các loại bằng phương pháp cọc tiếp cận cân bằng đất gia cố xi măng

1. XỬ LÍ NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG CÁC LOẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP CỌC TIẾP CẬN CÂN BẰNG ĐẤT GIA CỐ XI MĂNG DEEP CEMENT - SOIL MIXING COLUMNS TO IMPROVE SOFT GROUND UNDER APPROACHING EMBANKMENTS Phạm Văn Hùng, Nguyễn Công Oanh, Trương Ngọc Giang, Mai Hồng Hà Phòng Đường Sân bay, Phân viện KHCN GTVT Phía Nam, Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam BẢN TÓM TẮT Nội dung của bài báo này nhằm trình bày cơ sở tính toán và phần mềm thiết kế cọc gia cố cứng của các tác giả theo phương pháp cọc tiếp cận đã bắt đầu được sử dụng nhiều trên thế giới. Giải pháp thiết kế này với nguyên lý cân bằng, phân bố đồng đều biến dạng đã kiểm soát tốt phân bố ứng suất, biến dạng đồng đều và nhỏ, đáp ứng các yêu cầu, tiêu chuẩn khai thác cao cho các công trình quan trọng như đường hạ cất cánh sân bay, đường cao tốc, đường đầu cầu đắp cao, bãi cảng, bãi chứa container xây dụng trên nền đất yếu đạt hiệu quả cao, tiến độ thi công nhanh. ABSTRACT This papers are aimed at presenting an analysing method and our soft-ware to design deep cement-soil mixing columns which have been being widely used all over the world. This method based on the so- called “balance rule” to equally redistribute stresses over structures have proved cost-effective, and well applicable to such important constructions as aiport lanes, highways, approaching roads, container ports which are not only built up under soft ground conditions but also match high quality control and utilizing requirements. 1. MỞ ĐẦU mà vẫn phải xử lí chuyển tiếp giữa cứng và mềm. Hiện nay cùng với sự phát triển kinh tế của Để giải quyết những vấn đề trên, hiện nay ta đất nước, nhu cầu phát triển về cơ sở hạ tầng rất sử dụng giải pháp đất gia cố vôi, vôi -ximăng, lớn và cấp thiết, trong đó nhu cầu phát triển hạ ximăng làm cọc gia cố sâu, có thể kết hợp hoặc tầng giao thông, đường trên đất yếu bền vững và không kết hợp với móng đừơng gia cố vôi, vôi- hiệu quả đòi hỏi phải nghiên cứu, phát triển một ximăng, và ximăng chịu ngập lụt. số công nghệ mới trong thi công xây dựng công Trong bài báo này, chúng tôi tập trung đi về trình giao thông. để kiểm soát được biến dạng giải pháp tính toán, thiết kế, lập phần mềm tính lún và ổn định ở một số công trình giao thông toán cho cọc đất gia cố cứng có thể chống trên quan trọng như đường cao tốc, đường hạ cất nền đất tốt hoặc treo trong đất yếu. cánh của sân bay, đường đầu cầu đắp cao, bãi cảng chứa container hoặc cống hộp băng ngang 2. CƠ SỞ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ đường trên nền đất yếu, chúng ta thường sử dụng các giải pháp thông dụng như đệm cát, 2.1 Các nguyên lí thiết kế chung giếng cát, cọc cát, bấc thấm, vải địa kĩ thuật, sàn giảm tải BTCT trên nền cọc BTCT. Những công Trong cọc đất gia cố có hai nguyên lí thiết nghệ đã sử dùng thường thì khó kiểm soát được kế ứng với hai giải pháp công nghệ khác nhau. biến dạng lún, và ổn định công trình, thời gian - Nguyên lí cọc nủa cứng hay cọc mềm: thi công kéo dài hoặc không thể thi công trên vật liệu đất gia cố thi công cọc nửa cứng có diện rộng, kéo dài theo tuyến đường như sàn cường độ chịu nén nở hông tự do, module biến giảm tải trên nền cọc BTCT có giá thành rất đắt dạng không cao. Cọc đất gia cố và vật liệu đất 717
2. xung quanh cọc không gia cố được xem như một Trên đầu cọc là một bản mỏng bằng vật liệu khối làm việc đồng nhất, biến dạng của cọc và đất, cát, sỏi, cuội, đá dăm gia cố có diện tích, đất xung quanh cọc xem như bằng nhau, cọc chiều dày, độ cứng khác nhau được thiết kế cho không làm việc như cọc chống mà chỉ xem như phù hợp. cọc treo. - Nguyên lí cọc cứng: vật liệu đất gia cố thi công cọc cứng có cường độ chịu nén nở hông tự do, module đàn hồi, module biến dạng cao. Trong công nghệ thi công khi chịu tải ngang lớ n có thể gia cố tăng cường ống thép thành mỏng ở tâm cọc gia cố. Các thông số cơ học, tải trọng phân bố cho cọc và cho đất nền xung quanh cọc, khả năng chịu tải, biến dạng của cọc và đất nền không gia cố xung quanh cọc rất khác nhau. Cọc được thiết kế tính toán cho cả trạng thái cọc chống và cọc treo. 2.2 Các giải pháp tính toán theo phương pháp cọc tiếp cận Đối với các công trình giao thông kéo dài có đặc thù là tính chất cơ lí của nền đất yếu, chiều dày các lớp đất yếu là không đồng nhất nên việc đảm bảo cân bằng biến dạng đồng đều là rất khó để đảm bảo tính an toàn khai thác như công trình đường hạ cất cánh của sân bay, đường đầu cầu đắp cao và mố cầu, giữa đường và cống hộp ngang đường đặt trên hệ cọc cứng, đường cao tốc có yêu cầu đặc biệt về sự chênh lún. Vì thế nội dung các giải pháp tính toán cọc tiếp cận gồm có như sau: - Thay đổi chiều dài cọc gia cố để cân bằng biến dạng giữa đường và các hạng mục kết Hình 1: cấu tạo điển hình một nền gia cố. cấu cứng. - Thay đổi chiều dài cọc theo tuyến công Trên lớp bản mỏng là lớp móng, mặt được trình khi các chỉ tiêu cơ lý và chiều dày các lớp tính toán thiết kế theo qui định hiện hành cho đất yếu thay đổi theo nguyên tắc cân bằng biến lớp móng cứng, bán cứng hoặc móng mặt đường dạng để đảm bảo biến dạng lún, độ lún lệch dọc mềm. theo tuyến công trình nằm trong giới hạn cho Giới hạn của bài viết này là chưa đề cập đến phép. ảnh hưởng của thành phần hoá học của đất nền - Tính theo cọc chống khi chiều dày lớp đến kết quả gia cố sâu. Tuy nhiên ở đây xét đến đất yếu nằm trong khoảng 4-10m. biện pháp tính toán sức chịu tải cũng như biến dạng lún của hệ gia cố sâu, đồng thời một 2.3 Yêu cầu cấu tạo theo phương pháp cọc chương trình tính toán được thiết lập để phục vụ tiếp cận công tác kiểm toán gia cố sâu hoặc nông nền đất yếu. Sức chịu tải của cọc gia cố được xác định Cọc gia cố có thể làm việc theo cọc chống như sau. hoặc cọc treo có đường kính , mật độ phân bố, chiều dài cọc và chiều dài đoạn tuyến khác nhau 3. SỨC CHỊU TẢI CỦA HỆ ĐƯỢC XÁC được tính toán thiết kế phù hợp. ĐỊNH THEO SỰ LÀM VIỆC RIÊNG CỦA TỪNG CỌC GIA CỐ 718
3. hi Chiều dày các lớp phân tố Ru = R pu + L. τ di .hi (1) ∑ LS Chu vi khối qui ước Tính toán theo lời giải của K. Terzaghi Ru Sức chịu tải cực hạn của cọc gia cố Sức chịu tải mũi cực hạn của cọc gia cố Rpu qd = ic .α.c.N c + iγ .γ 1.Bb .N γ + iq .γ 2 .D' f .N q τ di ma sát thành cực hạn của cọc gia cố (8) h Chiều dày phân tố i Trong đó L Chu vi cọc gia cố 2 Sức chịu tảI mũi phụ thuộc vào loại đất. ⎛ θ ⎞ ic = iq = ⎜1− ⎟ (9) Đất rời ⎝ 90 ⎠ R = 75.N.A (2) 2 pu P ⎛ θ ⎞ iγ = ⎜1− ⎟ (10) ⎝ φ ⎠ Trong đó N là số SPT trung bình 1d trên và 1d dưới mũi cọc. θ Góc nghiêng của tải trọng Đất dính φ Góc nội ma sát của đất nền α vàứ β phụ thuộc đáy móng công trình R pu = 6.c.AP (3) B Trong đó c là lục dính của đất nền. α = 1+ 0.2 b (11) Ma sát thành bên của cọc tính toán theo các Lb công thức sau: B 10.N β = 0.5 − 0.2 b (12) τ = (4) L di 3 b τ = c hay q / 2 (5) N c ⎫ di u ⎪ N q ⎬ Các hệ số sức chịu tải Terzaghi Sức chịu tải cho phép cho trường hợp cọc gia cố N ⎪ làm việc đơn lẻ là: γ ⎭ c Lực dính của đất nền 1 γ 1 Dung trọng đất dưới đáy móng q = (n.Ru) / A (6) a1 f γ Dung trọng đất nền trên đáy móng FS 2 10.N 4. SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC GIA CỐ τ = (13) XÁC ĐỊNH THEO SỰ LÀM VIỆC CHUNG di 3 CỦA HỆ CỌC τ di = c hay qu / 2 (14) 1 qa2 = {}qd .Ab + ∑()τ di .hi .LS / Af (7) FS Sức chịu tải của toàn bô hệ gia cố sâu q = min q ,q (15) qd Sức chịu tải cực hạn dưới chân cọc gia cố a [ a1 a2 ] A Diện tích đáy khối qui ước b Kiểm tra sức chịu tải của đất nền τ di Ma sát thành cực hạn theo chu vi khối qui ước 719
4. a.P E p σ e = ≤ qa = min[]qa1 ,qa2 (16) n = (25) A p2 f E2 Trong đó H1 Chiều dày lớp đất bên trên H Chiều dày lớp đất thứ hai 6.M 2 a = 1+ (17) d p đường kính cọc gia cố Lb .P E p module cọc gia cố là hệ số kể đến độ lệch tâm của tải trọng E1 , E2 module lớp thứ nhất và lớp thứ hai ν ,ν hệ số poisson của lớp thứ nhất và lớp 5. PHÂN TỐ ỨNG SUẤT DO TẢI TRỌNG 1 2 NGOÀI VÀO CỌC GIA CỐ thứ hai Áp suất do tảI trọng vào cọc gia cố phụ αν 1 Tỉ số gia tăng module theo hướng thẳng thuộc vào độ cứng cọc gia cố, độ cứng đất nền đứng do sự làm việc không nở hông. điều kiện xung quanh cọc gia cố và đất nền dưới mũi cọc bền của cọc gia cố gia cố [2]. Nó được xác định theo công thức sau: q p ≤ f c (26) q p = µ p .σ e (18) f c ứng suất cho phép của cọc gia cố ứng suất thẳng đứng trong cọc gia cố q p 6. TÍNH BIẾN DẠNG LÚN CỦA HỆ µ p hệ số tập trung ứng suất THỐNG CỌC GIA CỐ áp suất tiếp xúc thiết kế dưới đáy móng σ e Xem khối móng qui ước biến dạng lún do Hệ số tập trung ứng suất: tải trọng ngoài gồm đất đắp và các lớp kết cấu. Khi tính biến dạng lún ta có thể tính cả thành n phần gây ra do hoạt tải xe chạy [4]. µ = (19) p e − e 1+ ()n −1 .a p 0i 1i S = ∑ Si = ∑ .hi (27) 1+ e0i Trong đó Ứng suất gây lún dưới đáy móng qui ước tính đến chân cọc gia cố: ∑ Ap a p = (20) B .L A b b f σ 'e = σ e . (28) B'b .L'b E p ()λ + n n = . L 12 (21) Trong đó E1 ()αν 1.λL + n p2 B'b = Bb + 2.tan(φtb / 4) (29) 1−ν 1 αν 1 = (22) ()()1+ν 1 . 1− 2.ν 2 L'b = Lb + 2.tan(φtb / 4) (30) H 7. THIẾT KẾ CHIỀU DÀI ĐOẠN GIA CỐ, λ = 1 (23) L d ĐƯỜNG KÍNH CỌC VÀ MẬT ĐỘ CỌC p 7.1 Chiều dài đoạn gia cố E1 n12 = (24) E2 Chiều dài đoạn gia cố phụ thuộc vào loại hình công trình là tuyến hay đoạn tuyến ngắn. 720
5. Với các công trình là đường đầu cầu đắp cao Số SPT N1 4 (Búa) hay cống hộp ngang đừơng ta thiết kế chiều dài Số SPT tr khoảng N2 10 (Búa) này theo độ dốc dọc và biến dạng lún của hệ khi 1 d trên & dưới chưa gia cố, độ chênh lún cho phép [4]. mũi cọc Chiều dài đoạn gia cố La = 100S / i Lực dọc P 2602.5 (kN) Hay có thể dùng giá trị nhỏ nhất cho chiều Momen M 0 (kNm) dài đoạn gia cố Lamin=8m. Tuân theo công thức Lực ngang H 0 (kN) sau: Chiều dài cọc gia L 5 (m) cố La = 8 + ()12 /100 .S Đường kính cọc d 0.2 (m) gia cố Trong đó S tính theo cm và La tính theo m. Hệ số an toàn Fsp 1.5 Chiều dài vựng LB 5 (m) 7.2 Chiều dài, đường kính cọc gia cố và gia cố mật độ cọc Chiều rộng vựng BB 5 (m) gia cố Chiều dài, đường kính cũng như mật độ cọc Chiều sâu đặt bản Df 0 (m) gia cố được xác định theo điều kiện sức chịu tải móng và điều kiện biến dạng lún của hệ cọc. Các tiêu Số cọc gia cố n 225 (cọc) chuẩn về khống chế biến dạng lún của công Chiều dày lớp gia H1 4.5 (m) trình trong giới hạn cho phép sao cho sau khi cố được xử lí hệ kết cấu làm việc đảm bảo các tiêu Chiều dày lớp H2 0.5 (m) chuẩn cho phép theo qui định hiện hành đối với dưới 2 móng, mặt đường cứng hay mềm. Nội dung thiết Modul của lớp 1 E1 5000 (kN/m ) 2 kế này đựơc xử lý trong phần mềm đã được các Modul của lớp 2 E2 5000 (kN/m ) 2 tác giả thực hiện. Modul cọc gia cố Ep 90000 (kN/m ) Hệ số Poinson ν1 0.35 8. THIẾT KẾ BẢN MÓNG lớp 1 Hệ số Poinson ν2 0.34 Chiều dày bản móng được thiết kế theo điều lớp 2 2 kiện ứng suất cho phép sẽ được trình bày ở một Cường độ nén Fc 500 (kN/m ) bài báo sau. Độ sâu chia lớp Zchia 0.5 (m) 9. MỘT SỐ KẾT QUẢ CỦA PHẦN MỀM Kết quả kiểm toán: 2 Chương trình được viết bằng ngôn ngữ σe = 104.10 ( kN/m ) 2 Vb.Net trên nền FrameWork Ver 1.0. Cơ sở dữ qd = 172.28 ( kN/m ) 2 liệu trên nền Microsoft Access 2003. qa1 = 130.59 ( kN/m ) Ru = 19.65 (kN) 2 Bảng thông số đầu vào: qa2 = 117.89 ( kN/m ) 2 qa = min(qa1, qa2 ) = 117.89 ( kN/m ) Loại Hi (m) Value Unit ap = 0.28 đất n = 8.16 0 2.5 Đất 2.38 ( C) µp = 2.70 2 sét qp = 280.84 ( kN/m ) 2 2.5 Đất 5.9 (kN/m ) fc : 333.33 sét Độ lún = 7.237 (cm) Dung trọng γ1 16.2 ( kN/m3) 3 Dung trọng trên γ2 20.27 ( kN/m ) 10. KẾT LUẬN đáy móng tương đương 721
6. Giải pháp thiết kế cọc gia cố cứng theo TÀI LIỆU THAM KHẢO phương pháp cọc tiếp cận đã giải quyết được các vấn đề sau: 1. Evangelos I. Stavridakis. Presentation and - Kiểm soát phân bố ứng suất, biến dạng Assessment of Clay influence on Engineering đồng đều, giảm thiểu đến mức tối đa khả năng Parameters of Cement-Treated Clayey Mixtures. gây lún lệch, đảm bảo an toàn giao thông, tiêu Laboratory of Soil Mechanics and Foundation chuẩn khai thác đối với những công trình quan Engineering, Geotechnical Engineering trọng kéo dài như đường hạ, cất cánh của sân Division, Department of Civil Engineering, bay, đường cao tốc, đường đầu cầu đắp cao và Aristotle University of Thessaloniki, Greece. các công trình tương tự. 2. Guideline for Design and Quality Control of - Giảm được giá thành đầu tư, đẩy nhanh Soil Improvement for Buildings, Deep Mixing được tiến độ thi công liên tục. Cement. National Institute for Land and Tăng hiệu quả đầu tư do kéo dài tuổi thọ, Infrastructure Management and Architechture chất lượng khai thác, chi phí duy tu bảo dưỡng Research Institute, Japan. thấp. 3. Peter J. Nicholson. Cement soil mixing in soft Do giới hạn của bài báo nên một số phần ground. US Department of Energy. nội dung sẽ được trình bày trong các bài báo 4. S. L. Shen & N. Minura. A Technique for sau. Reducing Settlement Difference of Roads on Soft Clay. Institute of Lowland Technology, Saga University, Honjo, Japan. 722