Nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền đất yếu và đầu cọc cho giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật (tt)

MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Việc xây dựng công trình trên đất yếu, đặc biệt là các công trình cơ sở hạ tầng
thường gắn liền với các biện pháp xử lý nền. Do cao độ mặt đất tự nhiên thấp
nên các công trình cơ sở hạ tầng ở các tỉnh phía Nam được xây dựng đồng thời
với các công trình đắp cao (đê, đập, đường giao thông, khu dân cư, kho xưởng
hay cầu cống). Ngoài các biện pháp xử lý nền phổ biến được áp dụng như cọc
cát, giếng cát, bấc thấm kết hợp gia tải trước, cọc đất trộn xi măng thì cọc bê
tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật là một trong các giải pháp hữu hiệu và có
triển vọng. Ưu điểm của giải pháp này có thể kể đến là chất lượng công trình
được kiểm soát thuận tiện và đảm bảo, thời gian thi công ngắn hơn đáng kể so
với các phương pháp cố kết trước; vật liệu cọc ít chịu tác động ảnh hưởng của
môi trường hóa lý (so với cọc đất trộn xi măng); độ lún của nền được xử lý
bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật có giá trị không đáng kể nên
cho phép sử dụng hạn chế vật liệu đắp, là loại vật liệu khan hiếm hiện nay ở
khu vực (so với phương pháp gia tải trước) và một số ưu điểm khác.
Khả năng ổn định và độ lún của nền sau khi xử lý bằng giải pháp này phụ thuộc
đáng kể vào đặc điểm phân bố ứng suất lên cọc và đất nền. Thí nghiệm thực tế
đo đạc nhằm tìm hiểu quy luật phân bố ứng suất tác dụng lên nền xử lý có ý
nghĩa thực tiễn trong tính toán áp dụng triển khai cũng như đánh giá triển khai
phương pháp xử lý này trong thực tiễn. Điều này có tính cấp thiết do việc đo
đạc đánh giá sự phân bố ứng suất trong xử lý nền bằng phương pháp tương tự
và trong điều kiện thực tế ở khu vực phía Nam chưa được thực hiện nhằm phục
vụ đánh giá chính xác khả năng ổn định của nền sau khi xử lý.
2 Mục đích nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Cọc bê tông cốt thép là giải pháp nền móng thường được sử dụng cho các công
trình có tải trọng lớn hay khi có đất yếu có bề dày lớn nằm gần bề mặt. Vật liệu
1


cọc có tính biến dạng không đáng kể, khác với các loại cọc đất trộn xi măng hay

vật liệu khác có tính biến dạng lớn. Do đó, khi kết hợp với vải địa kỹ thuật, quy
luật phân bố ứng suất lên cọc và đất nền có thể khác biệt và điều này ảnh hưởng
trực tiếp đến các vấn đề tính toán thiết kế. Nghiên cứu đánh giá quy luật và đặc
điểm phân bố ứng suất giữa cọc và nền đất yếu là mục tiêu của luận án.
3 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được chọn lựa cho luận án là nghiên cứu cơ sở lý
thuyết về sự phân bố ứng suất trên đầu cọc và đất nền, thí nghiệm hiện trường
theo điều kiện thực tế khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre và
mô phỏng tính toán bằng phần mềm.
4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Luận án nghiên cứu phân bố ứng suất của nền đắp kết hợp vải địa kỹ thuật lên
hệ cọc bê tông cốt thép và lên nền đất yếu bên dưới.
Phạm vi nghiên cứu:
- Chỉ nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong phạm vi khối đắp chưa xét sự thay
đổi trạng thái ứng suất trong nền đất yếu bên dưới.
- Do hạn chế về vị trí, kinh phí nên chỉ xây dựng được mô hình thí nghiệm với
số lượng 16 cọc. Điều này chưa thật sự giống với bài toán phẳng trong xử lý
nền đường. Nghiên cứu chủ yếu ảnh hưởng ứng suất của 04 cọc trung tâm, phù
hợp với bài toán không gian.
- Khu vực thí nghiệm hiện trường thường xuyên chịu ảnh hưởng của triều
cường. Do đó sự phân bố ứng suất trong nền đất yếu cũng thay đổi, điều này
cũng ảnh hưởng đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc.
5 Điểm mới của luận án
1. Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xử lý nền đất
yếu bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật trong điều kiện địa
chất khu vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre.
2

2. Xác định hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xử lý nền đất yếu
bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật khi mực nước ngầm hạ thấp
và khi mực nước ngầm tăng do triều cường kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng
cục bộ. Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) trong giải pháp xử lý nền đất yếu
bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật sẽ nhỏ vào mùa khô và
tăng cao vào mùa mưa khi nền ngập nước.
6 Cấu trúc của luận án
Luận án gồm có các phần: Mở đầu, 4 chương, kết luận và kiến nghị những nghiên
cứu tiếp theo. Tổng cộng có 124 trang, trong đó có 86 hình, 25 bảng biểu và các
công thức tính toán. Phần phụ lục có 48 trang.
.

3


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU PHÂN
BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN CỌC BÊ TÔNG
CỐT THÉP VÀ NỀN ĐẤT YẾU
1.1

Một số tính chất đặc trưng của đất yếu ở ĐBSCL

Đất yếu có thể được định nghĩa là những loại đất không có khả năng tiếp nhận
tải trọng công trình nếu không có các biện pháp gia cố hoặc xử lý thích hợp.
ĐBSCL được hình thành và phát triển gần đây nên trầm tích chưa nén chặt, phổ
biến là trầm tích sông biển mềm yếu. Do đó, địa chất dưới nền móng của các
công trình nhà ở, nhà xưởng, đường xá, đê điều, đập chắn nước và một số công
trình khác ở đây thường đặt ra hàng loạt vấn đề cần phải giải quyết như sức
chịu tải của nền thấp, độ lún lớn.
1.2

Các giải pháp xử lý nền đất yếu dưới công trình

Việc xử lý nền đất yếu nhằm mục đích làm tăng sức chịu tải của nền đất, cải
thiện một số tính chất cơ lý của nền đất yếu như: giảm hệ số rỗng, giảm tính
nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số mô đun biến dạng, tăng cường độ chống cắt
của đất … đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. Đối với
công trình đường ở Việt Nam hiện nay, các biện pháp xử lý được phân chia làm
2 nhóm chính:
- Các biện pháp gia cường thường được áp dụng như: vải địa kỹ thuật, lưới địa
kỹ thuật, đất trộn vôi, đất trộn ximăng, Silicat hóa. Trong trường hợp này, đất
nền và đất trong khối đắp sau khi được gia cường có khả năng chịu tải cao hơn,
tính biến dạng giảm, từ đó độ ổn định của công trình được gia tăng và đảm bảo
điều kiện làm việc của công trình.
- Các biện pháp xử lý nền thường được áp dụng như cọc cát, giếng cát, bấc
thấm kết hợp gia tải trước hoặc bơm hút chân không. Trường hợp này, thời gian
cố kết đất nền được rút ngắn, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định để có thể đưa
công trình vào sử dụng.

4


1.3

Sự phân bố tải trọng của nền đất đắp

Nền dưới khối đắp thường có độ cứng khá lớn nên khối đất đắp không chỉ
truyền tải trọng bản thân, tải trọng ngoài mà còn có tải ngang gây ảnh hưởng
trượt của khối đất đắp. Xét điều kiện cụ thể trong trường hợp nền đất cứng thì
khối đắp ở vùng trung tâm không trượt. Trượt chỉ xuất hiện ở khối mái dốc. Tại

đáy mái dốc dưới tác dụng của trọng lượng bản thân khối đắp gây ra ứng suất
tiếp gây trượt ngang, trong khi đó ở vùng trung tâm gần như chỉ xuất hiện khi
ứng suất pháp gây thay đổi thể tích (trạng thái nén chặt). Tiêu chuẩn Anh [12]
cho phép xác định giới hạn trượt ngang và bắt buộc sự phù hợp giữa vải địa kỹ
thuật trong nền đắp có cường độ kéo theo chiều cao đắp.
1.4
1.4.1

Sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp không xử lý cọc
Sự phân bố ứng suất tiếp, ứng suất pháp

Cắt phần tử khối đất
đắp có bề rộng Δy, dài
vô hạn trên mái dốc
của nền đất đắp để
phân tích như hình 1.4
Hình 1.4 Ứng suất trong mái dốc theo Rendulic (1938) và
Schwarz (1963)

Ứng suất ngang của khối đất mái dốc được tính bằng phương pháp Rendulic
(1938) hoặc phương pháp Schwarz (1963) trong trường hợp khối đất đắp trên
nền đất yếu chịu tải ngang [10].
1.4.2

Ảnh hưởng biến dạng ngang do sự phân bố ứng suất cắt

Để tính toán biến dạng ngang
trong đất đắp trên nền đất yếu
không có vải. Chuyển vị ngang
tại đáy nền đất đắp do ứng suất

tiếp gây ra
Hình 1.5 Sự phân bố ứng suất lên vải theo Tolke
(1990)

5


Sự phân bố ứng suất cắt được mô tả trong hình 1.5 gây ra chuyển vị theo
phương ngang của nền đất yếu theo [13] và Geduln/Vollmert (2005). Ảnh
hưởng biến dạng ngang do ứng suất cắt trên nền đắp đã được phân tích cho thấy
tại trục tâm của nền đất đắp ứng suất tiếp bằng 0, ứng suất tiếp sẽ tăng dần đến
đỉnh mái dốc và đạt cực đại tại đây sau đó giảm dần và trở về tâm trục của khối
đất đắp.
1.4.3

Áp lực đất trong khối đắp trên nền không có cọc

Nền đất đắp có sử dụng vải địa kỹ
thuật trên nền đất yếu không kết
hợp cọc. Tải trọng của đất đắp sẽ
truyền lên nền đất yếu bên dưới
thông lớp vải địa kỹ thuật tạo sự
phân bố lại ứng suất làm nền lún
đều, giảm lún lệch (hình 1.7).
1.5

Hình 1.7 Lực kéo căng của vải trên nền yếu không
có cọc Kempfert et al. (1997) [9]

Sự phân bố ứng suất trong nền đất đắp có xử lý cọc kết hợp vải địa

kỹ thuật

Để gia tăng khả năng ổn định của
nền đất yếu và hạn chế độ lún của
khối đất đắp, cọc được hạ vào
trong nền đất yếu kết hợp vải địa
kỹ thuật để phân bố tải trọng lên
cọc (Hình 1.8). Theo [14], [15],
[16] vải địa kỹ thuật chịu hết toàn
bộ tải trọng ngang và chuyển vị

Hình 1.8 Mô hình đắp trên cọc kết hợp vải địa kỹ
thuật Kempfert et al. (1997) [9]

ngang từ ứng suất chống cắt.
Lực kéo căng trong vải do ảnh hưởng lực phân bố và hiệu ứng vòm trong nền
đất giữa hai phần tử cọc.

6


1.6
1.6.1

Ứng xử của cọc bê tông cốt thép dưới nền đất đắp
Phần tử cọc

Đặc trưng chủ yếu của cọc trong nền đất yếu là tăng độ bền và tăng ứng suất
bền trong đất dưới tác dụng lực phân bố ngang được chuyển tiếp từ nền đắp. Độ
lún của nhóm cọc và nền bên ngoài được nêu ra trong tiêu chuẩn Anh [12].

1.6.2

Ứng suất và chuyển vị ngang của cọc biên

Áp lực ngang trên mái dốc nền đắp gây ra lực ngang và ứng suất ngang trên cọc
biên. Ứng suất ngang tác dụng lên cọc phụ thuộc chủ yếu vào tương quan độ
cứng giữa cọc và đất. Ngoài ra còn có những nhân tố tương quan khác bao gồm
độ sâu của cọc và chiều dày lớp sét yếu theo [16].
1.7

Đặc điểm sự phân bố ứng suất trong đất đắp lên nền được xử lý cọc

Terzaghi đã chứng minh
mặt trượt của khối cát
bên trên thông qua mô
hình thí nghiệm cửa sập
khi dịch chuyển cửa sập
nhỏ và chậm khối cát bên
trên sẽ trượt theo mặt
a’a” và mặt b’b” dạng
xuyên hợp góc với mặt

Hình 1.17 Dạng cung trượt trong khối đắp khi cửa sập dịch
chuyển nhỏ theo Terzaghi

ngang một góc 450 như
hình

1.17.

Khi

dịch

chuyển cửa sập lớn và
nhanh khối cát bên trên
sẽ trượt theo mặt a’a” và
mặt

b’b”

dạng thẳng

đứng hợp góc với mặt
ngang một góc 900 như
hình 1.18 [22]

Hình 1.18 Dạng cung trượt trong khối đắp khi cửa sập dịch
chuyển lớn theo Terzaghi

7


1.7.1

Sự chuyển tiếp tải

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 vải
địa kỹ thuật sẽ có sự phân
bố lại ứng suất (hình
1.24).
1.7.2

Hình 1.24 Sự truyền tải (trọng lượng bản thân, tải trọng ngoài)
lên nền đất yếu xung quanh cọc (Li, 2002)

Các nhân tố trong đệm cát

Trong nền đất yếu xử lý cọc dưới lớp vải địa kỹ thuật có đất đắp. Vải sẽ bị căng
do tải trọng ngoài và trọng lượng bản thân đất đắp. Vải có tính mềm, dẻo nên
dưới tác dụng tải trọng (tải trọng ngoài và trọng lượng bản thân đất đắp) sẽ làm
cho vải căng tạo thành cung vòm trong đất.
1.8 Nhận xét chương
- Các kết quả nghiên cứu trên đều dựa theo phương pháp phân tích mô hình thu
nhỏ Marston và Anderson, mô hình cửa sập của Terzaghi, MC. Nulty mà chưa
xây dựng mô hình thực vì tỷ lệ mô hình thay đổi sẽ ảnh hưởng nhiều đến kết quả.
- Các kết quả phân tích hiệu ứng vòm đều dựa trên giả thuyết cọc không chuyển
vị đứng (do hạn chế kích thước mô hình), nhưng thực tế cọc chịu tải công trình
sẽ gây ra chuyển vị nhỏ. Điều này sẽ ảnh hưởng nhiều đến tính hiệu quả của
cung vòm, cũng như sẽ ảnh hưởng đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc.Các mô
hình thí nghiệm chủ yếu thay thế đất sét yếu là than bùn nên khi sử dụng kết
quả trong tính toán thiết kế chưa phù hợp với điều kiện đất sét yếu Việt Nam
nói chung và Đồng bằng sông Cửu Long nói riêng. Tất cả các kết quả nghiên
cứu đều dựa vào kết quả thí nghiệm mô hình thu nhỏ trong phòng. Chưa đánh
giá được ảnh hưởng của hiệu ứng cung vòm thay đổi như thế nào dưới những
tác động của biến đổi khí hậu như triều cường tăng cao hoặc mưa bão kéo dài

gây ngập úng cục bộ trong các công trình xử dụng giải pháp nền móng này.
Vấn đề này sẽ được Luận án tập trung nghiên cứu và làm sáng tỏ.
8


CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT VỀ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT
TRONG NỀN ĐẤT ĐẮP LÊN ĐẦU CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP
KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA KỸ THUẬT
2.1
2.1.1

Giải pháp xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật
Giới thiệu về giải pháp và mục tiêu nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự
phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất đắp và nền đất yếu có xử
lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật

Cải tạo đất yếu và kỹ thuật gia tải đã phát triển trong suốt nhiều thập kỷ qua ở
Việt Nam, được thể hiện qua việc gia tăng số lượng công trình trên đất yếu cần
có giải pháp cải tạo đạt hiệu quả kinh tế. Một trong những vấn đề rất khó xử lý
ở đường dẫn vào cầu đắp cao trong vùng đất yếu là độ chênh lệch lún của mố
cầu đặt trên cọc và phần đường đắp trên nền tự nhiên hoặc nền đã được gia cố
bằng các giải pháp nhưng vẫn còn lún nhiều. Giải pháp triệt để thường được sử
dụng là kéo dài chiều dài cầu để giảm chiều cao đất đắp hoặc sử dụng hệ giảm
tải bằng các bản bê tông cốt thép đặt trên nền cọc bê tông cốt thép gánh đỡ
đường đất đắp.
2.1.2

Đặc điểm tính toán cọc

Đất yếu không thể tiếp nhận tải trọng ngoài (tải trọng vật liệu san lấp, tải trọng
công trình…) vì nền sẽ bị lún và phá hoại. Cọc bê tông cốt thép trong nền đất
yếu sẽ tiếp nhận tải trọng ngoài. Cọc có thể thi công bằng phương pháp đóng
hoặc ép, có thể sử dụng cọc có tiết diện 15x15cm ÷ 30x30cm hoặc cọc tròn
đường kính 20cm ÷35cm, tuy nhiên có thể sử dụng cọc có đường kính đến
60cm. Trong trường hợp nền đất yếu bên dưới có chiều dày lớn ≥ 40m thì cọc
có thể thiết kế theo dạng cọc treo, nhưng tốt nhất để đạt hiệu quả cao trong xử
lý thì cọc nên cắm vào lớp đất tốt bên dưới. Giải pháp này xem như kém hiệu
quả trong nền đất yếu có chiều dày ≥ 40m. Cọc có thể sử dụng tiết diện bản
thân hoặc có thể mở rộng đầu cọc tạo thành bệ. Theo báo cáo của Syawal Satibi
năm 2007 viện nghiên cứu địa kỹ thuật IGS đại học Stuttgart (Đức) tỷ diện tích
cọc bê tông cốt thép chiếm chỗ trong đất yếu đạt hiệu quả trong giải pháp xử lý
là 4% ÷22% [32].
9


2.1.3

Đặc điểm tính toán vải địa kỹ thuật

Đất đắp trên nền xử lý cọc được gia cường vải địa kỹ thuật hoặc lưới địa kỹ
thuật. Vải địa kỹ thuật tạo mặt phẳng và bao trùm cả hệ cọc, nhận tải trong
ngoài trực tiếp truyền lên đầu cọc. Thực tế vải địa kỹ thuật sử dụng nhiều loại
khác nhau với các khả năng kéo căng của vải khác nhau từ 20÷110kN/m. Có
thể sử dụng nhiều lớp tùy thuộc vào loại công trình, tải trong và cốt liệu đắp.
Thông thường trong thiết kế thường sử dụng từ 1÷3 lớp [34].
2.2
2.2.1

Lý thuyết về sự phân bố ứng suất, biến dạng trong nền đất đắp trên

nền đất yếu có xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật
Định nghĩa cung vòm

Trong vùng biên của khối đắp chịu sự gánh đỡ của khối đất bên trên, đất có
khuynh hướng dịch chuyển ra xa trong khi phần còn lại vẫn không chuyển dịch.
Trong vùng chuyển tiếp giữa khối đất dịch chuyển và khối đất đứng yên, ứng
suất cắt được phát triển do tương quan chuyển vị giữa hai khối đất. Khi lực cắt
có khuynh hướng giữ khối đất đứng yên, ứng suất có giá trị bé ở dưới đỉnh và
ứng suất có khuynh hướng gia tăng ở phần ngoài. Sự chuyển tiếp ứng suất từ
điểm đỉnh của khối đất xuống bên dưới là do ảnh hưởng hiệu ứng cung vòm và
cung vòm trong đất được bao trùm, theo Terzaghi (1943) [21].
2.2.2

Cơ chế hình thành cung vòm

Theo Terzaghi (1943), cung vòm xuất hiện khi có sự duy chuyển giữa các hạt
theo phương ngang hoặc phương đứng trong giới hạn của khối đất. Cung vòm
chỉ được duy trì bởi ứng suất cắt trong đất. Nó không xuất hiện liên tục như
những trường hợp ứng suất khác trong đất. Nghiên cứu về sự phân bố ứng suất
trên mô hình cửa sập được thực hiện bởi Terzaghi (1943). Thí nghiệm được
thực hiện trong điều kiện sử dụng điều kiện cân bằng biến dạng của cửa sập dựa
trên góc tam giác của một thùng chứa đầy cát [21].
2.2.3

Lý thuyết cung vòm

Terzaghi (1943), đã đề nghị và giải phương trình cân bằng dựa trên mô hình
cửa sập, đồng thời đã vẽ đường ứng suất đứng trong cát đắp trong trường hợp
10

có hiệu ứng vòm và không có hiệu ứng vòm dựa trên quan hệ giữa hệ số tải
trọng (P/γH) và tỷ số hình dạng (H/B) [21].
2.2.4

Cung vòm trong nền xử lý cọc

Nền đất yếu xử lý cọc bê tông cốt thép sẽ làm thay đổi mô đun biến dạng đàn
hồi nguyên thủy của đất hay nói cách khác là làm thay đổi cấu trúc của đất nền
tự nhiên. Tuy nhiên nếu chúng ta sử dụng giải pháp xử lý nền bằng cọc bê tông
cốt thép trên kết hợp vải địa kỹ thuật thì hiệu quả xử lý nền sẽ cao, điều này có
được là do ảnh hưởng của hiệu ứng vòm trong lớp đệm cát, làm thay đổi môi
trường truyền tải trọng bản thân và tải trọng ngoài lên nền đất yếu. Nếu không
có ảnh hưởng hiệu ứng vòm tải trọng bản thân và tải trọng ngoài sẽ truyền trực
tiếp lên nền đất yếu bên dưới, gây ảnh hưởng lún nền lớn dẫn đến phá vỡ kết
cấu bề mặt bên trên. Dưới tác dụng của hiệu ứng cung vòm, lớp cát đắp sẽ làm
thay đổi phương và độ lớn của tải trọng bản thân và tải trọng ngoài truyền lên
nền đất yếu. Bằng những nghiên cứu thực nghiệm để xây dựng lý thuyết phân
bố tải trọng hay lý thuyết cung vòm trong giải pháp xử lý nền này [39],[40].
Cơ sở lý thuyết phát triển
dựa trên kết quả phân tích
của Bolton (1979) như
hình

2.6.

Hewlett

và

Randold (1998) đã đánh
giá tính hiệu quả của giải
pháp dựa trên tỷ diện tích
của đất yếu và cọc.
2.2.5

Hình 2.6 Phân tích lực tác dụng trên phần tử cung vòm [37]

Phân tích ảnh hưởng của vải địa kỹ thuật gia cường

Theo Jones (1990), ứng xử của vải địa kỹ thuật trên đầu cọc là do lực kéo căng
được gây ra bởi ứng suất kéo trong vải dưới tác dụng của tải trọng đắp, tải trọng
đắp càng lớn lực kéo căng trong vải càng tăng. Độ võng theo phương đứng của
vải phụ thuộc vào cấp tải trọng và trọng lượng bản thân của khối đất đắp [31].

11


Theo Fluet (1986), lực
kéo căng của vải địa
kỹ thuật được thể hiện
trong hình 2.15.

Hình 2.15 Cơ chế hình thành lực kéo căng của vải dưới tác dụng
của tải trọng ngoài [31]

2.2.6

Các thông số đánh giá mức độ cung vòm

Mức độ cung vòm trong cát đắp hoặc sự chuyển tiếp tải trọng đứng trong cọc
được tính toán theo phương pháp giải tích dựa vào các thông số sau [35], [37],
[43]: Hệ số tập trung ứng suất cọc, CSR (Concentration Stress Ratio), Hệ số
giảm ứng suất đất, SRR (Stress Reduction Ratio), Hệ số tập trung ứng suất, n và
E (Stress Concentration Ratio).
2.3

Nhận xét chương

Sự có mặt của cọc trong nền xử lý gây tác dụng phân bố lại ứng suất trong khối
đắp. Ứng suất tập trung lên đầu cọc hình thành do sự dịch chuyển không đồng
đều của đất nền trong khối đắp hình thành các mặt trượt khác nhau từ mặt
nghiêng, mặt trượt đứng và dạng vòm tròn theo các giả thuyết khác nhau.
Việc ứng dụng tính toán thiết kế giải pháp xử lý nền bằng cọc BTCT kết hợp
với vải địa kỹ thuật trong điều kiện địa chất Việt Nam nói chung và Đồng bằng
Sông Cửu Long nói riêng còn nhiều khó khăn. Do đó khi tính toán theo phương
pháp giải tích cần phải có giải pháp kiểm chứng kết quả tính toán tránh những
rủi ro xấu trong thiết kế vì mức độ ảnh hưởng hệ số cung vòm phụ thuộc vào
nhiều thông số khác nhau như chiều cao đắp, bề rộng cọc, khoảng cách cọc,
thành phần hạt của loại đất đắp, cường độ, sức căng vải địa kỹ thuật, độ lún của
đất yếu, độ lún của cọc BTCT.

12


CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐÁNH
GIÁ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN ĐẮP LÊN HỆ CỌC
BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT
3.1

Tổng quan về các cấu kiện chính phục vụ mô hình thực nghiệm

Phần lớn thiết bị đo ứng suất được sản xuất với nhiều loại và vật liệu khác
nhau. Hầu hết các thiết bị đều được nhập khẩu với giá cả khá cao. Việc sử dụng
các thiết bị đo ứng suất nhập khẩu cũng gặp nhiều khó khăn như: lắp đặt thiết
bị, hiệu chỉnh và ghi nhận kết quả đo. Người sử dụng phải dùng thiết bị ghi
nhận đồng bộ với thiết bị nên chi phí khá cao. Thực tế hiện nay, trong các công
trình xây dựng, việc tính toán và kiểm tra ứng suất trong quá trình thi công
thường không được kiểm chứng, điều này có thể dẫn đến kết quả tính toán và
thi công chưa giống nhau. Thiết bị đo ứng suất và biến dạng được dựa trên cơ
sở lý thuyết vật liệu đàn hồi tuân theo định luật Hooke.
3.2
3.2.1

Nguyên tắc xây dựng mô hình thực nghiệm
Giới thiệu

Để phân tích đánh giá qui luật phân bố ứng suất lên cọc và đất nền trong nền
đất đắp có nền được xử lý cọc BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật, chúng tôi chọn
lựa thí nghiệm với mô hình kích cỡ như thực tế. Ở đây, cọc BTCT được hạ vào
đất bằng phương pháp ép và các vật liệu đắp sử dụng vật liệu địa phương.
3.2.2

Mô hình tỷ lệ thực

Khi làm mô hình thực nghiệm thì tỷ lệ mô hình cần phải được nghiên cứu kỹ vì
mỗi loại mô hình có kích thước khác nhau cần qui đổi hay tạo gia tốc thì dữ liệu
thu thập mới có giá trị sử dụng và phù hợp.
3.3

Xây dựng mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm tỷ lệ thực 1:1 được xây dựng tại xã Tân Thạch huyện
Châu Thành tỉnh Bến Tre cách trạm thu phí cầu Rạch Miễu khoảng 20m, trên
nền đất yếu phổ biến của Đồng bằng sông Cửu Long. Kích thước của mô hình
thể hiện trong hình 3.1 và hình 3.2.

13


Hình 3.1 Mặt cắt mô hình thí nghiệm đánh giá
sự phân bố ứng suất trong nền đắp trên cọc
BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật

3.4

Hình 3.2 Mặt bằng mô hình thí nghiệm đánh
giá sự phân bố ứng suất trong nền đắp trên cọc
BTCT kết hợp vải địa kỹ thuật

Vật liệu thực nghiệm

3.4.1

Cọc bê tông:
Bảng 3.2 Những thông số đặc trưng của cọc BTCT trong mô hình

Kích thước cọc

Vật liệu

B20

Rb

Rbt

Eb

εb

Cọc

bêtông

(Mpa)

(Mpa)

(Mpa)

(Mpa)

(%)

20

11,5

0,9

2700

0,9

tiết diện 20x20(cm)

3.4.2

Cát thực nghiệm

Bảng 3.3 Những đặc tính cơ học của cát đắp đầu cọc sử dụng trong mô hình thí nghiệm

3.4.3

Dung trọng của cát đắp

γtn = 19kN/m3

Kích thước hạt lớn nhất chiếm 50% hạt

d50 = 0,3 ÷0,5mm

Góc nội ma sát

φ’ =300 khi K = 0,9

Mô đun đàn hồi

E50 = 30.000 kN/m2 khi K = 0,9

Vải địa kỹ thuật
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật vải dệt Woven Geotextile trong mô hình thí nghiệm

Thông số kỹ thuật
Loại vải

Đơn vị
-

Woven Geo – Textile, Lot No 13-14 của Kolon
Global Corp
PET (Polyster)

Cường độ thông thường

kN/m

Dài/rộng 100/50

Cường độ giới hạn

kN/m

110

Lực kéo lớn nhất

kN/m

Dài/rộng 100/100

Biến dạng phá hoại

%

10/10

14


3.4.4

Đất yếu

Nền đất yếu đặc trưng của đồng bằng sông Cửu Long cách trạm thu phí cầu
Rạch Miễu khoảng 20m. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý, thí nghiệm nén cố kết,
thí nghiệm nén đơn, thí nghiệm 03 trục theo sơ đồ UU, CU.
3.5
3.5.1

Thiết bị ghi nhận biến dạng
Tổng quan

Ảnh hưởng lực phân bố của nền đắp được quan sát và nghiên cứu từ mô hình
thực nghiệm tỷ lệ thực 1:1 thông qua lực kéo căng trong vải và phân bố ứng
suất trong nền đắp. Các thiết bị đo biến dạng ghi lại được những số liệu theo
từng thời điểm đo với mức độ chính xác cao.
3.5.2

Chế tạo thiết bị thực nghiệm

Cảm biến đo biến dạng (ε) dưới tác dụng của ngoại lực tác dụng. Biến dạng (ε)
thay đổi về kích thước hình học của vật liệu. Biến dạng trên được ghi nhận dưới
hình thức kéo hoặc nén, là tỷ số giữa kích thước thay đổi và kích thước ban đầu.
Thiết bị đo ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng được chế tạo hoàn thành (hình 3.9).

Hình 3.1 Thiết bị đo biến dạng được chế tạo hoàn thành

3.5.3

Chuẩn hóa thiết bị đo biến dạng

Chuẩn hóa thiết bị bằng cách ghi nhận các áp suất nước (N/m2) thu được từ
thiết bị đo P3 được kết nối với máy tính thông qua các cấp áp lực của trụ nước
tương ứng với các chiều cao trụ nước như bảng 3.5 (với chiều cao cột trụ lớn
nhất Hc = 9,4m).

15


Hình 3.13 Biểu đồ chuẩn hóa các đường áp lực của thiết bị P3 trong 5 lần đo.

Kết quả chuẩn hóa thiết bị cho thấy giá trị ứng suất thu được thông qua thiết
bị ghi nhận cảm biến P3 của 14 thiết bị có khuynh hướng hồi quy giá trị ứng
suất theo hình 3.13. Giá trị ứng suất thu được của 14 thiết bị đều chênh lệch
nhau không xa. Điều này cho thấy thiết bị sử dụng đo ứng suất hoạt động tốt
và có sai lệch thấp.
Chuẩn hóa giá trị ứng suất của thiết bị ghi nhận cảm biến P3 qua 5 lần kiểm

tra đều có khuynh hướng hồi quy theo hình 3.13. Thông qua 5 phương trình
đường cong cho thấy số liệu đo của 5 lần kiểm tra tương đối chính xác và
không sai lệch.
3.6

Nhận xét chương

- Làm được thiết bị đo ứng suất có thể sử dụng lắp đặt vào mô hình thí nghiệm
để đo biến dạng, chuyển vị từ đó xác định ứng suất và độ lún.
- Chuẩn hóa được thiết bị đo ứng suất thông qua kiểm chứng thiết bị bằng cách
gia tải lên và ghi nhận số liệu một cách rõ ràng và chính xác bằng phương pháp
tính giải tích. Sau khi chuẩn hóa thiết bị cho kết quả sai số không đáng kể.
- Tất cả các thiết bị có thể sử dụng lắp đặt vào mô hình thí nghiệm và đo được
các giá trị ứng suất tại các điểm đo.

16


CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG NỀN
ĐẮP LÊN HỆ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VỚI VẢI ĐỊA
KỸ THUẬT
4.1
4.1.1

Đặc điểm phân bố ứng suất trong nền đắp lên cọc và đất nền bên
trên nền đất được xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật
Chi tiết về điểm đo và đặc điểm ghi nhận biến dạng từ đó xác định ứng
suất trong quá trình gia tải

Mô hình thí nghiệm với 16 cọc BTCT làm việc trong môi trường thực tế, thí

nghiệm chỉ lấy bốn cọc giữa tâm của mô hình. Bốn cọc giữa tâm của mô hình
thí nghiệm và vị trí các đầu đo thể hiện ở hình 4.1 và 4.2.

Hình 4.2 Mặt cắt giữa tâm diện gia tải đặt đầu
đo ứng suất

Hình 4.1 Mặt bằng vị trí đặt đầu đo ứng suất
giữa tâm mô hình thí nghiệm

Kết quả đo đạc ứng suất từ các đầu đo trong quá trình gia tải đến tải trọng
q=15kN/m2 thể hiện như ở hình 4.3 và hình 4.4. Từ biểu đồ có thể thấy rằng
ứng suất gia tăng liên tục trong quá trình gia tải từ từ.

17


Hình 4.3 Ứng suất theo phương đứng và phương ngang tại các đầu đo khi tải trọng ngoài đạt
15kN/m2

Hình 4.4 Ứng suất theo phương đứng tại đầu đo Ps9 và Ps10 khi tải trọng ngoài đạt 15kN/m2

4.1.2

Đặc điểm phân bố ứng suất lên cọc và đất nền ứng với tải trọng đắp
cao và ảnh hưởng thời gian và sự dao động mực nước

Việc xử lý nền cần thiết khi tải trọng của khối san lấp có giá trị khá lớn, tương
ứng với các trường hợp này là tải trọng của đường đắp cao đầu cầu, đê ngăn lũ
hay một số trường hợp phổ biến khác của khu vực. Tải trọng thí nghiệm chọn
lựa cho thí nghiệm trong trường hợp này có giá trị q = 48kN/m2, tương ứng với

chiều cao đắp với vật liệu địa phương (2,5 ÷ 2,52m). Hình 4.9 là biểu đồ hệ
số tập trung ứng suất qua 08 lần đo.

18


Hình 4.9 Hệ số ứng suất đứng tác dụng lên cọc và đất giữa hai cọc

4.2

So sánh phân bố ứng suất trong nền đắp theo phương pháp giải tích
và phương pháp đo từ mô hình thí nghiệm hiện trường

Ứng suất do tải trọng bản thân trong nền đất đắp phát triển tuyến tính theo độ
sâu. Khi có mực nước ngầm gia tăng ứng suất của phần đất ngập trong nước
thay đổi do hiện tượng đẩy nổi tự nhiên. Khi có cung vòm xuất hiện, ứng suất
do tải trọng bản thân trong nền đất đắp thay đổi đáng kể do ảnh hưởng hiệu ứng
cung vòm nên một phần ứng suất có khuynh hướng phân bố tập trung vào đầu
cọc, điều này làm cho ứng suất phân bố lên nền đất giảm. Khi hạ mực nước
ngầm, ứng suất phân bố trong nền đất yếu cũng gia tăng đáng kể và ứng suất
tập trung đầu cọc giảm (hình 4.10).

Hình 4.10 So sánh ứng suất theo phương đứng được tính bằng phương pháp giải tích và kết
quả đo từ mô hình thí nghiệm.

Phân tích kết quả tính bằng phương pháp giải tích cho công trình thực xây dựng
trên đất yếu ĐBSCL với số liệu sau: Cọc có tiết diện a x a = 20cm x 20cm;
19

Khoảng cách cọc S = 1,0m; Cát đắp trên đầu cọc H = 1,6m, cát đắp có góc nội
ma sát φ = 280, tải ngoài tác dụng phân bố đều q = 48kN/m2 (hình 4.11).

Hình 4.11 Biểu đồ so sánh hệ số giảm ứng suất theo các tác giả

4.3

Phân tích ứng suất phân bố trên nền đất yếu bằng phương pháp
phần tử hữu hạn

Để phân tích đánh giá so sánh sự phân bố ứng suất lên cọc và đất nền trong
khối đắp trên nền được xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật được
mô phỏng bằng phương pháp PTHH trên cơ sở phần mềm Plaxis. Kích cỡ mô
hình mô phỏng tương tự như mô hình thí nghiệm được thể hiện ở hình 4.14.
Thiết lập lại mô hình sử dụng cọc bê
tông cốt thép có cấp độ bền B.20 tiết
diện 200x200mm không mở rộng
đầu khoảng cách từ tim cọc đến cọc
1,0m, sử dụng một lớp vải địa kỹ
thuật Mac 110 (cường độ chịu kéo
Rk = 110kN/m, độ dãn dài ε = 10%)
đặt trên đầu các cọc, chiều cao cát
đắp là 1,6m, lớp nền bê tông cốt
thép dày 200mm. Tiến hành mô
phỏng bằng phần mềm Plaxis.

Hình 4.14 Sơ đồ mô hình mô phỏng cho 04 cọc
giữa

20

Kết quả phân tích ứng suất phân bố trong nền đắp tại các điểm theo chiều cao
đất đắp với khoảng cách từ tim cọc đến tim cọc S = 1,0m được thể hiện trong
hình 4.17. Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc theo chiều cao đất đắp được thể
hiện trong hình 4.18.

Hình 4.17 Ứng suất đứng phân bố ở các độ sâu
khác nhau

4.4
4.4.1

Hình 4.18 Hệ số tập trung ứng suất theo
chiều cao đất đắp với khoảng cách cọc 1,0m

Ảnh hưởng của mực nước ngầm đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc
Tổng quan

Hiện nay một số công trình thi công và đưa vào sử dụng thì xuất hiện một số
vấn đề như lún hoặc nứt kết cấu bề mặt do hạ mực nước khi mực nước ngầm
sau thời gian tăng do triều cường kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng cục bộ.
Việc đánh giá ảnh hưởng sự phân bố ứng suất trong nền đắp do hạ mực nước
khi mực nước ngầm sau thời gian tăng do triều cường kết hợp với mưa kéo dài
gây ngập úng cục bộ là cần thiết.
4.4.2

Kết quả đo mực nước thu được tại trạm đo Tp. Mỹ Tho

Trên cơ sở số liệu thu thập được của mô hình thí nghiệm ban đầu. Mô hình thí

nghiệm được xây dựng trong tháng 4/2013 và số liệu thu được lần đầu vào
30/4/2013 ở cấp tải phân bố đều q = 15kN/m2. Như vậy số liệu ghi nhận ở lần
đo ngày 30/6/2013 và số liệu ghi nhận ở lần đo ngày 30/11/2013 thì cao độ mực
nước chênh lệch là 63 cm.

21


4.4.3

Kết quả đo biến dạng để xác định ứng suất từ mô hình thực nghiệm
thu được ở lần đo khi mực nước sông dâng cao 63cm và tải trọng
ngoài phân bố q = 48kN/m2

Trong thời gian đo đạt triều cường gia tăng vào ngày 30/11/2013 mực nước
triều cường tăng cao 63cm, tải trọng ngoài phân bố đạt q = 48 kN/m2. Kết quả
ứng suất theo phương đứng tại đầu đo thể hiện ở hình 4.19 và kết quả ứng suất
theo phương đứng tại đầu đo Ps9 và Ps1 thể hiện ở hình 4.21

Hình 4.19 Ứng suất

theo phương đứng và phương ngang tại các đầu đo khi tải
trọng ngoài đạt 48kN/m2 và mực nước sông dâng cao 63cm

Hình 4.21 Ứng suất

theo phương đứng tại đầu đo Ps9 và Ps1 khi tải trọng
ngoài đạt 48kN/m2 và mực nước sông dâng cao 63cm

4.5

4.5.1

Nhận xét, kết quả nghiên cứu của luận án
Nhận xét

- Các phương pháp tính ứng suất phân bố trên nền đất đắp cũng như tính tập
trung ứng suất trên đầu cọc và ứng suất lên nền đất yếu chưa xét đến ảnh

22


hưởng do hạ mực nước khi mực nước ngầm sau thời gian tăng do triều cường
kết hợp với mưa kéo dài gây ngập úng cục bộ.
- Các phương pháp tính ứng suất phân bố trên nền đất đắp cũng như tính tập
trung ứng suất trên đầu cọc đều xem nền đất yếu bên dưới làm việc đàn hồi
hoàn toàn.
- Các phương pháp tính ứng suất phân bố trên nền đất đắp cũng như tính tập
trung ứng suất trên đầu cọc đều dựa trên kết quả thu được từ mô hình thí
nghiệm trong phòng khi nền đất yếu được thay thế bằng than bùn.
4.5.2

Kết quả nghiên cứu

1. Ứng suất hữu hiệu theo phương đứng phân bố trên bề mặt lớp đất yếu và
trong trong nền đất đắp theo độ sâu và chiều cao tường lớp là không như nhau.
Càng gần đầu cọc giá trị ứng suất hữu hiệu theo phương đứng càng lớn và giá
trị ứng suất giảm dần và nhỏ nhất tại điểm giữa các cọc và cách xa đầu cọc gần
tấm bê tông nền.
2. Khi ảnh hưởng của mưa bão kéo dài gây ngập ứng cục bộ, ứng suất tổng tác
dụng lên các cọc gia tăng, trong khi ứng suất tổng tác dụng lên đất nền không

thay đổi đáng kể.
3. Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc có giá trị lớn khi vừa san lấp và đầm chặt
do ảnh hưởng của quá trình thi công, sau đó giảm dần và ổn định sau khoảng
một tháng kể từ khi thi công hoàn thành.
4. Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ
thuật trong điều kiện địa chất ven sông Tiền, địa phận tỉnh Bến Tre, đạt giá trị n
= [4÷10]. Giá trị này có thể loại trừ do ảnh hưởng của quá trình thi công, cũng
như các yếu tác động do mưa bão gây ngập úng công trình sẽ ảnh hưởng nhiều
đến hệ số tập trung ứng suất đầu cọc. Trong điều kiện tính toán nền móng công
trình không chịu ảnh hưởng nhiều của mưa bão gây ngập úng công trình có thể
23


tính giá trị n = [6÷8]. Trong điều kiện công trình chịu ảnh hưởng nhiều của mưa
bão gây ngập úng hoặc các công trình ven sông thường xuyên chịu ảnh hưởng
của triều cường có thể tính giá trị n = [4÷6] thiên về an toàn cho nền.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Kết luận
Trên cơ sở nghiên cứu sự phân bố ứng suất trong nền đắp và nền đất yếu có xử
lý cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ kết hợp với vải địa kỹ thuật dưới công trình
đắp cao theo phương pháp giải tích, thí nghiệm mô hình, phần tử hữu hạn, các
kết luận của luận án được rút ra như sau:
1. Ứng suất hữu hiệu theo phương đứng phân bố trên bề mặt lớp đất yếu trong
nền đất được xử lý cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật là không như
nhau. Ở đây càng gần cọc giá trị ứng suất hữu hiệu theo phương đứng trong
khối đắp trên lớp vải địa kỹ thuật càng lớn và giá trị ứng suất giảm dần và nhỏ
nhất tại điểm giữa các cọc. Kết quả nghiên cứu này phù hợp với các kết quả
nghiên cứu đã có.
2. Khi ngập nước, ứng suất tổng tác dụng lên các cọc gia tăng, trong khi ứng
suất tổng tác dụng lên đất nền không thay đổi đáng kể. Do đó, hệ số tập trung

ứng suất n nhỏ vào mùa khô và tăng cao vào mùa mưa khi ngập nước.
3. Kết quả thí nghiệm đo đạc cho thấy hệ số tập trung ứng suất có giá trị lớn khi
vừa san lấp và đầm chặt, sau đó giảm dần và ổn định sau khoảng một tháng.
4. Hệ số tập trung ứng suất đầu cọc (n) cho giải pháp xử lý nền đất yếu bằng
cọc bê tông cốt thép kết hợp với vải địa kỹ thuật trong điều kiện địa chất khu
vực ven sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Bến Tre, n = [4÷6]. Hệ số tập trung ứng
suất đầu cọc theo thí nghiệm mô hình có giá trị chênh lệch xấp xỉ 20% với kết
quả tính theo phương pháp phần tử hữu hạn.
24


2. Kiến nghị
Từ kết quả nghiên cứu, một số kiến nghị được rút ra bổ sung cho tính toán giải
pháp xử lý nền bằng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật như sau:
1. Do ứng suất tập trung vào cọc lớn khi vừa thi công đầm chặt đất nền. Trong
quá trình thi công cần lưu ý tính toán cọc thiên về an toàn và đủ khả năng chịu
lực trong thời gian này.
2. Khi mực nước ngầm dâng cao, áp lực lên cọc có thể lớn hơn cũng cần lưu ý
ảnh hưởng của cột nước trong tính toán khả năng chịu lực của cọc.
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo
1. Thực hiện thí nghiệm hiện trường tỉ lệ thật 1:1và thí nghiệm mô hình thu nhỏ
trong phòng để tìm sai lệch giá trị ứng suất đầu cọc và ứng suất phân bố trong
nền đất yếu từ đó hiệu chỉnh phương pháp tính theo giải tích trong điều kiện địa
chất đồng bằng sông Cửu Long.
2. Thí nghiệm mô hình thu nhỏ trong phòng, đo ứng suất liên tục theo thời gian
và đo thời gian dài để xác định sự phát triển hệ số tập trung ứng suất theo thời
gian và so sánh bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
3. Nghiên cứu sự thay đổi hệ số tập trung ứng suất theo thời gian trong trường
hợp mực nước ngầm ổn định và mực nước sông dâng cao.

25