Nghiên cứu giải pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát ứng dụng cho tuyến đường tránh nhà máy nhiệt điện long phú, tỉnh sóc trăng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.86 MB, 103 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PPNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
---------------
TRẦN THANH TÂM
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC
CÁTỨNG DỤNG CHO TUYẾN ĐƯỜNG TRÁNH NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ, TỈNH SÓC TRĂNG
Chuyên ngành:
ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Mã số:
60 58 02 04
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS BÙI VĂN TRƯỜNG
HÀ NỘI - 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn
Trần Thanh Tâm
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cám ơn các thầy cô giảng dạy trong bộ môn, khoa Công trình, khoa sau đại
học- Trường Đại học Thủy Lợi.
Tôi xin chân thành cám ơn, PGS. TS Bùi Văn Trường là người hướng dẫn khoa học
đã hết sức tận tâm nhiệt tình giúp tôi hoàn thành luận văn này.Tôi xin cám ơn sự quan
tâm góp ý của các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ trong bộ môn Địa kỹ thuật, khoa
Công trình, trường Đại học Thủy Lợi.
Tôi cũng xin cám ơn sự ủng hộ, động viên tinh thần nhiệt tình của lãnh đạo công ty,
gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH........................................................................................ v
DANH MỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................. viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ ....................... ix
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHUƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CỌC CÁT ....................................... 3
1.1. Khái quát về nền đất yếu ................................................................................... 4
1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cọc cát .............................................................. 6
1.2.1. Khái niệm cọc cát ........................................................................................... 6
1.2.2. Đặc điểm, điều kiện làm việc của cọc cát ........................................................ 6
1.2.3.Tình hình nghiên cứu cọc cát ........................................................................... 9
1.2.4.Tình hình ứng dụng của cọc cát ..................................................................... 26
1.3 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 28
CHUƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CỌC
CÁT...................................................................................................................... 30
2.1. Trình tự tính toán của cọc cát .......................................................................... 31
2.2.Tính toán, thiết kế của cọc cát........................................................................... 32
2.2.1. Xác định hệ số rỗng enc của nền đất sau khi được nén chặt bằng cọc cát: ....... 32
2.2.2. Xác định diện tích nền được nén chặt. ........................................................... 33
2.2.3 Xác định số lượng cọc cát .............................................................................. 34
2.2.4. Bố trí cọc cát: ............................................................................................... 34
2.2.5. Xác định độ đầm nện trong cọc cát:............................................................... 39
2.2.6. Xác định chiều sâu nén chặt của cọc cát: ....................................................... 40
2.2.7. Xác định sức chịu tải của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát .................... 42
2.2.8. Độ lún của nền đất sau khi nén chặt bằng cọc cát .......................................... 43
2.3. Biện pháp thi công gia cố nền đất yếu bằng cọc cát: ......................................... 43
2.4. Kiểm tra nền cọc cát sau khi thi công: .............................................................. 47
2.5. Kết luận chương II: ......................................................................................... 48
iii
CHUƠNG III TÍNH TOÁN ỨNG ỤNG XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC CÁT CHO
TUYẾN ĐƯỜNG TRÁNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LONG PHÚ, TỈNH SÓC
TRĂNG ................................................................................................................ 49
3.1. Khái quát chung về công trình ......................................................................... 49
3.1.1 Giới thiệu về công trình ................................................................................. 49
3.1.2. Điều kiện tự nhiên ........................................................................................ 51
3.2. Các thông số về vật liệu và tải trọng của công trình .......................................... 57
3.2.1. Các thông số, yêu cầu vật liệu sử dụng .......................................................... 57
3.2.2. Chiều cao đắp và tải trọng tính toán .............................................................. 58
2.2.3. Các yêu cầu kỹ thuật của công trình .............................................................. 60
3.3. Tính toán và thiết kế xử lý nền bằng cọc cát ..................................................... 61
3.3.1. Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km 0+750 đến Km 2+300 .................................. 61
3.3.2.Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km2+300 đến Km 3+000 .................................... 64
3.3.3. Thiết kế xử lý phân đoạn từ Km0+000 đến Km0+750. ................................. 67
3.4. Tính toán biến dạng và ổn định nền đường ....................................................... 70
3.4.1. Phương pháp tính toán .................................................................................. 70
3.4.2. Giới thiệu về phần mềm Plaxis ..................................................................... 71
3.4.3 . Mô hình tính toán ........................................................................................ 72
3.4.5 . Phân tích kết quả tính toán ........................................................................... 87
3.5. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO: ..................................................................................... 91
iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Minh họa cho nền đất hỗn hợp ....................................................................... 10
Hình 1.2 Minh họa cho nền đất được cải tạo................................................................. 14
Hình 1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích thay thế trên đường cong thời gian lún của nền
cải tiến............................................................................................................................ 24
Hình 1.4 Ảnh hưởng của tập trung ứng suất đến hiện tượng cố kết.............................. 25
Hình 2.1. Biểu đồ đường cong nén lún e = f(P) ............................................................ 32
Hình 2.2: Bố trí cọc cát và phạm vi nén chặt đất nền.................................................... 34
Hình 2.3: Sơ đồ bố trí cọc cát ........................................................................................ 35
Hình 2.4: Biểu đồ xác định khoảng cách giữa cọc cát .................................................. 36
Hình 2.5: Lưới tam giác đều .......................................................................................... 41
Hình 2.6 : Trình tự thi công cọc cát............................................................................... 44
Hình 2.7: Mũi cọc bằng đệm gỗ và bằng mũi cọc có bản lề ......................................... 45
Hình 2.8: Thiết bị đóng cọc cát không dùng ống thép .................................................. 47
Hình 3.1: Sơ đồ tính toán tải trọng xe ........................................................................... 59
Hình 3.2: Sơ đồ xác định chiều cao đắp bù lún ............................................................. 60
Hình 3.3: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km0+750 –Km2+300 .................................. 64
Hình 3.4: Mặt cắt ngang A-A xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km0+750 – Km2+30064
Hình 3.5: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km2+300- Km 3+0.00 ................................ 67
Hình 3.6: Mặt cắt ngang B-B xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km2+300- Km
3+0.00 ............................................................................................................................ 67
Hình 3.7: Sơ đồ bố trí cọc cát phân đoạn Km0+000 – Km0+750 ................................. 70
Hình 3.8: Mặt cắt ngang C-C xử lý nền bằng cọc cát phân đoạn Km0+000 – Km0+75070
Hình 3.9. Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc cát
cho phân đoạn đường Km0+750 –Km2+300 ................................................................ 73
Hình 3.10. Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc
cát cho phân đoạn đường Km2+300 đến Km 3+000 .................................................... 73
Hình 3.11. Mô hình Plaxis mô phỏng khối đắp và nền đã được xử lý gia cố bằng cọc
cát cho phân đoạn đường Km0+000 đến Km0+750 ..................................................... 74
v
Hình 3.12. Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát phân đoạn
đường Km0+750 –Km2+300 ........................................................................................ 75
Hình 3.13. Lún nền trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát phân đoạn đường
Km0+750 –Km2+300 ................................................................................................... 75
Hình 3.14. Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn
đường
Km0+750 –Km2+300 ................................................................................................... 76
Hình 3.15. Lún nền trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn đường Km0+750 –
Km2+300 ....................................................................................................................... 76
Hình 3.16. Chuyển vị lưới trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+750 –
Km2+300 ....................................................................................................................... 77
Hình 3.17. Chuyển vị thẳng đứng trong giai đoạn sử dụng phân đoạn
đường
Km0+750 –Km2+300 ................................................................................................... 77
Hình 3.18. Lún nền trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+750 –Km2+30078
Hình 3.19. Lún mặt đường trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+750 –
Km2+300 ....................................................................................................................... 78
Hình 3.20. Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát phân đoạn
đường Km2+300 đến Km 3+000 .................................................................................. 79
Hình
3.21.
Lún
nền
trong
giai
đoạn
thi
công
cọc
cát
và
đệm cát
phân đoạn đường Km2+300 đến Km 3+000 ................................................................ 79
Hình 3.22. Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn
đường
Km2+300 đến Km 3+000.............................................................................................. 80
Hình 3.23. Lún nền trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn đường Km2+300 đến
Km 3+000 ...................................................................................................................... 80
Hình 3.24. Chuyển vị lưới trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km2+300 đến
Km 3+000 ...................................................................................................................... 81
Hình 3.25. Chuyển vị thẳng đứng trong giai đoạn sử dụng phân đoạn
đường
Km2+300 đến Km 3+000.............................................................................................. 81
Hình 3.26. Lún nền trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km2+300 đến Km
3+000 ............................................................................................................................. 82
Hình 3.27. Lún mặt đường trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km2+300 đến
Km 3+000 ...................................................................................................................... 82
vi
Hình 3.28. Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát phân đoạn
đường Km0+000 đến Km0+750.................................................................................... 83
Hình 3.29. Lún nền trong giai đoạn thi công cọc cát và đệm cát phân đoạn đường
Km0+000 đến Km0+750 ............................................................................................... 83
Hình 3.30. Chuyển vị lưới trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn
đường
Km0+000 đến Km0+750 ............................................................................................... 84
Hình 3.31. Lún nền trong giai đoạn thi công đắp đất phân đoạn đường Km0+000 đến
Km0+750 ....................................................................................................................... 84
Hình 3.32. Chuyển vị lưới trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+000 đến
Km0+750 ....................................................................................................................... 85
Hình 3.33. Chuyển vị thẳng đứng trong giai đoạn sử dụng phân đoạn
đường
Km0+000 đến Km0+750 ............................................................................................... 85
Hình 3.34. Lún nền trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+000 đến
Km0+750 ....................................................................................................................... 86
Hình 3.35. Lún mặt đường trong giai đoạn sử dụng phân đoạn đường Km0+000 đến
Km0+750 ....................................................................................................................... 86
vii
DANH MỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Hệ số ղ .......................................................................................................... 37
Bảng 3.1. Các thông số tính toán của từng lớp phân đoạn từ Km 0+750 đến Km 2+30062
Bảng 3.2 Các thông số mô hình .................................................................................... 72
Bảng 3.3. Bảng tổng hợp kết quả tính toán chuyển vị trong giai đoạn thi công và sử
dụng đường .................................................................................................................... 87
viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
ĐHTL Đại học Thủy lợi
LVThS Luận văn Thạc sĩ
ix
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thực tế xây dựng hiện nay tại đồng bằng Sông Cửu Long, giải pháp xử lý nền
đất yếu bằng biện pháp lèn chặt đất bằng cọc cát nhằm đảm bảo sự ổn định lâu dài
về nền móng công trình là giải pháp được ứng dụng khá phổ biến. Tuy nhiên vấn đề
tính toán, thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, đặc biệt là độ lún của nền móng
còn có những hạn chế chưa phù hợp với thực tế gây tốn kém lãng phí, ảnh hưởng
đến ổn định công trình. Với các công trình xử lý nền đất yếu bằng cọc cát, cần xác
định các thông số như hệ số rỗng của đất, diện tích nền được nén chặt, số lượng
cọc,…. Vì vậy việc nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp, đánh giá
đầy đủ các thông số đất nền đưa vào tính tính toán, thiết kế để có được đề xuất giải
pháp công trình phù hợp trong điều kiện xây dựng ở địa phương, đảm bảo sự an
toàn ổn định lâu dài của công trình là việc làm cần thiết và cấp bách, có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn.
2. Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài luận văn là trên cơ sở nghiên cứu, tính toán lý thuyết và thực
nghiệm tại hiện trường để lựa chọn phương pháp, thông số thiết kế giải pháp xử lý nền
bằng cọc cát phù hợp với đặc điểm nền đất yếu, đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là tính toán, thiết kế xử lý nền đất yếu bằng cọc
cát , ứng dụng cho công trình ở Sóc Trăng.
4. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài, Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu những nội dung
sau:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, lựa chọn các thông số thiết kế xử
lý nền đất yếu bằng cọc cát;
- Ứng dụng thiết kế xử lý nền bằng cọc cát cho công trình thực tế tuyến đường tránh
nhà máy nhiệt điện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng;
1
- Nghiên cứu phân tích đánh giá khả năng làm việc của nền sau khi gia cố bằng cọc
cát, từ đó kiến nghị lựa chọn tính toán thiết kế phù hợp, nhằm đảm bảo hiệu quả kinh
tế - kỹ thuật của giải pháp.
5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng tổ hợp các phương pháp sau:
- Phương pháp tổng hợp, phân tích, tính toán lý thuyết để thu thập, tổng hợp tài liệu
địa chất, phân tích các phương pháp tính toán gia cố nền bằng cọc cát; xử lý và lựa
chọn thông số thiết kế cọc cát;
- Phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu sự làm việc thực tế của nền công trình xử lý
bằng cọc cát ;
- Phương pháp mô hình số: Sử dụng phần mềm Plaxis, để mô phỏng, tính toán, thiết kế
xử lý nền đất yếu bằng cọc cát.
6. Kết quả đạt được
- Tình hình nghiên cứu, ứng dụng; cơ sở lý thuyết, phương pháp tính toán, thiết kế gia
cố nền bằng cọc cát;
- Nắm được phương pháp tính toán, thiết kế xử lý bằng cọc cát phù hợp đặc điểm nền
đất yếu ở địa phương;
- Ứng dụng thiết kế xử lý bằng cọc cát cho công trình cụ thể là tuyến đường tránh nhà
máy nhiệt điện Long Phú, tỉnh Sóc Trăng.
2
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU VÀ CỌC CÁT
Ở Việt Nam, vùng đất yếu có chiều dày lớn phân bố ở các tỉnh thuộc đồng bằng sông
Hồng, đồng bằng sông Cửu Long, vùng bồi tích miền Trung và những vùng cửa sông
ven biển. Thường những vùng này có mật độ dân cư lớn, kinh tế xã hội, các cơ sở hạ
tầng, hệ thống công trình đang ngày càng phát triển. Như vậy việc nghiên cứu xây
dựng các công trình trên nền đất yếu là việc làm mang lại lợi ích rất to lớn cho xã hội,
tạo sự phát triển, đẩy nhanh quá trình hội nhập phát triển kinh tế. Tuy nhiên việc xây
dựng công trình trên nền đất yếu là rất phức tạp, đặc biệt là trong vấn đề xử lý nền
móng công trình.
Hiện nay, để xây dựng công trình trên nền đất yếu, có một số các phương pháp xử lý
nền đất yếu như sau:
Xử lý nền bằng cơ học (Phương pháp làm chặt bằng đầm, bằng chấn động, bằng các
loại cọc; Phương pháp thay đất; Phương pháp nén trước sau đó mới xây dựng công
trình);
Xử lý nền bằng vật lý (Phương pháp hạ mực nước ngầm; Phương pháp giếng cát;
Phương pháp điện thấm);
Xử lý nền bằng hoá học,...
Trong số các phương pháp đã nêu trên, ứng với mỗi một công trình ta có thể áp dụng
với một phương pháp cụ thể sao cho phù hợp với điều kiện địa chất tại nơi xây dựng
công trình. Tuy nhiên cũng cần phải lựa chọn phương pháp xử lý nền sao cho thoả
mãn được cả hai yêu cầu về mặt kỹ thuật và kinh tế của công trình. Với tình hình đất
yếu ở nước ta hiện nay, trong số các phương pháp xử lý nền đất yếu nêu trên thì
phương pháp xử lý nền đất yếu bằng cọc cát là một trong những phương pháp xử lý
nền tốt, mang lại hiệu quả kinh tế cao và an toàn cho công trình, phù hợp với điều kiện
xây dựng nước ta. Phương pháp này có những tác dụng đối với công trình như sau:
Làm tăng độ chặt của đất nền dẫn đến sức chịu tải của nền tăng lên đáng kể;
3
Tăng nhanh tốc độ cố kết của đất nền, do đó làm cho công trình xây ở trên đó nhanh
chóng đạt đến giới hạn về lún, đồng thời làm cho đất nền có khả năng biến dạng đồng
đều.
Việc nghiên cứu và tính toán phương pháp cọc cát xử lý nền đất yếu đã trải qua một
thời gian dài với nhiều những nghiên cứu khác nhau về phương pháp này, các nghiên
cứu đều nhằm một mục đích là hoàn thiện hơn phương pháp. Trong tính toán thiết kế
xử lý nền đất yếu bằng phương pháp cọc cát hiện nay, đã có một số các tài liệu phản
ánh được đầy đủ cả hai tác dụng tăng sức chịu tải và tăng nhanh tốc độ cố kết thoát
nước đất nền, trong tính toán quan niệm nền và cọc làm việc độc lập. Để đơn giản hóa,
thuận tiện trong tính toán, nghiên cứu này đưa ra phương pháp tính toán cọc cát theo
quan điểm nền tương đương với bộ thông số nền tương đương bao gồm các đặc trưng
xét đến sự tăng nhanh sức chịu tải của nền và tăng nhanh tốc độ cố kết của nền (ϕ, c,
E, k…) với mục đích áp dụng được bộ thông số này vào việc tính toán các công trình
trong thực tế được đơn giản và thuận tiện hơn.
1.1. Khái quát về nền đất yếu
Đất yếu là một thuật ngữ được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực xây dựng. Hiện
nay, tồn tại một số quan niệm khác nhau về đất yếu. Dựa trên các tiêu chuẩn hiện
hành của Việt Nam như TCXD 245-2000, 22TCN 262-2000, tham khảo các tiêu
chuẩn phân loại đất của ASTM, BS, theo đất yếu là loại đất có một số đặc điểm cơ bản
sau đây:
- Là loại đất có khả năng chịu tải thấp (sức chịu tải nhỏ hơn 1,0kG/cm2), mô đun biến
dạng nhỏ (E0 < 50kG/cm2);
- Dễ bị biến dạng khi có tải trọng tác dụng, có độ lún lớn (thường hệ số rỗng ban ầu e0
>1); có lực chống cắt thấp (Cu < 0,15kG/cm2), giá trị xuyên tiêu chuẩn N:
SPT < 5
búa, sức kháng xuyên đơn vị qc < 10kG/cm2.
- Là loại đất được hình thành tạo từ các vật liệu trầm tích trẻ (từ 10.000 đến 15.000
năm tuổi vẫn đang trong quá trình cố kết trong điều kiện môi trường khác nhau
(bồi tích ven biển, đầm phá, cửa sông, đầm lầy...).
4
Trên cở sở các đặc điểm về địa chất công trình (thành phần, tính chất cơ lý...), đất yếu
có thể được chia ra các loại chính sau:
(1) Đất sét mềm bồi tụ ở bờ biển hoặc gần biển (đầm phá, cửa sông, đồng bằng tam
giác châu thổ…) loại này có thể lẫn hữu cơ trong quá trình trầm tích (hàm lựợng hữu
cơ có thể lên tới 10% - 12%) . Đối với loại này, đựợc xác định là đất yếu ở trạng thái
tự nhiên, độ ẩm của chúng gần bằng hoặc cao hơn giới hạn nhão, hệ số rỗng lớn (sét e0
> 1,5; á sét e0 > 1), lực dính C theo kết quả cắt nhanh không thoát nước Cu < 35
kG/cm2, góc nội ma sát φ < 10°.
(2) Than bùn và đất hữu cơ có nguồn gốc đầm lầy, nơi tích đọng thường xuyên, mực
nước ngầm cao. Tại đây, xác của các loài thực vật bị thối rữa và phân hủy, tạo ra các
vật lắng hữu cơ lẫn với các khoáng vật từ vật liệu. Loại này thường được gọi là đất
đầm lầy, than bùn, hàm lượng hữu cơ chiếm tới 20% - 80%, thường có màu xám đen
hay nâu xẫm, cấu trúc không mịn (vì lẫn các tàn do thực vật). Trong điều kiện tự
nhiên, than bùn có độ ẩm rất cao trung bình W = 85% - 95%. Than bùn là loại đất
thường xuyên nén lún lâu dài, không đều, hệ số nén lún có thể đạt 3-10 cm2/daN,
vì thế thường phải thí nghiệm than bùn trong các thiết bị nén với các mẫu cao ít
nhất 40 – 50cm. Đất yếu đầm lầy than bùn còn đuợc phân theo hàm lượng hữu cơ của
chúng:
- Hàm lượng hữu cơ từ 20% - 30%: đất nhiễm than bùn .
- Hàm luợng hữu cơ từ 30% - 60%: đất than bùn.
- Hàm lượng hữu cơ trên 60%: than bùn.
(3) Bùn là các lớp đất mới được hình thành trong môi trường nước ngọt hoặc nuớc
biển, gồm các hạt rất mịn (< 200µm). Đặc điểm về thành phần và kết cấu của nó là
thành phần khoáng vật thay đổi và thường có kết cấu tổ ong. Hàm lượng hữu cơ
thường dưới 10%. Đất bùn là những trầm tích hiện đại, được thành tạo chủ yếu do kết
quả tích lũy các vật liệu phân tán mịn bằng con đường cơ học hoặc hóa học ở tại đáy
biển hoặc vũng vịnh, hồ bãi lầy, hồ chứa nước hoặc bãi bồi của sông. Vì vậy thường
phân biệt bùn biển, bùn vũng, bùn hồ, bùn lầy và bùn bồi tích. Bùn luôn no nước và rất
5
yếu về mặt chịu lực. Cường độ của bùn nhỏ, biến dạng lớn, mô đun biến dạng chỉ vào
khoảng 1-5kG/cm2 với bùn sét; từ 10-25kG/cm2 với bùn pha cát và bùn cát pha sét; hệ
số nén lún chỉ có thể đạt lên tới 2-3cm2/daN. Như vậy, bùn là loại trầm tích nén chưa
chặt, dễ bị thay đổi kết cấu tự nhiên. Do vậy khi xây dựng công trình trên đất nền là
bùn cần áp dụng các biện pháp xử lý nền phù hợp.
1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cọc cát
1.2.1. Khái niệm cọc cát
Cọc cát xuất phát từ cột đá Ballast là loại cọc được cấu tạo từ vật liệu rời đặt rong đất
tham gia cùng đất nền chống đỡ tải trong công trình, đã gọi là cọc, nên bản thân cọc
cát phải được tạo thành từ những loại cát đồng nhất, tiết diện liên tục theo chiều sâu,
sức chịu tải của cát được chọn phải lớn hơn đất nhiều lần so với đất nền tự nhiên. Vật
liệu làm cọc không thể hòa lẫn vào đất (chìm dần vào đất yếu). Do đó, không phải loại
đất yếu bất kỳ nào cũng có thể sử dụng cọc cát để xử lý.
Cần phải phân biệt cọc cát với các cọc cứng khác như cọc bằng bê tông cốt thép, bằng
thép…., cọc cứng là một bộ phận của kết cấu móng làm nhiệm vụ chuyền tải trọng
công trình xuống nền đất còn cọc cát làm nhiệm vụ lèn chặt và thoát nước cho nền đất
làm tăng sức chịu tải cho nền.
Việc sử dụng cọc cát được nhà bác học Nga M.X. Voikow đề nghị đầu tiên vào năm
1840 và sau đó là giáo sư V.I. kurdyumov năm 1886. Qua hơn một thập kỷ phương
pháp này đã được tiếp tục nghiên cứu, bổ sung và được ứng dụng ở nhiều nước trên
thế giới như Liên Xô, Trung Quốc, Anh, Pháp, Hà Lan và Mỹ.
1.2.2. Đặc điểm, điều kiện làm việc của cọc cát
Khi xây dựng công trình chịu tải trọng lớn trên nền đất yếu, có chiều dày lớn thì nén
chặt đất bằng cọc cát là một phương pháp đem lại hiệu quả cao cho công trình. Khi
chiều dày lớp đất yếu lớn hơn 3,0 m có thể dùng cọc cát để nén chặt đất trong nền. Cọc
cát là phương pháp áp dụng thích hợp và đem lại hiệu qủa nén chặt cho các lớp đất yếu
có chiều dày lớn như các loại đất cát nhỏ, cát bụi rời ở trạng thái bão hoà nước, các đất
cát có xen kẽ những lớp bùn mỏng, các loại đất dính yếu (sét, sét pha cát và cát pha
sét) cũng như các loại đất bùn và than bùn.
6
Trong trường hợp đất quá nhão yếu, lưới cọc cát không thể lèn chặt được đất (khi hệ
số rỗng nén chặt lớn hơn 1) hoặc khi chiều dày lớp đất yếu dưới đáy móng nhỏ hơn
3,0m thì không nên dùng cọc cát.
Tác dụng của cọc cát là làm cho độ rỗng, độ ẩm của nền giảm đi, trọng lượng thể tích,
mô đun biến dạng, lực dính và góc ma sát trong tăng lên.
Khi xử lý nền bằng cọc cát, nền đất được nén chặt lại, do đó sức chịu tải của nền được
tăng lên, độ lún và biến dạng không đồng đều của nền đất dưới đế móng các công trình
giảm đi một cách đáng kể.
Dưới tác dụng của tải trọng, cọc cát và vùng đất được nén chặt xung quanh cọc cùng
làm việc đồng thời; đất được nén chặt đều trong khoảng cách giũa các cọc.
Do một số các đặc điểm kể trên nên tính chất làm việc của cọc cát khác với các loại
cọc cứng mà chúng ta thường gặp như cọc gỗ, cọc thép, cọc bê tông, bê tông cốt
thép…
Do vậy tính ưu việt của cọc cát được thể hiện qua các mặt sau:
- Khi dùng cọc cát, trị số mô đun biến dạng của cọc cát cũng như ở các vùng đất được
nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm. Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền
đất được nén chặt bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên. Tính chất này là
hoàn toàn không thể có được khi dùng các loại cọc cứng. Đối với nền trong đó dùng
cọc cứng, mô đun biến dạng của vật liệu làm cọc cứng lớn hơn nhiều lần so với mô
đun biến dạng của đất xung quanh thân cọc (khoảng 1000 lần), do đó toàn bộ tải trọng
của công trình do móng tiếp thu sẽ truyền lên các cọc, các lớp đất ở dưới mũi cọc và
xung quanh cọc. Trong trường hợp này, đất ở giữa các cọc hầu như không tham gia
chịu lực và độ lún của móng phụ thuộc vào tính nén của các lớp đất dưới mũi cọc.
- Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền
đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng. Khi trong nền đất có cọc cát thì lúc này
các cọc cát ngoài tác dụng nén chặt nền đất, còn làm việc như các giếng cát thoát
nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới tác dụng của
tải trọng ngoài, do đó cải thiện được tình hình thoát nước của nền đất, điều này là
7
không thể có được đối với nền đất thiên nhiên hoặc là đối với nền có sử dụng các loại
cọc cứng. Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc trong quá trình thi
công do đó tạo điều kiện cho công trình mau chóng đạt đến giới hạn ổn định.
Tính ưu việt của cọc cát còn được thể hiện về mặt kinh tế, cụ thể là về vật liệu làm
cọc. Vật liệu cát dùng làm cọc là loại vật liệu rẻ hơn nhiều so với các loại vật liệu làm
các loại cọc cứng như: gỗ, thép, bê tông, bê tông cốt thép và không bị ăn mòn nếu
nước ngầm có tính xâm thực.
Về mặt thi công, cọc cát có phương pháp thi công tương đối đơn giản, không đòi hỏi
những thiết bị phức tạp.
Do những ưu điểm nêu trên nên có thể nói rằng giá thành xây dựng cọc cát thường rẻ
hơn so với một số các phương án cọc khác như gỗ, bê tông, bê tông cốt thép.
Theo kinh nghiệm các nước phát triển và sự tích lũy từ các công trình đã xây dựng thì
mặc dù số lượng cọc cát dùng có lớn hơn so với các loại cọc cứng (số lượng dùng lớn
hơn khoảng 30%÷50%) nhưng giá thành lại rất rẻ. So với cọc bê tông cốt thép, giá
thành giảm khoảng 2 lần; so với cọc gỗ giá thành giảm khoảng 30%.
Ở Việt Nam, điều này cũng đã được chứng minh bằng một số các công trình thức tế có
sử dụng cọc cát. Theo các số liệu đã được tổng kết, kinh phí xây dựng giảm khoảng
40% so với dùng cọc bê tông và giảm hơn 20% so với dùng phương án đệm cát.
*Cọc cát có những đặc điểm mang tính ưu việt sau đây:
- Khi dùng cọc cát trị số môđun biến dạng trong cọc cát cũng như ở vùng đất được
nén chặt xung quanh sẽ giống nhau ở mọi điểm. Vì vậy sự phân bố ứng suất trong nền
đất được nén chặt đất bằng cọc cát có thể xem như là nền thiên nhiên.
- Khi dùng cọc cát, quá trình cố kết của nền đất diễn biến nhanh hơn nhiều so với nền
đất thiên nhiên hoặc nền đất dùng cọc cứng. Bởi vì lúc này cọc cát làm việc như các
giếng thoát nước, nước trong đất có điều kiện thoát ra nhanh theo chiều dài cọc dưới
tác dụng của tải trọng ngoài. Phần lớn độ lún của nền đất có cọc cát thường kết thúc
8
trong quá trình thi công, do đó tạo điều kiện cho công trình mau chống đạt đến giới
hạn ổn định.
- Sử dụng cọc cát về mặt kinh tế rẻ hơn so với khi sử dụng các phương án cọc khác
như: cọc gỗ, cọc bêtông, cọc bêtông cốt thép. Vật liệu làm cọc cát rẻ hơn nhiều so với
gỗ, thép, bêtông cốt thép dùng trong cọc cứng và không bị ăn mòn nếu nước ngầm có
tính xâm thực. Biện pháp thi công cọc cát tương đối đơn giản, không đòi hỏi những
thiết bị phức tạp.
1.2.3.Tình hình nghiên cứu cọc cát
1.2.3.1 Giới thiệu chung
Phương pháp nén chặt đất bằng cọc cát đối với đất rời để nhằm làm tăng sức chịu tải
của nền lần đầu tiên được nhà bác học người Nga M. X. Voikov đề nghị vào năm 1840
và tiếp đó là giáo sư V. I. Kuryumov năm 1886. Kể từ đó đến nay, trải qua một thời
gian dài hơn một thế kỷ, phương pháp này đã và đang được nghiên cứu, bổ sung và áp
dụng cho nhiều công trình xây dựng ở khắp các nơi trên thế giới như: Liên Xô, Trung
Quốc, Nhật Bản, Anh, Ý, Hà Lan và Mỹ.
Trong đó, Nhật Bản được biết đến như một quốc gia có nhiều những nghiên cứu về
phương pháp này. Kể từ những năm 1950 -1960, khi tại Nhật Bản, kỹ thuật cọc cát
đầm chặt xử lý nền đất yếu xuất hiện, đã có rất nhiều những nghiên cứu được thực
hiện trong các trường đại học, các viện nghiên cứu, các công ty tư vấn ở Nhật Bản.
Những nghiên cứu này đã chỉ ra những đặc điểm về sức chịu tải và biến dạng của nền
hỗn hợp bao gồm cọc cát và đất xung quanh cọc, các nghiên cứu về áp lực đất, sức
kháng theo phương ngang của nền đất được cải tạo, ngăn chặn hóa lỏng…cũng được
đề cập.
1.2.3.2 Cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp
Cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp trong đó bao gồm đất sét và cọc cát, chịu ảnh
hưởng của nhiều yếu tố chẳng hạn như: những đặc điểm của ứng suất- biến dạng trong
đất sét và cọc cát, hiệu ứng tập trung ứng suất, đường kính và khoảng cách cọc cát.
Nghiên cứu đầu tiên về cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp được thực hiện bởi
Igabari [8], trong đó một loạt các thí nghiệm cắt trực tiếp đã được thực hiện trên mẫu
9
đất của nền đất hỗn hợp bao gồm đất sét và cọc cát. Trong các thí nghiệm, loại đất, tỉ
diện tích thay thế và ứng suất thẳng đứng đã được thay đổi để xem xét tác động của
chúng đến những đặc điểm của cường độ chống cắt. Cùng với các thí nghiệm này, tác
giả đã đề xuất công thức xác định cường độ chống cắt theo biểu thức (1), đó là sự kết
hợp tập trung ứng suất trên cọc cát như hình 1. Trong biểu thức (1) chỉ ra rằng cường
độ chống cắt của đất sét và cọc cát được huy động cùng lúc đồng thời cũng tính toán
ứng suất thẳng đứng trên nền đất yếu và cọc cát là σ c và σ s bằng lý thuyết đàn dẻo.
S'0' = A c .τ fc + A s . τ fs
= A c .(c 0 + σ c . tanφ c ) + A s .σ s . tanφ s
(1.1)
Trong đó:
As
Ac
A c : diện tích mặt cắt ngang của nền đất sét;
σs
A s : diện tích mặt cắt ngang của cọc cát;
σc
c 0 : lực dính của đất sét;
S'0' : sức chống cắt của nền hỗn hợp;
τfc
τfs
σ c : ứng suất thẳng đứng của nền đất sét;
σ s : ứng suất thẳng đứng của cọc cát;
τ fc : cường độ chống cắt huy động trong đất
Hình 1.1 Minh họa cho nền đất hỗn hợp
sét;
τ fs : cường độ chống cắt huy động trong đất
cát;
φ c : góc ma sát trong của đất sét;
φ s : góc ma sát trong của đất cát.
Matsuo và nnk [13] đã thực hiện một loạt các thí nghiệm nén 3 trục trên nền đất hỗn
hợp và đưa ra kết luận rằng cường độ chống cắt của nền đất hỗn hợp có thể được đánh
10
giá bằng tổng trọng cường độ chống cắt của đất sét và cọc cát huy động ở cùng mức độ
biến dạng và được chỉ ra trong biểu thức (2). Và nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng
cường độ chống cắt huy động trên toàn bộ cọc cát là nhỏ hơn hoặc bằng cường độ
chống cắt trên một cọc. Nghiên cứu đã giới thiệu thông số α, để kết hợp các mức độ
huy động của sức chống cắt trên cọc cát. Nghiên cứu đã đưa ra kết luận rằng biểu thức
(2) đã cung cấp một ước lượng tin cậy của các kết quả thí nghiệm với α = 0,5 cho sơ
đồ thí nghiệm cắt đất không cố kết, không thoát nước (UU) và với α = 1,0 cho sơ đồ
thí nghiệm cố kết đẳng hướng không thoát nước (CU). Điều này có nghĩa là sức chống
cắt lớn nhất của nền đất sét và cọc cát không huy động đồng thời. Hiệu ứng tập trung
ứng suất không được kết hợp trong đề nghị của nghiên cứu.
(σ1 − σ 3 )s + c =
α.(σ1 − σ 3 )s .A s + (σ1 − σ 3 )c .A c
A
(1.2)
Trong đó:
A: diện tích mặt cắt ngang của nền đất hỗn hợp;
A c : diện tích mặt cắt ngang của nền đất sét;
A s : diện tích mặt cắt ngang của cọc cát;
α: thông số liên quan đến độ huy động ứng suất trên cọc cát;
(σ 1 - σ 3 ) s+c : độ lệch ứng suất huy động trong nền hỗn hợp;
(σ 1 - σ 3 ) s : độ lệch ứng suất huy động trong nền cát;
(σ 1 - σ 3 ) c : độ lệch ứng suất huy động trong nền đất sét.
Yagi và nnk [51] đã thực hiện một loạt các thí nghiệm sức kháng đơn giản và thí
nghiệm cắt trực tiếp để nghiên cứu hiệu quả của tỉ diện tích thay thế và số lượng của
cọc cát đến đặc điểm của cường độ chống cắt trên nền đất hỗn hợp. Nghiên cứu đã chỉ
ra rằng cường độ chống cắt trên nền đất hỗn hợp không những chịu ảnh hưởng của tỉ
diện tích thay thế mà còn chịu ảnh hưởng của số lượng của cọc cát. Và nghiên cứu đã
11
kết luận rằng lý do xảy ra hiện tượng này là do sự phân bố sức kháng không đồng đều
trong các cọc cát.
Yoshikuni và nnk [50] đã thực hiện những thí nghiệm nén 3 trục không thoát nước trên
nền đất hỗn hợp và kết luận rằng điều kiện thoát nước trong mẫu thí nghiệm gây ra
hiệu ứng kích thước mẫu của cường độ chống cắt.
Enoki và nnk [82] thực hiện thí nghiệm trong phòng với nền đất hỗn hợp và kết luận
rằng cọc cát và đất sét không bị phá hoại đồng thời nhưng bị phá hoại riêng rẽ. Nghiên
cứu đã đề xuất cường độ chống cắt của nền hỗn hợp nên được đánh giá là một vật liệu
không đẳng hướng c-φ dựa trên tiêu chí cường độ chống cắt riêng rẽ của đất sét và cọc
cát.
Asaoka và nnk [94, 107] đã thực hiện các thí nghiệm nén 3 trục trên nền đất hỗn hợp
và kết luận rằng cường độ chống cắt của nền hỗn hợp là phụ thuộc vào điều kiện thoát
nước của cọc cát. Nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ chống cắt của cọc cát trong điều
kiện không thoát nước cao hơn nhiều so với điều kiện thoát nước. Nghiên cứu đề xuất
cường độ chống cắt của nền hỗn hợp là tổng cường độ chống cắt thoát nước của cọc
cát và cường độ chống cắt không thoát nước của đất sét, đồng thời nhấn mạnh tầm
quan trọng của việc xem xét điều kiện thoát nước của cọc cát khi đánh giá sức chịu tải
của nền được cải tạo bằng cọc cát.
1.2.3.3 Sức chịu tải và ổn định của nền đất được cải tạo
* Sức chịu tải của cọc đơn
Trong những nghiên cứu về sức chịu tải và ổn định của nền đất được cải tạo, sự phân
bố ứng suất trong nền đất yếu và cọc cát là một vấn đề quan trọng để đánh giá. Một
trong những nghiên cứu đầu tiên, Murayama (1957) đã xem xét sự gia tăng sức chịu
tải của nền đất yếu được gây ra bởi khả năng thoát nước của cọc cát và sự có mặt của
cọc cát. Năm 1962, tác giả này đã đề xuất công thức xác định sức chịu tải cho nền đất
được cải tạo có sự kết hợp của hiệu ứng tập trung ứng suất trên cọc cát.
Murayama [5] đã nghiên cứu sức chịu tải và ứng xử lún của nền đất được cải tạo bằng
cọc cát đầm chặt, và đưa ra các công thức (3) đến (5) cho việc tính toán sức chịu tải
12
của một cọc cát bằng giả thiết trạng thái cân bằng giới hạn chủ động của cọc cát và
trạng thái cân bằng giới hạn bị động của nền đất xung quanh cọc (hình 2). Nguyên tắc
trong tính toán của ông đã dựa trên giả thiết rằng cọc cát và đất xung quanh cọc đã
chịu biến dạng thẳng đứng. Trong biểu thức (4), một ứng suất trên nền đất sét σ u đã
được đưa ra. Ông đã ước tính σ u = 0,7.q u bằng cách xem xét rằng không có biến dạng
từ biến diễn ra trong đất sét xung quanh, trong đó q u là cường độ chống cắt nở hông
của đất sét.
P = A. σ = (A s + A c ). σ = A s . σ s + A c . σ c
= σ c .( A s .n + A c )
(1.3)
ứng suất theo phương ngang phải thỏa mãn biểu thức sau:
σh ≥
1 − sinφs
.σ s
1 + sinφs
(1.4a)
σh ≤ σc + σu
(1.4b)
Hệ số tập trung ứng suất được viết như sau:
1 − sinφs σ u
σs
.1 +
=n=
1 + sinφs σ c
σc
(1.5)
Trong đó:
A: diện tích mặt cắt ngang của nền đất hỗn hợp;
A c : diện tích mặt cắt ngang của nền đất sét;
A s : diện tích mặt cắt ngang của cọc cát;
σ: ứng suất trung bình trên nền đất hỗn hợp;
n: hệ số tập trung ứng suất;
P: sức chịu tải;
σ c : ứng suất thẳng đứng của nền đất sét;
13
