Nghiên cứu tính toán ứng suất, biến dạng và ổn định của công trình đắp trên nền đất yếu được xử lý bằng cọc BTCT và vải địa kỹ thuật cường độ cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------oOo--------

ĐÀO QUỐC CƯỜNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ ỔN ĐỊNH
CỦA CƠNG TRÌNH ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG
CỌC BTCT VÀ VẢI ĐỊA KỸ THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO

CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ NGÀNH :

: ĐỊA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
: 60.58.60

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 - 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. PHẠM VĂN LONG

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC
SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM, ngày tháng năm 2008.


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày …… tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Đào Quốc Cường

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 02-01-1979

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng

MSHV: 00906200

Khoá (Năm trúng tuyển): 2006
1- TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ ỔN ĐỊNH CỦA
CƠNG TRÌNH ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU ĐƯỢC XỬ LÝ BẰNG CỌC BTCT VÀ VẢI ĐỊA KỸ

THUẬT CƯỜNG ĐỘ CAO.”
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu tính tốn vải địa kỹ thuật gia cường dưới đất đắp trên nền
đất yếu có gia cố cọc. Đề xuất giải pháp tính tốn hợp lý về biến dạng và ổn định của nền đất yếu có
xử lý nền bằng cọc BTCT kết hợp với vải địa kỹ thuật cường độ cao.
3- NỘI DUNG
Nội dung:
PHẦN I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Mở đầu
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về tính toán vải địa kỹ thuật gia cường dưới đất đắp trên nền đất yếu
có gia cố cọc.
PHẦN II: NGHIÊN CỨU CHUYÊN SÂU VÀ PHÁT TRIỂN
Chương 2: Nghiên cứu các mô hình tính tốn tính tốn vải địa kỹ thuật gia cường dưới đất đắp trên nền
đất yếu có gia cố cọc bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
Chương 3. So sánh và phân tích các kết quả tính tốn.
Chương 4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu để chọn giải pháp cấu tạo và phương pháp tính tốn cho cơng
trình thực tế.
PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận và kiến nghị.
4- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
5- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
6- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Phạm Văn Long
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. PHẠM VĂN LONG
TS. VÕ PHÁN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua.

PHỊNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN !
Để hoàn thành Luận văn Thạc sĩ này, tơi chân thành biết ơn tất cả q Thầy Cơ
trong bộ mơn Địa Cơ Nền Móng của Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận
tình truyền đạt những kiến thức trong suốt quá trình học, cũng như trong thời gian
làm luận văn cao học.
Kính gửi lời cảm ơn đến Tiến sỹ Phạm Văn Long, người đã hỗ trợ, hướng dẫn và
giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tiến hành đến lúc hồn tất luận văn. Tơi xin chân
thành cảm ơn về những lời động viên, những kinh nghiệm truyền đạt của bạn bè
đồng nghiệp trong q trình cơng tác tại Công ty Cổ Phần Tư Vấn Xây Dựng Vina
Mekong.
Xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị và các bạn trong lớp cao học Địa Kỹ Thuật Xây
Dựng khóa 2006.
Và sau cùng, xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo và tập thể các thầy, cơ Phịng Quản lý
sau đại học Trường Đại Học Bách Khoa TP. HCM đã giúp đỡ trong suốt khóa học.


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Tên đề tài
Nghiên cứu tính tốn ứng suất, biến dạng và ổn định của cơng trình đắp trên nền đất
yếu được xử lý bằng cọc bê tông cốt thép và vải địa kỹ thuật cường độ cao.
Tóm tắt
Lún sụt và mất ổn định nền đất yếu luôn là vấn đề quan tâm ở các cơng trình đắp
trên nền đất yếu. Các khu vực như Đồng Bằng Sông Cửu Long, TP. HCM và các
tỉnh lân cận có nền đất yếu phân bố rộng với chiều dày từ 10m đến hơn 30m, việc
gia cố nền đất yếu cho các cơng trình đắp ở khu vực này ln gặp khó khăn. Nhiều

giải pháp gia cố nền khác nhau đã được nghiên cứu như gia tải trước kết hợp với
đường thoát nước đứng, khoan phụt vữa, gia cố nền bằng cọc đất trộn xi măng
…Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc kết hợp với vải địa kỹ thuật gia cường
dưới đất đắp, tên tiếng Anh thường gọi là “Geosynthetic Reinforced Pile
Embankment” viết tắt là (GRPE) là một trong những phương pháp ổn định nền đất
yếu phổ biến hiện nay. Được cải tiến từ phương pháp gia cố nền thông thường bằng
cọc với các mũ cọc dưới đất đắp, hệ thống GRPE đã tận dụng tối đa sự làm việc của
vải địa kỹ thuật (ĐKT) gia cường.
Luận văn này tập trung nghiên cứu về ứng xử của đất đắp và vải địa kỹ thuật gia
cường trên các mũ cọc. Đồng thời, phân tích các mơ hình kết cấu và cơ cấu truyền
lực của hệ thống GRPE. Kết quả nghiên cứu được phân tích, so sánh lần lượt gồm
kết quả phân tích các cơng thức lý thuyết, quan trắc thí nghiệm mơ hình và kết quả
phân tích tính tốn phần tử hữu hạn (FEM) được thực hiện bằng phần mềm Plaxis.
Từ đó, rút ra kết luận và kiến nghị hai phương pháp tính tốn thiết kế hệ thống
GRPE là phân tích tính tốn bằng lý thuyết và phân tích tính tốn bằng chương trình
phần tử hữu hạn (FEM).
Sau cùng, kiến nghị áp dụng phương pháp tính tốn cho các cơng trình đắp sử dụng
hệ thống GRPE ở TP. HCM và các vùng lân cận.


SUMMARY OF THESIS

Title of Thesis
Study of stress, deformation and stability of the embankment on the soft ground
treated by micro reinforced concrete piles with geotextile reinforcement
Abstract
Excessive settlement and instability are main problems of embankment construction
on the soft ground. The soft soil in Mekong Delta, Ho Chi Minh City and other
surrounding areas are wide distributed and vary from 10m to more than 30m depth.
Hence, there is difficulty in soft soil treatment work. There are many solutions in

soft soil treatments such as preloading combine PVD, jet grouting, deep soil mixing
column, etc. Geosynthetic Reinforced Pile Embankment (GRPE) system is one of
the most popular solutions in soft soil treatment now. In the common soil
reinforcing, pile embankment was used. However, pile embankment combined
geosynthetic layers are used in GRPE system in order to take full advantage of
geosynthetic layers.
This thesis concentrates on behavior of the embankment, geosynthetic layers above
the pile caps. In addition, structure model analyze and load transfer mechanism of
GRPE systems are mentioned and studied. The study result is detailed and carefully
compared among theoretical analyze, monitoring results from experimental model
and Finite Element Method (FEM) by Plaxis program. Two methods are suggested
for analyzing GRPE system: theoretical analyze and FEM.
Finally, conclusions and comments of this study are considered to apply for similar
projects in HCM city and surrounding areas.


-i-

MỤC LỤC
PHẦN I. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
™ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU......................................................................... 1
™ XÁC LẬP NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU – PHẠM VI GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ..... 6
™ CẤU TRÚC LUẬN VĂN ................................................................................. 7
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................. 9
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA
CƯỜNG DƯỚI ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CÓ GIA CỐ CỌC................. 9
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG................................................................................... 9
1.2. LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG VÒM CỦA ĐẤT ............................................. 10
1.3. CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC ............................................................................ 16

1.4. SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT ........................................................................ 18
1.5. LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG MÀNG ............................................................. 18
1.5.1. Hệ số giảm ứng suất................................................................................. 19
1.5.2. Mơ hình vịm đất trên cống ngầm ............................................................ 20
1.5.3. Phương pháp của Terzaghi....................................................................... 21
1.5.4. Lý thuyết của Hewlett và Randolph......................................................... 22
1.5.5. Lực kéo trong vải địa kỹ thuật ................................................................. 22
1.5.6. Phản lực đất.............................................................................................. 25
1.5.7. Lực kéo trong vải địa kỹ thuật do trượt ................................................... 26
1.5.8. Biến dạng của vải địa kỹ thuật gia cường................................................ 27
1.5.9. Các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn BS8006...................................... 27
1.5.10. Thí nghiệm hiện trường về vòm đất đắp và lực kéo trong vải ĐKT ....... 29
1.5.10.1. Giới thiệu chung................................................................................... 29
1.5.10.2. Các thơng số chính áp dụng trong thí nghiệm mơ hình ....................... 30
1.6. THIẾT KẾ CỌC .......................................................................................... 42
1.6.1. Kích thước nhóm cọc ............................................................................... 43
1.6.2. Chuyển vị ngang của cọc và mô men uốn trong cọc ............................... 43
1.6.3. Sự tương tác giữa hiệu ứng vòm và hiệu ứng màng ................................ 46
1.7. ỔN ĐỊNH MÁI ĐẤT ĐẮP ......................................................................... 47
1.7.1. Theo Tiêu chuẩn BS8006......................................................................... 47


-iiPHẦN II. NGHIÊN CỨU CHUYÊN SÂU VÀ PHÁT TRIỂN
CHƯƠNG 2 ........................................................................................................... 50
NGHIÊN CỨU CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA
CƯỜNG DƯỚI ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ CỌC BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) .................................................. 50
2.1. GIỚI THIỆU CHUNG................................................................................. 50
2.2. NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN CÁC MƠ HÌNH LÝ THUYẾT
BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS................................................................................ 50

2.2.1. Các vấn đề tồn tại trong việc ứng dụng chương trình Plaxis................... 50
2.2.2. Các thơng số sử dụng trong Plaxis để mơ phỏng mơ hình lý thuyết ....... 53
2.2.3. Mơ hình bài tốn phẳng (2D)................................................................... 54
2.2.4. Mơ hình bài tốn đối xứng trục................................................................ 57
2.2.5. Mơ hình bài tốn khơng gian. .................................................................. 59
2.3. NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH
BẰNG PHẦN MỀM PLAXIS................................................................................ 61
2.3.1. Các thơng số sử dụng trong Plaxis mơ phỏng mơ hình thí nghiệm. ........ 62
2.3.2. Các biển đổi trong mơ hình thí nghiệm thể hiện trong Plaxis . ............... 63
2.3.3. Mơ hình bài tốn đối xứng trục................................................................ 64
2.3.4. Mơ hình bài tốn khơng gian (3D)........................................................... 65
2.4. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN VỀ MÔ HÌNH TÍNH TỐN...................... 67
CHƯƠNG 3 ........................................................................................................... 68
SO SÁNH VÀ PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ TÍNH TỐN................................ 68
3.1. SO SÁNH KẾT QUẢ PLAXIS VỚI KẾT QUẢ TÍNH TỐN LÝ
THUYẾT ................................................................................................................ 68
3.1.1. Phân tích và so sánh các kết quả tính tốn lý thuyết................................ 68
3.1.2. Kiến nghị về phương pháp tính tốn lý thuyết......................................... 70
3.1.3. Kiến nghị về phương pháp tính tốn phần tử hữu hạn (FEM)................. 71
3.2. SO SÁNH KẾT QUẢ CÁC MƠ HÌNH BÀI TỐN BẰNG PHẦN TỬ
HỮU HẠN (FEM) .................................................................................................. 72
3.2.1. Lực căng trong vải địa kỹ thuật ............................................................... 72
3.2.1.1.
Kết quả lực căng trong vải ĐKT khi khoảng cách các cọc thay đổi.... 72
3.2.1.2.
Kết quả lực căng trong vải ĐKT so sánh qua các mơ hình bài tốn .... 73
3.2.2. Chuyển vị của vải địa kỹ thuật................................................................. 74
3.2.2.1.
Kết quả chuyển vị của vải ĐKT khi khoảng cách các cọc thay đổi..... 74
3.2.2.2.

Kết quả chuyển vị của vải ĐKT so sánh qua các mơ hình bài tốn..... 75
3.2.3. Nhận xét và kết luận về kết quả các mơ hình bài toán trong Plaxis ........ 76


-iiiSO SÁNH KẾT QUẢ PLAXIS VỚI KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH.
..................................................................................................................... 77
3.3.1. So sánh các kết quả tính tốn Plaxis với kết quả TNMH ........................ 77
3.3.2. Nhận xét và kết luận về kết quả so sánh giữa Plaxis với TNMH ............ 79
3.3.

CHƯƠNG 4 ........................................................................................................... 80
ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỂ CHỌN GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CHO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ ........................ 80
4.1. GIỚI THIỆU................................................................................................ 80
4.2. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ TÍNH TỐN.................................................. 80
4.2.1. Dự Án Cảng POSCO ............................................................................... 80
4.2.1.1.
Giới thiệu chung về phần xử lý nền của Dự án.................................... 80
4.2.1.2.
Địa chất cơng trình ............................................................................... 83
4.2.1.3.
Các thơng số và kết quả tính tốn ........................................................ 93
4.2.1.4.
Nhận xét kết quả tính tốn.................................................................... 97
4.2.2. Dự Án Nhà Máy Xử Lý Rác Vietstar ...................................................... 97
4.2.2.1.
Giới thiệu về phương pháp xử lý nền của Dự án ................................. 97
4.2.2.2.
Địa chất công trình ............................................................................... 98
4.2.2.3.

Các thơng số và kết quả tính tốn ...................................................... 102
4.2.2.4.
Nhận xét kết quả tính tốn.................................................................. 104
4.2.3. Dự Án Sửa Chữa Cầu Văn Thánh 2 ...................................................... 107
4.2.3.1.
Giới thiệu chung về phương pháp xử lý nền của Dự án .................... 107
4.2.3.2.
Địa chất cơng trình ............................................................................. 110
4.2.3.3.
Các thơng số và kết quả tính tốn ...................................................... 114
4.2.3.4.
Nhận xét kết quả tính tốn.................................................................. 118
PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................... 119
KẾT LUẬN........................................................................................................... 119
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................... 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC A.
TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA CƯỜNG TRÊN ĐẦU CỌC THEO
CÔNG THỨC LÝ THUYẾT
PHỤ LỤC B.
KẾT QUẢ QUAN TRẮC THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH Ở KUALA LUMPUR,
MALAYSIA


PHẦN I
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN


-1MỞ ĐẦU

™

ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Lún sụt của nền đất yếu luôn là vấn đề quan trọng trong các công trình xây

dựng trên nền đất yếu, thường là ở những cơng trình cảng, cơng trình giao thơng,
cơng trình hạ tầng và các cơng trình kho bãi ….Ổn định nền đất yếu luôn là thách
thức trong ngành Địa Kỹ Thuật Xây dựng. Đặt biệt, ở khu vực Đồng Bằng Sông
Cửu Long, TP. HCM và các tỉnh lân cận có nền đất yếu phân bố rộng với chiều
dày từ 10m đến hơn 30m.
Các cơng trình đắp trên nền đất yếu thường gặp nhất là cơng trình đường
vào cầu, thơng thường móng các mố cầu được thiết kế là móng cọc và đường vào
cầu thường được thiết kế là bản bê tông cốt thép (BTCT) nằm trên nền đất đắp có
khi gia cố thêm cừ tràm…. Do đó, thường xảy ra hai vấn đề chính. Thứ nhất, móng
cọc của mố cầu sẽ phải chịu các áp lực ngang từ nền đất yếu và đó là ngun nhân
chính gây phá hoại cọc. Thứ hai, độ lún khác nhau giữa cầu và đường vào cầu đòi
hỏi phải đắp bù thường xuyên cho đường vào cầu làm tăng thêm tải trọng do đất
đắp, điều đó gây bất lợi cho cơng trình xem Hình 1.1. Thơng thường, vấn đề này
được khắc phục bằng kết cấu bản BTCT đổ ngàm vào các đầu cọc gia cố nền đất
yếu, nhưng điểm yếu của phương pháp này rất đắt tiền và thời gian thi công lâu.
Về sau, các nghiên cứu (như Hewlett và Randolph (1988)) đã đề nghị phương pháp
gia cố nền bằng hệ thống cọc kết hợp với các mũ cọc dưới đất đắp. Các kết quả
quan trắc hiện trường cho thấy rằng ứng với 10% diện tích mũ cọc dưới khối đắp
có thể chống đỡ được khoảng 60% khối lượng đất đắp bên trên do hiệu ứng vòm.
Trong khi đó, ở khu vực Đơng Nam Á cũng đã bắt đầu áp dụng phương
pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc kết hợp với vải địa kỹ thuật (ĐKT) gia cường
trên đầu cọc. Tên tiếng Anh của phương pháp này là “Geosynthetic Reinforced
Pile Embankment” viết tắt là (GRPE). Có thể nói, đây là phương pháp thay thế cho
các phương pháp ổn định nền đất yếu.
Hệ thống GRPE được sử dụng tốt hơn các phương pháp gia cố nền thông

thường bằng cọc với các mũ cọc dưới đất đắp. Hệ thống kết cấu này tận dụng tối


-2đa sự làm việc của vải ĐKT. Với chiều cao đắp khoảng 1m đến 2m thì khoảng
cách cọc có thể bố trí từ 2m đến 5m. Trong luận văn này sẽ nghiên cứu xem xét
hiệu ứng vòm trong khối đất đắp và hiệu ứng màng trong vải ĐKT, đồng thời phân
tích sự ảnh hưởng mặt tiếp xúc giữa vải ĐKT và vật liệu đắp.

(a)

(b)

Hình 1. Biến dạng và chuyển vị của nền đất yếu ở khu vực đường vào cầu
(a) Sự cố khi đắp đường vào cầu không được xử lý nền
(b) Chuyển vị của đất yếu ở khu vực đường vào cầu

Hình 2. Ứng dụng phương pháp gia cố nền bằng cọc BTCT kết hợp với vải ĐKT
gia cường cho đường vào cầu theo Reid và Buchanan (1984)
Theo các phân tích đánh giá từ các cơng trình đã thực hiện, hệ thống GRPE
tiết kiệm được 30% thời gian thi công so với kỹ thuật ổn định nền đất yếu khác
như gia tải trước kết hợp với đường thoát nước đứng và khoan phụt vữa. Tuy nhiên


-3sử dụng phương pháp này địi hỏi phải có sự xem xét, đánh giá tốt các thông số
liên quan đến tính tốn hệ thống GRPE.
Dưới đây là các loại cơng trình khác nhau đã được áp dụng phương pháp xử
lý nền bằng hệ thống GRPE.

Hình 3. Gia cố nền nhà xưởng bằng hệ thống GRPE (Han và Akins, 2002)

Hình 4. Gia cố nền đường bằng hệ thống GRPE (Tsukada et al. 1993)


-4-

Hình 5. Gia cố nền đường đắp cao bằng hệ thống GRPE
(Dự án Wat Nakorn-In Thailand)

Hình 6. Thi cơng trãi vãi ĐKT gia cường (Dự án Wat Nakorn-In Thailand)

Hình 7. Cơng trình hồn thiện (Dự án Wat Nakorn-In Thailand)


-5-

Hình 8. Hình thi cơng lắp đặt các mũ cọc và vải ĐKT đường cao tốc ở Hồng
Kơng

Hình 9. Thi công đắp đất trên vải ĐKT gia cường dự án đường cao tốc ở Hồng
Kông


-6™

XÁC LẬP NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU – PHẠM VI GIỚI HẠN CỦA
ĐỀ TÀI
Thiết kế cơng trình trên nền đất yếu ln là vấn đề khó khăn trong ngành

Địa Kỹ Thuật Xây Dựng. Đặc biệt là thiết kế các cơng trình đắp trên nền đất yếu
phải luôn xem xét đến các vấn đề về khả năng chịu tải, ổn định mái dốc, áp lực

ngang, các chuyển vị ngang và lún, đó cũng là mục tiêu của phương pháp gia cố
nền bằng hệ thống cọc kết hợp với vải địa kỹ thuật gia cường dưới đất đắp
(GRPE). Ngoài ra, phương pháp này cịn có ưu điểm kết cấu thực hiện đơn giản,
kinh tế, mỹ quan và rút ngắn thời gian thi công.
Hiện nay, một số cơng trình trên nền đất yếu như đường vào cầu, cơng trình
đắp dọc bờ sơng, cơng trình nền nhà kho, xưởng ở khu vực Thành phố Hồ Chí
Minh và các tỉnh lân cận đang bị lún sụt nghiêm trọng. Khó khăn khách quan ở đây
là các khu vực này có chiều dày tầng đất yếu tương đối lớn, phạm vi đất yếu tương
đối rộng cũng như địa chất và địa hình phức tạp. Để khắc phục sự lún sụt cho các
cơng trình loại này, đã có nhiều giải pháp xử lý nền móng khác nhau đã và đang
thực hiện như gia cố nền đất yếu bằng cọc xi măng đất, cố kết nền đất yếu bằng
phương pháp gia tải trước kết hợp với đường thoát nước đứng (PVD)…. Một trong
những giải pháp mới hiện nay xử lý nền đất yếu cho các cơng trình loại này là “gia
cố nền đất yếu bằng cọc kết hợp với vải địa kỹ thuật gia cường dưới đất đắp
(GRPE)” đã được nghiên cứu và thực hiện ở nhiều nước trên thế giới như ở Anh,
Malaysia, Singapore, Hàn Quốc, Thái Lan,…
Phương pháp gia cố nền đất yếu bằng cọc kết hợp với vải địa kỹ thuật gia
cường dưới đất đắp (GRPE) được nghiên cứu với các vấn đề chính, đó là sự làm
việc của vải ĐKT gia cường qua việc xem xét hiệu ứng màng, hiệu ứng vòm bên
trong khối đắp, sự truyền tải trọng đất đắp vào các mũ cọc. Ngoài ra, xem xét kích
thước mũ cọc “a”, khoảng cách giữa các cọc “s” và chiều cao đất đắp “H”. Qua đó,
đánh giá các thơng số qua các tương quan tương ứng với tỉ số H/(s-a). Các kết quả
thu được từ việc tính tốn các cơng thức thực nghiệm và kết quả quan trắc từ thí
nghiệm mơ hình sẽ so sánh với kết quả tính tốn Plaxis đưa ra kết luận và kiến
nghị.


-7Thực hiện nghiên cứu các mơ hình bài tốn khác nhau bằng chương trình
Plaxis 2D, Plaxis 3D Tunnel, phân tích các trường hợp về khoảng cách cọc, chiều
cao đất đắp. Từ đó, tổng hợp các kết quả tính tốn và thiết lập các biểu đồ tương

quan về lực căng trong vải ĐKT theo khoảng cách cọc, chiều cao đất đắp, xem xét
sự chuyển vị của vải ĐKT, tải trọng tác dụng lên mũ cọc.
Trong luận văn này, sẽ tập trung đi sâu vào việc phân tích và ứng dụng
phương pháp gia cố nền bằng cọc BTCT kết hợp với vải địa kỹ thuật gia cường
dưới đất đắp. Nội dung trình bày được tóm tắt như sau:
(1)

Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết và mơ hình tính tốn vải địa kỹ thuật gia
cường trên đầu cọc dưới đất đắp. Thiết lập mơ hình tính tốn bằng phương
pháp phần tử hữu hạn (FEM) dùng chương trình Plaxis. Kết quả thu được sẽ
so sánh với kết quả tính tốn từ các cơng thức lý thuyết. Nhận xét và kết
luận về các phương pháp tính tốn.

(2)

Mơ phỏng thí nghiệm mơ hình bằng chương trình Plaxis. Kết quả thu được
sẽ so sánh với kết quả thí nghiệm hiện trường và tính tốn lý thuyết. Nhận
xét và kết luận về sự hợp lý trong tính tốn Plaxis so với kết quả quan trắc
thực tế từ thí nghiệm mơ hình.

(3)

Ứng dụng kết quả nghiên cứu để tính tốn cơng trình thực tế, sử dụng
phương pháp gia cố nền đất yếu bằng hệ thống cọc BTCT kết hợp với vải
địa kỹ thuật (ĐKT) gia cường trên đầu cọc dưới đất đắp, khu vực ven sơng
Sài Gịn và một số vùng lân cận.

™

CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Chương 1 –Giới thiệu mục tiêu, phạm vi của đề tài. Xác lập nhiệm vụ nghiên cứu.
Chương 2 – Nghiên cứu tổng quan về tính tốn vải địa kỹ thuật gia cường dưới đất
đắp trên nền gia cố cọc. Nghiên cứu các phương pháp tính tốn lý
thuyết, các cơng thức thực nghiệm, mơ hình thí nghiệm hiện trường.
Chương 3 – Nghiên cứu các mơ hình tính tốn vải ĐKT gia cường dưới đất đắp
trên nền gia cố cọc (GRPE) bằng phương pháp phần tử hữu hạn


-8(FEM). Thực hiện nghiên cứu các mơ hình tính tốn lý thuyết bằng
chương trình Plaxis theo mơ hình bài tốn đối xứng trục, mơ hình bài
tốn 2D, mơ hình bài tốn 3D. Ngồi ra, cịn nghiên cứu thực hiện
tính tốn mơ phỏng lại thí nghiệm mơ hình ở Kuala Lumper –
Malaysia bằng chương trình Plaxis.
Chương 4 – So sánh và phân tích các kết quả tính tốn. Từ đó, rút ra các nhận xét
và kết luận về các phương pháp tính tốn, nêu các kiến nghị trong việc
tính tốn thiết kế gia cố nền bằng phương pháp GRPE.
Chương 5 – Ứng dụng kết quả nghiên cứu để chọn giải pháp cấu tạo và phương
pháp tính tốn cho cơng trình thực tế.
Kết luận và kiến nghị.


-9CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN VẢI ĐỊA KỸ THUẬT GIA
CƯỜNG DƯỚI ĐẤT ĐẮP TRÊN NỀN ĐẤT YẾU CÓ GIA CỐ CỌC.
1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG.
Sơ đồ làm việc của vải địa kỹ thuật gia cường và đất đắp trên nền gia cố cọc

được mô tả chi tiết như trong Hình 1.1. Trong đó, có các vấn đề chính như sau:
Khi khối đất đắp được đắp lên nền gia cố cọc kết hợp với vải địa kỹ thuật
gia cường sẽ xuất hiện hai vấn đề chính là hiệu ứng vịm và hiệu ứng màng.
Phân tích sơ đồ làm việc trong Hình 1.1 nhận thấy, phần lớn trọng lượng
khối đất đắp bên trên được truyền vào các mũ cọc và tập trung vào các đầu cọc,
phần còn lại ở tại các vị trí giữa các mũ cọc sẽ sinh ra hiệu ứng vòm bên trong khối
đất đắp, khối đất bên trên vòm sẽ truyền trực tiếp vào các mũ cọc, khối đất đắp bên
dưới vịm sẽ truyền hồn tồn vào vải địa kỹ thuật (ĐKT) gia cường và được phân
tán vào các mũ cọc.
Hiện tượng khối đất bên dưới vòm tác dụng vào tấm vải ĐKT làm tấm vải
căng và võng xuống nền đất yếu gọi là hiệu ứng màng. Trong các phần sau sẽ phân
tích chuyên sâu về vấn đề này và các vấn đề liên quan như : Chiều cao đất đắp,
khoảng cách lưới cọc và cách thức bố trí lưới cọc.

Hình 1. 1. Sơ đồ làm việc của vải địa kỹ thuật gia cường và đất đắp trên nền cọc


-10Trong chương này sẽ tổng quan hầu hết các vấn đề liên quan đến vải địa kỹ
thuật gia cường trên đầu cọc dưới đất đắp. Tất cả các vấn đề này được tổng hợp và
nghiên cứu gồm 5 phần, cụ thể là: hiệu ứng vòm, hiệu ứng màng, sự tương tác của
hiệu ứng màng và hiệu ứng vòm trên nền cọc dưới đất đắp, nghiên cứu tiêu chuẩn
thiết kế của Anh BS8006, các trường hợp nghiên cứu khác thông qua thí nghiệm
mơ hình, các Dự án về gia cố nền bằng cọc kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường dưới
đất đắp (GRPE).
1.2.

LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG VÒM CỦA ĐẤT
Hiệu ứng vòm được định nghĩa là “sự truyền áp lực đất từ một phần khối

đất bị lún đến bên cạnh khối đất không bị lún” (Terzaghi, 1943). Theo McNulty

(1965) định nghĩa hiệu ứng vòm là “Sự truyền tải trọng ổn định của một vật liệu từ
một vị trí đến một vị trí khác khơng đổi. Hình thành từ một hệ thống ứng suất cắt
do quá trình truyền tải trọng.”

H

γH

Hình 1. 2. Sơ đồ hiệu ứng vòm và áp lực trên nền qua thí nghiệm ngưỡng giữ
(Terzaghi, 1943)
Hiệu ứng vịm có thể giải thích bằng thí nghiệm ngưỡng giữ của Terzaghi
Hình 1.2. Một lớp cát khô với dung trọng γ, được đắp trên nền có ngưỡng giữ ‘ab’.
Chiều cao của lớp cát bằng 2 lần chiều dài đoạn ‘ab’. Khi ngưỡng giữ đứng yên, áp
lực trên ngưỡng giữ và phần nền xung quanh bằng γH trên một đơn vị diện tích.
Khi cho ngưỡng giữ lún xuống, áp lực trên ngưỡng giữ giảm xuống một phần so


-11với giá trị ban đầu, ngược lại áp lực trên phần nền xung quanh tăng lên. Điều này
là do lực cắt dọc theo các biên bên, ac và bd kháng lại sự hạ xuống của các lăng trụ
cát trên ngưỡng giữ đang lún.
Thí nghiệm này cho phép hình dung khá tốt về hiệu ứng vòm. Theo
Terzaghi, việc nghiên cứu lý thuyết, kết quả thực nghiệm và kinh nghiệm về
đường hầm cho thấy áp lực lớn nhất trên ngưỡng giữ khi đang lún độc lập với
chiều dày H của lớp cát đắp. Điều này chỉ đúng khi khoảng cách 'ab' cố định và độ
sâu H vượt quá một giá trị đặc biệt, nằm phía trên đỉnh của vịm.
Cùng hướng suy nghĩ với Terzaghi, lý thuyết Marston về tải trọng trên các
công trình ống dẫn ngầm đã xác định thành cơng hiệu ứng vòm. Xem xét ống
ngầm được đặt trong một rãnh dưới mặt đất tự nhiên, lực cắt (tương tự như được
mơ tả trong thí nghiệm ngưỡng giữ) đóng vai trị quan trọng trong việc tạo ra tải
trọng lên cơng trình. Trong trường hợp này, mặt phẳng dọc theo phương chuyển vị

giả sử xuất hiện, và mặt phẳng nơi lực cắt hình thành là những mặt phẳng thẳng
đứng mở rộng lên từ bên cạnh ống ngầm xem Hình 1.3.
Sau đó, Marston đã xác định được biểu thức về lực đứng tại vị trí cống
ngầm. Cân bằng biểu thức biến dạng của các lăng trụ phía trong cống với độ lún
của đỉnh ống dẫn bằng với tổng biến dạng của các lăng trụ ngịai và mặt lún tới
hạn, từ đó tìm được cơng thức tính He.
Lực trên cống ngầm được tính tốn theo cơng thức sau:
Wc = Cc .γ .Bc

2

Trong đó:
Wc

: Lực trên cống ngầm

γ

: Dung trọng của đất đắp

Bc

: Chiều rộng của cống

Cc

: Hệ số phụ thuộc vào (H, He, K, µ)

+ Khi He = H :

(1. 1)


-12-

Cc =

e ±2. K .µ ( H / Bc ) − 1
± 2.K .µ

(1. 2)

e ±2.K .µ ( H / Bc ) − 1
H He ± 2.K .µ ( H / Bc )
+( −
).e
± 2.K .µ
Bc Bc

(1. 3)

+ Khi He < H :
Cc =

Trong đó:
H

: Chiều cao đắp trên cống

He

: Chiều cao tầng đẳng lún

K

: Hệ số áp lực ngang theo Rankine

µ = tanφ : Hệ số ma sát của vật liệu đắp
Chiều cao tầng đẳng lún He được tính theo công thức:
⎡ 1
H − He
rsd . p ⎤ e ±2.K .µ ( H / Bc ) − 1 1 H e 2 rsd . p ⎛ H − H e
⎜⎜
± ( ) ±
±
±
(
)
⎢
⎥x
±
K
B
µ
µ
K
B
3
2
2

3
2
c
c
⎝ Bc
⎣
⎦
H
1 H e H .He
−
µ.
= rsd . p.
.
2
Bc
2 K µ Bc
Bc

⎞ ± 2.K .µ ( H / Bc )
⎟⎟e
⎠

(1. 4)

Hình 1. 3. Sơ đồ lực tác dụng lên cống ngầm


-13Lực trên cống ngầm này được tổng kết và sử dụng trong tiêu chuẩn BS8006
(1995) ở Anh. Qua đó, tiêu chuẩn BS8006 đã phát triển thêm nhiều sự tương quan
giữa hiệu ứng vòm và hiệu ứng màng cho vải địa kỹ thuật gia cường trên đầu cọc

dưới đất đắp Hình 1.4.

γ, φ

Hình 1. 4. Sơ đồ lực tác dụng trong phương án nền gia cố cọc dưới đất đắp
Hewlett & Randolph (1988) phân tích hiệu ứng vịm bằng cách xem xét sự
cân bằng giới hạn của ứng suất trong các vịm cát giữa các đầu cọc bố trí theo sơ
đồ vng Hình 1.5. Phân tích này dựa trên kinh nghiệm rút ra từ các thí nghiệm
mơ hình. Các phần sau đây chỉ nêu lên các bước phát triển công thức tính tốn tính
hiệu quả của hệ thống mũ cọc.
Vịm cát

Đỉnh vịm

Chiều cao vịm cát
Mặt nền hiện hữu

Hình 1. 5. Hình dạng của vòm cát trong hiệu ứng vòm


-14Xem xét làm hai phần chính :
Phần 1: Phần đỉnh của vòm bao gồm xem xét sự cân bằng bán kính ở phần
đỉnh của vịm tại mặt cắt qua các mũ cọc và vòm lồi, ứng suất bên dưới bề mặt
vịm, tổng áp lực lên vịm, từ đó xác định được tỉ lệ trọng lượng của đất đắp được
chống đỡ bởi các cọc tức là hiệu quả của gối đỡ.
Sự cân bằng bán kính ở phần đỉnh của vịm tại mặt cắt qua các mũ cọc và
vòm lồi (dọc theo khoảng cách cọc lớn nhất khơng có vịm P1-P3 hay P4-P2):
dσ r 2(σ r − σ θ )
+
= −γ

dR
R

(1. 5)

Trong đó :
σr : Bán kính ứng suất
σθ : Ứng suất tiếp
γ : Dung trọng của đất
R : Bán kính của vòm cát
Ứng suất vòm bên dưới bề mặt vòm là σi :
⎡

σi = [γ (1 − δ ) 2.( Kp −1) ]x ⎢ H −
⎢⎣

s ⎛⎜ K p − 2 ⎞⎟⎤
⎥ +γ
2 ⎜⎝ 2 K p − 3 ⎟⎠⎥⎦

s−b
2 (2 K p − 3)

(1. 6)

Trong đó:
b
s

δ = ;Kp =

1 + sin φ
1 − sin φ

b : Bề rộng của cọc
s : Khoảng cách cọc
Kp : Hệ số áp lực đất bị động theo Rankine
φ : Góc ma sát trong của đất.
Tổng áp lực vòm lên nền:
σs = σi +

γ ( s − b)
2

(1. 7)

Giả thiết rằng các áp lực vòm phân bố đều trên nền đất, tỉ lệ trọng lượng của
đất đắp được chống đỡ bởi các cọc (Hiệu quả của gối đỡ) là :
E =1−

s2 − b2
σs
s 2 γH

(1. 8)


-15E = 1 − (1 − δ 2 ){A − AB + c}

(1. 9)

Trong đó :
A = (1 − δ 2 )

B=

C=

S
2H

2 ( K p −1)

⎡ 2K p − 2 ⎤
⎢
⎥
⎣⎢ 2 K p − 3 ⎥⎦

S − b ⎡ 2K p − 2 ⎤
⎢
⎥
2 H ⎣⎢ 2 K p − 3 ⎦⎥

Phần 2: Phần trên mũ cọc bao gồm xem xét trạng thái cân bằng bán kính
trong nêm kín hẹp trên mũ cọc, kết hợp ứng suất tiếp tuyến σθ xuyên qua mũ cọc,
xác định tổng lực tác dụng được chống đỡ bởi mũ cọc, từ đó sẽ tính được tính hiệu
quả của hệ thống cọc và đất đắp.
Trạng thái cân bằng bán kính trong nêm kín hẹp trên mũ cọc ở mặt cắt P1P2:
⎧ 2r ⎫
⎬

⎩s −b⎭

Kp −1

σ r = K p .σ s ⎨

(1. 10)

Do đó, kết hợp ứng suất tiếp tuyến σθ xuyên qua mũ cọc, Tổng lực tác dụng
có thể được đỡ bởi mũ cọc và được thể hiện:

[

s/2

]

⎧ 2r ⎫
P = 4 ∫ K p σ s x⎨
⎬
⎩s − b⎭
( s −b ) / 2
P=

2K p
K p +1

2

[

S 2σ s (1 − δ )

Kp −1

(1− K p )

[s − 2r ]dr

− (1 − δ )(1 + δK p )

(1. 11)

]

(1. 12)

Tuy nhiên, cân bằng tất cả các lực không xét đến khu vực khác của cọc
ngoại lệ qui định:
Cân bằng
S 2γH = P + σ s ( s 2 − b 2 )

(1. 13)

Do vậy, tính hiệu quả của hệ thống cọc và đất đắp sẽ là :
E=

Trong đó:

β

P
=
S γH 1 + β
2

(1. 14)