MỞ ĐẦU 1. Vấn đề thực tiễn và tính cấp thiết của đề tài Thành phố Cần Thơ nằm trên lưu vực đồng bằng sông Mê Kông. Đây là khu vực có tầng đất phù sa khá dày và tập trung đất sét yếu. Với mục tiêu phát triển các đô thị, rất cần thiết lựa chọn các giải pháp và công nghệ xử lý nền thích hợp cho điều kiện của Cần Thơ.
Vấn đề gia cố nền đất yếu vốn đa dạng và phức tạp về nhiều cách thức, khi gặp một trường hợp móng nền yếu thì quan trọng nhất chính là giải pháp xử lý nền đất yếu, mà muốn có giải pháp thì ta phải biết những giải pháp có thể ứng dụng hay nói cách khác là phạm vi áp dụng của từng giải pháp. Việc đa dạng trong cách khắc phục nền đất yếu một mặt tạo điều kiện thuận lợi về cách xử lý nhưng cũng có những khó khăn nhất định nếu người quyết định không đủ kinh nghiệm và kiến thức để giới hạn và khoanh vùng giải pháp nhằm đạt hiệu quả xử lý cao nhất. Có nhiều biện pháp cải tạo và gia cố nền đã được áp dụng rộng rãi khắp nơi trên thế giới bao gồm: gia tải trước kết hợp với hệ thống thoát nước theo phương đứng (giếng cát, bấc thấm, …), cọc xi măng đất, …. Với mục đích chung cho việc gia cố nền của tất cả các biện pháp kỹ thuật nhằm can thiệp vào môi trường bên trong các lớp đất yếu, tạo nên những biến đổi quá trình tái cấu trúc thành phần hạt đất khi khai thác sử dụng xây dựng công trình.
Mặt khác, vai trò của việc gia cố cải tạo nền gồm: - Tăng khả năng chịu tải của nền đất; - Giảm biến dạng, tăng tốc độ cố kết nền đất, giảm lún lệch; - Giảm độ nhạy, hóa lỏng; - Tăng sức chống cắt của đất. Do đó, ta thấy rằng cải tạo và xử lý đất yếu trở nên thuận lợi hơn nhờ sự đóng góp của các biện pháp cải tạo từ những thành tựu nghiên cứu. Trong nhiều phương pháp gia cố đất thì cọc vật liệu rời đã được ứng dụng từ rất lâu và phương án thiết kế, thi công cũng rất đa dạng và biến hóa. Những ứng dụng mạnh mẽ của cọc vật liệu rời như: -2- - Tăng khả năng chịu tải nền, nền móng chống đỡ công trình dân dụng; - Ổn định trượt, mái dốc, ổn định nền đưỡng công trình giao thông; - Giảm đặc tính hóa lỏng của cát.
Cọc vật liệu rời cấu tạo gồm đá, sỏi hoặc cát như là một hệ thống thoát nước theo phương đứng khi được cấm vào trong đất và trở nên khả thi hơn, ngày càng giữ được vai trò chính trong giai đoạn lựa chọn phương án thiết kế và hiệu quả kinh tế trong xử lý nền móng và tăng khả năng chịu tải của đất yếu. Với sự phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ hiện nay thì việc thi công cọc vật liệu rời ngày càng trở nên thuận lợi và rút ngắn thời gian thi công. Tuy nhiên, công nghệ cọc vật liệu rời còn khá mới trên thị trường Việt Nam, do đó ta cần tập trung nghiên cứu ứng dụng của cọc vật liệu rời phù hợp cho những công trình ở Việt Nam nói chung và khu vực thành phố Cần Thơ nói riêng. Đây chính là cơ sở hình thành nên đề tài luận văn này.
Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu dạng phá hoại thường gặp của cọc vật liệu rời ở khu vực đất Cần Thơ. Nghiên cứu đường kính và khoảng cách của cọc vật liệu rời để ứng dụng phù hợp gia cố đất yếu tại khu vực Cần Thơ. Nghiên cứu giải pháp cọc vật liệu rời ứng với áp lực tác dụng lên nền tối đa đối với vùng đất yếu tại khu vực Cần Thơ. Phƣơng pháp nghiên cứu Phân tích lý thuyết tính toán cọc vật liệu rời trong gia cố ổn định nền đất yếu.
Tính toán khả năng chịu tải của nền trước và sau khi gia cố bằng cọc vật liệu rời theo phương pháp giải tích. Ứng dụng phần mềm phân tích ổn định, biến dạng và khả năng chịu tải của nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời. Ứng dụng tính toán công trình thực tế với địa chất khu vực thành phố Cần Thơ. Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng liên quan đến phương pháp cọc vật liệu rời.
So sánh kết quả giải tích và mô phỏng. Từ đó, để có được đánh giá và kiến nghị kết quả đạt được. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài Từ phân tích ứng xử của cọc vật liệu rời bằng phần mềm Plaxis với các thông số tính toán được xác định từ hồ sơ và phòng thí nghiệm. Do vậy, kết quả thu được mang tính khoa học và thực tiễn cao.
Nghiên cứu này sẽ rất hữu ích cho các kỹ sư địa kỹ thuật và được sử dụng như tài liệu tham khảo để phân tích độ ổn định, biến dạng, sự phân bố ứng suất lên khi gia cố nền bằng cọc vật liệu rời. Từ đó lựa chọn phương pháp tính toán và mô hình phù hợp cho các công trình tại khu vực đất yếu. Phạm vi nghiên cứu Thời gian thực hiện đề tài ngắn nên ở đây chỉ tập trung phân tích xác định độ lún, độ ổn định và khả năng chịu tải vùng nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời. Dựa vào lý thuyết nghiên cứu dạng phá hoại thường gặp, kích thước của cọc vật liệu rời (chiều dài, đường kính) để ứng dụng phù hợp gia cố đất yếu tại khu vực Cần Thơ.
Đồng thời tìm giải pháp cọc vật liệu rời hợp lý ứng với chiều cao đắp hợp lý đối với đất yếu tại khu vực thành phố Cần Thơ. -4- Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG CỌC VẬT LIỆU RỜI ĐỂ XỬ LÝ ĐẤT YẾU 1. Tổng quan về cọc vật liệu rời Cọc vật liệu rời cấu tạo chủ yếu là cát, đá hoặc sỏi dùng để cải tạo nền đất yếu. Đất nền được cải tạo bằng cọc vật liệu rời trở thành nền hỗn hợp.
Khi chịu tải trọng tác dụng cọc vật liệu rời có khuynh hướng phình ngang và truyền ứng suất qua phần đất nền ở phía trên. Cường độ và khả năng chịu tải của đất nền hỗn hợp có thể gia tăng và tính nén lún giảm. Ngoài ra, cọc cấu tạo bằng vật liệu rời có hệ số thấm lớn cho nên nó cũng có chức năng làm tăng nhanh tốc độ cố kết và giảm độ lún còn lại khi sử dụng công trình. Cọc vật liệu rời có đường kính từ 0,3m ÷ 1,2m tùy thuộc vào công nghệ và thiết bị của nhà thầu xây dựng.
Khi sử dụng cọc vật liệu rời gia cố nền đất yếu thì số lượng cọc sẽ thay thế từ 15% ÷ 35% thể tích đất yếu trong nền, sức chịu tải đất nền tăng từ 50% ÷ 100%, độ lún giảm 3 ÷ 4 lần khi chưa gia cố. Khả năng chịu tải của cọc từ 20T ÷ 50T tùy theo chiều dài và đường kính thiết kế của cọc. Khi cọc vật liệu rời được xem là một phương pháp gia cố, cải tạo đất. Chiều dài của cọc được sử dụng ở châu Âu có xu hướng nói chung giữa 13ft và 33ft (4m÷10m), thực tế và kinh tế cho độ sâu ít hơn khoảng 20ft (6m).
Chúng tạo nên một môi trường đất có sức chịu tải lớn và xảy ra quá trình tái kết cấu của khung hạt đất, sự phân bố lại ứng suất trong nền, giảm độ lún, tăng nhanh quá trình cố kết. Cọc vật liệu rời đóng vai trò như một hệ thống thoát nước của nền đất yếu, làm tăng nhanh quá trình cố kết của đất tại khu vực xây dựng. Điều kiện làm việc của cọc phụ thuộc vào cách bố trí cọc trên mặt bằng thi công. Có ba hình thức bố trí cọc thường gặp là bố trí dạng tam giác, dạng lục giác và dạng lưới ô vuông.
Mỗi phương án thiết kế tác giả có thể tính toán ổn định của nền đất yếu. Việc sử dụng cọc vật liệu rời để gia cố nền có những ưu điểm nổi bật sau: - Cọc vật liệu rời giúp nước lỗ rỗng thoát ra nhanh, làm tăng nhanh quá trình cố kết và độ lún ổn định diễn ra nhanh hơn. -5- - Nền đất được ép chặt do ống thép tạo lỗ, sau đó lèn chặt đất vào lỗ làm cho đất được nén chặt thêm, nước trong đất bị ép thoát vào cọc cát, do vậy làm tăng cường độ cho nền đất sau khi xử lý. - Cọc vật liệu rời thi công đơn giản, vật liệu rẻ tiền (đá, sỏi hoặc cát) nên giá thành rẻ hơn so với dùng các loại vật liệu khác.
Nhìn chung, khái niệm nền đất yếu bao hàm các loại đất sét yếu, đất với tỷ phần hạt mịn cao hoặc đất sét chứa hàm lượng nước cao, đất chứa nhiều than bùn và các tập cát lỏng ở gần hoặc dưới mực nước ngầm. Đối với các loại đất dạng sét, “độ yếu” của chúng có thể đánh giá trên cơ sở sức kháng nén không nở hông, qu và giá trị SPT N cũng được dùng để đánh giá độ chắc, tỷ trọng tương đối của nền đất. Xét các yếu tố như tầm quan trọng của công trình, tải trọng, điều kiện nền đất, thời gian xây dựng. có thể thấy rõ tầm quan trọng của việc chọn lựa phương pháp thích hợp đối với từng loại đất cụ thể: - Đối với đất yếu và đất kết dính trong điều kiện đang lún, có thể áp dụng các biện pháp cải thiện nền đất như Cọc vật liệu rời nện, thêm phụ gia.
- Đối với các loại nền cát rời có thể áp dụng các biện pháp đầm hiện trường như đầm rung, đầm cộng hưởng và đầm rung nổi. - Đối với các nền đất đắp nổi cao trên mặt đất, có thể áp dụng các biện pháp gia cường đất, ổn định cơ học hoặc sử dụng các vật liệu địa kỹ thuật nhẹ. Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền Trong số các biện pháp cải thiện nền đất ngoài trời, có lẽ cọc cát hoặc đá là vạn năng nhất. Chúng trước hết giúp gia cường nền và tiêu thoát nước, sau đó còn giúp cải thiện sức bền và đặc điểm biến dạng của đất yếu sau khi thi công và tái cố kết.
Cọc vật liệu rời, thay thế cho một phần đất yếu lấy đi, làm tăng dung trọng của đất, tiêu thoát nhanh lượng áp lực nước lỗ rỗng dư, làm việc như những kết cấu khoẻ, cứng chắc và chịu được ứng suất cắt lớn hơn. Cọc vật liệu rời có thể áp dụng cho nhiều kiểu loại đất khác nhau, từ các loại cát rời đến đất sét yếu và các loại đất hữu cơ. Cọc vật liệu rời rất kinh tế kể cả khi phải chịu tải ở mũi cọc.
