Đặt vấn đề nghiên cứu Như chúng ta đã biết, hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều những nghiên cứu về địa kỹ thuật và đã có những đóng góp to lớn vào sự phát triển của kỹ thuật nền móng. Trong đó, lĩnh vực địa kỹ thuật đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng và có những đóng góp tiến bộ. Kỹ thuật cải tạo, xử lý nền đất yếu là một trong những yếu tố đầu tiên đã được quan tâm và nghiên cứu trong suốt thời gian qua. Có nhiều biện pháp cải tạo và gia cố nền đất yếu 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 (deep soil mixing), đầm chặt đất, bơm hút chân không, sàn giảm tải… được sử dụng khá phổ biến trong nhiều năm qua và trở nên thực tiễn trong việc lựa chọn phương pháp thiết kế và hiệu quả kinh tế trong ứng dụng cải tạo nền đất yếu.
Với một 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 xử lý nền đất yếu thì cọc vật liệu rời (Stone Column) đã và đang được ứng dụng khá phổ biến từ khi có những cơ sở lý thuyết được kiểm chứng từ thực nghiệm đã được nghiên cứu trong nửa thế kỷ qua.
Những ứng dụng của cọc vật liệu rời như: - Tăng khả năng chịu tải nền, -2- - Như là yếu tố móng cho công trình dân dụng, - Ổn định trượt, mái dốc, ổn định nền đường 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 và ngày càng giữ 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 được thời gian thi công. Trên thế giới có nhiều phương pháp thi công như: phương pháp thay thế bằng rung động (Vibro-Replacement Method) hay còn gọi là phương pháp rung ướt (Wet), phương pháp nén chặt bằng tác động rung (Vibro-Displacement), phương pháp rung khô (Dry). Tùy vào cấu tạo, thành phần hạt của từng lớp đất mà ta chọn phương pháp thi công phù hợp.
Tuy nhiên công nghệ cọc vật liệu rời còn khá mới mẽ trên thị trường Việt Nam, do đó ta cần tập trung nghiên cứu về ứng dụng của cọc vật liệu rời phù hợp cho những công trình ở Việt Nam nói chung và khu vực đồng bằng sông Cửu Long nói riêng. Đây cũng chính là cơ sở hình thành nên đề tài luận văn này. Nội dung nghiên cứu - Tập trung nghiên cứu phân tích lý thuyết tính toán cọc vật liệu rời trong gia cố ổn định nền móng công trình. - Phân tích độ độ lún, khả năng chịu tải, sự phân bố ứng suất lên khi gia cố nền bằng cọc vật liệu rời.
- Ứng dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation mô phỏng ứng xử của nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời. - Ứng dụng tính toán công trình thực tế, công nghệ thi công cọc vật liệu rời cho công trình nhà máy thực phẩm Vifon II tại khu công nghiệp Hải Sơn, xã Đức Hòa Hạ, huyện Đức Hòa, tỉnh Long An. Phương pháp nghiên cứu - Dự tính độ lún ổn định nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời theo lý thuyết giải tích của các tác giả như: Aboshi (1979), De Beer và Van Impe (1983), Priebe (1995) cùng với việc quan trắc bằng phương pháp Asaoka. - Mô phỏng ứng xử nền bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation.
- So sánh kết quả tính toán và quan trắc hiện trường. - Nghiên cứu sự phân bố ứng suất lên nền và cọc vật liệu rời. - Lặp biểu đồ quan hệ tương quan giữa các kết quả thu được từ tính toán, quan trắc. Từ đó để có được đánh giá và kiến nghị kết quả đạt được.
- Xác định sức chịu tải cọc đơn theo lý thuyết và mô phỏng kết hợp kết quả nén tĩnh tại hiện trường. Phạm vi nghiên cứu Thời gian thực hiện đề tài ngắn nên tác giả chỉ tập trung phân tích xác định độ lún ổn định, sự phân bố ứng suất và khả năng chịu tải vùng nền khi gia cố bằng cọc vật liệu rời. Các số liệu qua trắc công trình còn hạn chế nên kết quả nghiên cứu chỉ đại diện cho khu vực nhất định. -4- CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CỌC VẬT LIỆU RỜI 1.1 Tổng quan về cọc vật liệu rời (Stone Column) Cọc vật liệu rời là một giải pháp gia cố xứ lý nền đất yếu, nó xuất hiện vào năm 1935 và phát triển rất mạnh ở các nước như: Mỹ, Canada và Châu Âu vào những năm 1950.
Cọc vật liệu rời đóng vai trò quan trọng trong giải quyết những bài toán địa kỹ xây dựng công trình trên nền đất yếu, là một trong những giải pháp hữu hiệu và kinh tế cho những công trình đất yếu có chiều sâu nén lún không lớn. Cọc được cắm vào trong vùng đất yếu bằng phương pháp rung động khác nhau và được vận dụng linh hoạt cho những vùng đất đất yếu có cường độ kháng cắt nhỏ phân bố từ 15 kPa đến 50 kPa, nhằm làm tăng khả năng chịu tải của đất nền, giảm độ lún nền khi xây dựng công trình bên trên. Cọc vật liệu rời có đường kính từ 0.2m 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 20% ÷ 100%, độ lún giảm 2 ÷ 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 sâu cắm cọc hiệu quả từ 20÷ 30ft (từ 6÷ 10m). 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. Tuy nhiên có ba hình thức bố trí cọc thường gặp là bố trí dạng tam giác, lục giác và dạng lưới ô vuông. Mỗi phương án thiết kế mà ta có thể tính toán, ổn định cho phù hợp.
-5- Column radius = r Column Area = AC S S S Area per column = A(Unit Cell) Hình 1.1:Bố trí cọc vật liệu rời theo lưới ô vuông và tam giác Đặc biệt khi ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền thì cần quan tâm cấu tạo của phân tầng địa chất khu vực. Nếu vùng đất yếu có các lớp đất có độ nhạy lớn và những lớp có nguồn gốc hữu cơ hay là gồm các thấu kính đất yếu của bùn vì khả năng chịu nén của những lớp đất này rất thấp gây ra sự chuyển vị dọc thân cọc lớn. Khi các lớp thấu kính cũng như lớp đất bùn có bề dày từ 1 ÷ 2 lần đường kính cọc vật liệu rời thì khả năng sử dụng phương pháp rung và thay thế không hiệu quả. Chiều dài của cọc vật liệu rời sử dụng ở Châu Âu từ 13 ÷ 33ft (4 ÷ 10m).
Những ứng dụng thực tế cho thấy cọc có chiều dài hiệu quả nhất là 4m ÷ 10m, khi chiều dài cọc trong tầng đất yếu hơn 10m thì hiệu quả kinh tế thấp. Tuy nhiên ngoài việc xem xét về ảnh hưởng hình dạng cọc trong ứng dụng xử lý nền thì cọc vật liệu rời được sử dụng trong phương án lựa chọn thiết kế đối với lớp đất có sức chống cắt không thoát nước > 7kPa. Việc thi công công nghệ cọc vật liệu rời trong gia cố, cải tạo nền đất yếu có thể hoàn toàn sử dụng cho cả những hố đào sâu bằng phương pháp thay thế hay đằm chặt. Các phương pháp xây dựng cọc vật liệu rời được sử dụng hiện nay gồm: Vibro-Replecement (Wet Method), Vibro-Displecement (Dry Method), Rammed Stone Column, Sand Compaction, Case-Borehole Method.
-6- Hiện nay trên thế giới sử dụng chủ yếu các phương pháp là Vibro- Replecement (Wet Method), Vibro-Displecement (Dry Method), Vibro- Compaction.2 Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền Giải pháp kỹ thuật khi thiết kế cọc vật liệu rời trong xử lý, cải tạo nền đã rất thành công như: giải quyết các bài toán về ổn định mái dốc cho đường đắp, đê, đập, công trình san lấp và cho cả việc gia cố những mái dốc tự nhiên. Đồng thời tăng khả năng chịu tải của đất nền, giảm độ lún và khả năng hóa lỏng của các loại đất xốp và cát. Việc sử dụng phương pháp cọc vật liệu rời ở Mỹ cho thấy rằng, khi được xây dựng trên nền cát yếu hiệu quả hơn trên nền đất dính. Vào năm 1982 ở Mỹ đã có 21 dự án sử dụng cọc vật liệu rời.
Các công trình gia cố bằng công nghệ cọc vật liệu rời: - Gia cố móng nền đường (Embankment fill Support): cho đường cao tốc và đoạn đất đắp của hai bên mố cầu và được sử dụng tại Hamton, Virginia và Clarrk Fork, Idoho. Ngoài ra tại Malaysia cọc vật liệu rời được chọn lựa gia cố nền đường cao tốc có chiều cao 15m, bố trí lưới ô 1.2m, đường kính cọc D = 1 ÷ 1.1m, chiều sâu cắm cọc 12 ÷ 15m.2 :Mặt bằng tổng thể đường cao tốc Malaysia -7- Hình 1.
