MỞ ĐẦU 1. GIỚI THIỆU CHUNG Xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho kỹ sư ngành Kỹ thuật xây dựng những thách thức lớn. Đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn, tải trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho xưởng v.v… Có nhiều phương pháp gia cố nền đất yếu như gia tải trước bằng cọc cát hoặc bất thấm, cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, cọc bêtông, sàn giảm tải v.v… mỗi giải pháp đều có ưu và nhược điểm riêng nhưng để lựa chọn được giải pháp phù hợp thì phải đánh giá toàn diện về các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và khả năng thi công phù hợp với điều kiện của khu vực xây dựng. Móng cọc đã được ứng dụng trong xây dựng công trình trên nền đất yếu từ rất lâu trên thế giới, ở Việt Nam trong mấy thập kỷ gần đây được ứng dụng rộng rãi trong các loại công trình dân dụng, cầu đường, thủy lợi.
Tuy giải pháp móng cọc có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại móng khác như về khả năng chịu tải trọng lớn; tính ổn định khi chịu lực; tính đa dạng các phương pháp, công nghệ thi công tiên tiến. nhưng chi phí thường cao và yêu cầu phải sử dụng máy móc thiết bị trong thi công. Do đặc điểm của móng cọc được dìm sâu vào nền đất trong khi các số liệu về nền còn rất phân tán và khó kiểm soát nên hệ số an toàn dùng trong tính toán và thiết kế móng cọc thường cao hơn nhiều so với các giải pháp móng nông và không phù hợp để gia cố và xây dựng móng công trình có quy mô vừa và nhỏ. Với đặc điểm chung địa chất vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có nền đất yếu, điển hình có lớp đất yếu dẻo mềm, dẻo chảy bề dày khá lớn, nhưng lớp đất trên bề mặt thường là lớp cát san lấp dày (1~2)m đã được đầm chặt ở mức độ nào đó trong quá trình san lấp và bên dưới là lớp đất sét đã được cố kết bởi tải trọng bên trên hay do tác động môi trường thường có bề dày (1~3)m.
Các lớp đất bên trên này có khả năng chịu lực tương đối tốt do đó cần tận dụng để chúng cùng tham gia chịu lực cho nền đất. Để gia cố và xây dựng móng công trình có quy mô vừa và nhỏ trong điều kiện nền đất yếu người ta thường sử dụng các loại móng khác nhau như móng cọc tràm ở Miền Nam, móng cọc tre ở Miền Bắc và một trong số các loại cọc đã được sử dụng khá phổ biến những năm gần đây khi xây dựng các công trình có quy mô vừa và nhỏ trong điều kiện địa chất yếu ở ĐBSCL là cọc bê tông cốt thép đúc sẵn siêu nhỏ. Đây là loại cọc có tiết diện tròn đường kính ≤ 200mm hoặc tiết diện vuông ≤ 150mm dài từ 3m đến 5m, có 2 thể sử dụng nhiều phương pháp hạ cọc như đóng, ép hoặc ép rung. Trong thời gian khoảng 10 năm trở lại đây, ở một số nơi ở ĐBSCCL đã ứng dụng cọc BTCT tiết diện nhỏ (kích thước 120x120 mm, 150x150mm, chiều dài cọc từ 3m đến 5m) hoặc cừ đá để thay thế móng cọc tràm, làm móng cho các công trình xây chen cũng như các công trình thấp tầng khác.
Hiệu quả mang lại của phương án móng này là giảm tác động xấu đến môi trường xung quanh trong quá trình thi công như: tiếng ồn, bụi bẩn, bùn sình do đào và vận chuyển đất đào hố móng, giá thành hợp lý. Nhằm mục đích nghiên cứu ứng xử cọc nhỏ trong đất yếu có cát san lấp, tác giả nghiên cứu dựa trên mô hình mô phỏng đất tương tự Schneebeli để tìm ra mối quan hệ tương quan giữa tải trọng với độ lún lệch giữa cọc ngắn và nền đất yếu xung quanh, cũng như các mối liên hệ giữa chiều cao đắp đến khoảng cách giữa các cọc. Dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ứng dụng của phần mềm Plaxis 3D mô phỏng và so sánh kết quả với thực nghiệm. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Cho đến nay ở nước ta, việc xây dựng công trình trên nền đất yếu có cát san lấp vẫn là một vấn đề tồn tại và là một bài toán khó đối với người xây dựng, đặt ra nhiều vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu xử lý nghiêm túc, đảm bảo sự ổn định và độ lún cho phép của công trình.
Nền đất yếu là nền đất không đủ sức chịu tải, không đủ độ bền và biến dạng nhiều, do vậy không thể xây dựng các công trình. Đất yếu là một loại đất không có khả năng chống đỡ kết cấu bên trên, vì thế nó bị lún tuỳ thuộc vào quy mô tải trọng bên trên. Khi thi công các công trình xây dựng gặp các loại nền đất yếu, tùy thuộc vào tính chất của lớp đất yếu, đặc điểm cấu tạo của công trình mà người ta dùng phương pháp xử lý nền móng cho phù hợp để tăng sức chịu tải của nền đất, giảm độ lún, đảm bảo điều kiện khai thác bình thường cho công trình. Trong thực tế xây dựng, có rất nhiều công trình bị lún, phá hoại khi xây dựng trên nền đất yếu do không có những biện pháp xử lý hiệu quả, không đánh giá chính xác được các tính chất cơ lý của nền đất để làm cơ sở và đề ra các giải pháp xử lý nền móng phù hợp.
Đây là một vấn đề hết sức khó khăn, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế để giải quyết, giảm được tối đa các sự cố, hư hỏng của công trình khi xây dựng trên nền đất yếu. 3 Hình 1-1: Công trình bị lún do nền đất yếu [Internet] Cho đến nay, nhiều nhà dân, khu đô thị được xây dựng trên nền đất yếu có cát san lấp và có nhiều phương pháp gia cố nền đất yếu như gia tải trước bằng cọc tràm, cọc tre, cừ đá, cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, cọc bêtông, sàn giảm tải v.v…Tuy nhiên các phương pháp trên chi phí thường cao và yêu cầu phải sử dụng máy móc thiết bị trong thi công và đòi hỏi kỹ thuật cao; Các phương pháp dùng cọc tràm phải đóng dưới mực nước ngầm nên phải đào sâu (1.5~2m) nên dễ ảnh hưởng đến các công trình lân cận; khó kiểm soát được tuổi thọ công trình vì mực nước ngầm thay đổi theo thời gian và khai thác nước ngầm dẫn đến cọc tràm có thể bị mục; việc khai thác cọc tràm theo mùa nên khó chủ động về nguyên vật liệu; chất lượng cọc tràm không đồng đều, thường cong vênh. Vài năm lại đây, cọc ngắn bê tông cốt thép đúc sẵn ở ĐBSCL người dân dùng một cách tự phát và có xu hướng ngày càng tăng, tuy nhiên việc sử dụng giải pháp này còn cảm tính, chưa có lý thuyết hay thực nghiệm khoa học để chứng minh tính hiệu quả, an toàn, bền vững cũng như những hạn chế của nó và cũng chưa có quy trình quy phạm để hướng dẫn áp dụng. Nhằm mục đích nghiên cứu ứng xử và phân bố lại ứng suất trong nền đất yếu gia cố 4 hệ cọc ngắn, từ đó phân tích ổn định và biến dạng của nền đất, xây dựng các mối quan hệ giữa tải trọng nền đắp với độ lún lệch, độ lún lệch với khoảng cách cọc v.
Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình đất tương tự Schneebeli cho móng trên nền đất yếu có cát san lấp bằng cọc ngắn” có ý nghĩa thực tiễn vì việc áp dụng kết quả của đề tài giúp cho việc đánh giá khả năng làm việc an toàn của công trình, từ đó đưa ra biện pháp gia cố cho nền đất yếu nhằm duy trì và đảm bảo an toàn cho việc khai thác kết cấu và mô hình thu nhỏ là mô hình tốt nhất để nghiên cứu. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC 1. Nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu về vấn đề cho móng trên nền đất yếu có cát san lấp bằng cọc ngắn bằng mô hình đất tương tự Schneebeli. Các nhà nghiên cứu bước đầu chỉ tập trung nghiên cứu về ứng xử của ứng xử của đất nền, từ đó đưa ra các phương pháp gia cố nền đất yếu như gia tải trước bằng cọc cát hoặc bất thấm, cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, cọc bêtông, sàn giảm tải v.
Nguyễn Võ Ngọc Huy (2009) [1] đã nghiên cứu sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật xử lý nền đất yếu. Kết quả nghiên cứu cho thấy lực căng trong vải địa lớn nhất, các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm có kết quả bằng 2.8% so với phương pháp của Marston. Phân tích bằng phần mềm Plaxis với các trường hợp khoảng cách s = 1.6m; Chiều cao đệm H = 0.7m, 2m; Các mức tải trọng ngoài đặt vào công trình q=10kN/m2, q =20kN/m2, q = 30kN/m2, q = 40kN/m2, q = 50kN/m2, q=70kN/m2, q=90kN/m, q = 150kN/m2 rút ra được biểu đồ quan hệ q=f(H,s,a) như sau: Hình 1-2: Công trình bị lún do nền đất yếu [1] 5 Tác giả đề nghị như sau: khi s =1. Trần Chí Dũng (2008) [2] đã nghiên cứu so sánh độ lún và tốc độ lún của nền đất yếu dưới nền đường đắp cao được xử lý giếng cát bằng phương pháp tính và kết quả quan trắc.
Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp tính theo 22TCN 262 – 2000 và mô phỏng trên phần mềm Plaxis cho thấy thời gian đạt độ lún ổn định cố kết thấm phù hợp với kết quả quan trắc thực tế. Áp lực nước lỗ rỗng thặng dư vùng trung tâm nền tiêu tán nhanh nên biến dạng thể tích phát triển nhanh và việc sử dụng lý thuyết cố kết thấm trong trường hợp này là hợp lý. Tức là độ lún do trượt ngang không đáng kể. Bieåu ñoà ñoä coá keát theo thôøi gian 0,00% 10,00% 20,00% 30,00% 40,00% Ñoä coá keát (U - %) 50,00% 60,00% 70,00% 80,00% 90,00% 100,00% 10 100 1.000 Thôøi gian (t - ngaøy) 22TCN 262 - 2000 GS.
HVT PLAXIS ASAOKA Hình 1-3: Biểu đồ mức độ cố kết và thời gian [2] Tác giả Nghiêm Viết Thái (2002) [3], đã nghiên cứu “Xử lý nền các công trình xây dựng bằng cọc bê tông cốt thép tiêt diện nhỏ thi công theo phương pháp ép sau”.