Nghiên cứu thí nghiệm kéo đất đinh trong đất đá granite phân hủy hoàn toàn nén chặt: Luận án tiến sĩ

• Tác giả: Su Li-Jun
• Người hướng dẫn: Professor J-H. Yin
• Trường học: The Hong Kong Polytechnic University
• Chuyên ngành: Civil and Structural Engineering
• Đề tài: Laboratory Pull-Out Testing Study on Soil Nails in Compacted Completely Decomposed Granite Fill
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hong Kong

• CERTIFICATE OF ORIGINALITY
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Organization of the thesis
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. The soil nailing technique
• 2.2. Advantages and limitations of soil nailing
• 2.3. Fields of application
• 2.4. Soils suitable for soil nailing
• 2.5. Behaviour of soil nailing
• 2.5.1. Soil nailing mechanism
• 2.5.2. Nail-soil interface shear resistance
• 2.5.3. Influence of bending stiffness of the nail
• 2.5.4. Failure modes of soil nailed structures
• 2.6. Design methods for soil nailing structures
• 2.6.1. The Davis method
• 2.6.2. The French method
• 2.6.3. The German method
• 2.6.4. The Juran method
• 2.6.5. Discussion on current design guides and codes
• 2.7. Factors influencing the pull-out resistance
• 2.7.1. Methods of installation
• 2.7.2. The nail surface conditions
• 2.8. Research and development
• 2.8.1. Large scale model tests and field monitoring
• 2.8.2. Laboratory testing studies
• 2.8.2.1. Laboratory pull-out tests
• 2.8.2.2. Direct shear and interface shear testing studies
• 2.8.3. Small scale tests
• 2.8.4. Numerical modeling
• 3. CHƯƠNG 3: EQUIPMENT AND APPARATUS FOR PULL-OUT TESTS
• 3.1. Problems studied by laboratory pull-out tests
• 3.2. Numerical study on boundary effect for design of the box
• 3.3. Design and construction of two pull-out boxes
• 3.4. Investigations to be conducted using the boxes
• 3.5. Description of the pull-out box
• 3.6. Extension cylindrical chamber covering the soil nail end
• 3.7. A waterproof front cap to covering the soil nail head
• 3.8. Application of back pressure for saturation of the soil
• 3.9. Measures for reducing side friction of the box
• 3.10. Instrumentation and measurements
• 3.11. Drilling machine and cement grouting tools
• 3.12. Equipment for cement grouting without and with pressure
• 3.13. Setup of the box for soil nail pull-out testing
• 3.14. Summary and conclusions
• 4. CHƯƠNG 4: MATERIAL PROPERTIES AND TEST PROCEDURES
• 4.1. Basic properties of the CDG soil
• 4.2. Determination of the shear strength of the soil
• 4.3. Properties of the cement grout
• 4.4. Calibration of transducers
• 4.5. Soil preparation and test procedures
• 5. CHƯƠNG 5: INFLUENCE OF OVERBURDEN PRESSURE ON SOIL NAIL PULL-OUT BEHAVIOUR AND RESISTANCE
• 5.1. Stress variations during drilling and grouting
• 5.2. Stress release during drilling
• 5.3. Variation of earth pressure during and after grouting
• 5.4. Development of earth pressure during pull-out
• 5.5. Pull-out shear stress-displacement behaviour
• 5.6. Influence of overburden pressure on pull-out shear resistance
• 5.7. Peak pull-out shear resistance
• 5.8. Apparent coefficient of friction
• 5.9. Shear stress distribution on the nail-soil interface
• 5.10. Summary
• 6. CHƯƠNG 6: INFLUENCE OF DEGREE OF SATURATION ON SOIL NAIL PULL-OUT BEHAVIOUR AND RESISTANCE
• 6.1. Earth pressure and pore pressure responses during saturating the soil
• 6.2. Variations of earth pressure
• 6.3. Decreased earth pressure immediately after grouting
• 6.4. Failure patterns of the soil nail
• 6.5. Effect of degree of saturation of the soil on pull-out behaviour and resistance
• 6.6. Summary and major findings
• 7. CHƯƠNG 7: EFFECT OF GROUTING PRESSURE ON SOIL NAIL PULL-OUT BEHAVIOUR AND RESISTANCE
• 7.1. Variations of earth pressures during drilling and pressure grouting
• 7.2. Variations of earth pressures during the whole period of testing
• 7.3. Failure patterns of the soil nail
• 7.4. Influence of grouting pressure
• 7.5. Summary and conclusions
• 8. CHƯƠNG 8: NUMERICAL SIMULATION OF PULL-OUT TESTS
• 8.1. Mesh and boundary conditions
• 8.2. Procedure of the simulation
• 8.3. Description of the finite element model
• 8.4. Simulation of the pull-out tests
• 8.5. Stress and strain rate contours
• 8.6. Variations of the vertical stress during the simulation
• 8.7. Influence of the overburden pressure
• 8.8. Influence of dilation angle
• 8.9. Influence of grouting pressure
• 8.10. Summary
• 9. CHƯƠNG 9: SUMMARY, CONCLUSIONS AND SUGGESTIONS
• 9.1. Recommendations and suggestions
• REFERENCES
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES

I. Nghiên cứu thí nghiệm

Nghiên cứu thí nghiệm kéo đất đinh trong đất đá granite phân hủy hoàn toàn nén chặt tập trung vào việc xác định sức kháng kéo tại bề mặt tiếp xúc giữa đất đinh và đất xung quanh. Nghiên cứu thí nghiệm này được thực hiện trong phòng thí nghiệm với mục tiêu khắc phục các hạn chế của thử nghiệm hiện trường, nơi kết quả thường bị ảnh hưởng bởi điều kiện địa chất không đồng nhất. Thí nghiệm địa kỹ thuật được thiết kế để mô phỏng chính xác quá trình thi công thực tế, bao gồm việc áp dụng áp lực đè nén và quá trình khoan-grouting. Kết quả cho thấy sự phát triển của sức kháng kéo chủ yếu phụ thuộc vào độ giãn nở bị hạn chế của đất xung quanh.

1.1. Thiết kế và xây dựng hộp kéo

Hộp kéo với kích thước 1.6m chiều rộng và 0.83m chiều cao được thiết kế để thực hiện các thí nghiệm kéo. Một buồng hình trụ mở rộng được sử dụng để đảm bảo chiều dài cố định 1.0m của đất đinh trong quá trình kéo. Thí nghiệm vật liệu đất được hỗ trợ bởi hệ thống đo lường toàn diện, bao gồm áp lực đất, áp suất lỗ rỗng và lực kéo. Các thiết bị này giúp thu thập dữ liệu chính xác về sự biến đổi của đất trong quá trình thử nghiệm.

1.2. Quy trình thí nghiệm

Quy trình thí nghiệm bao gồm việc áp dụng áp lực đè nén trước khi khoan để mô phỏng điều kiện thi công thực tế. Phân tích đất đá được thực hiện để xác định các thông số cơ học của đất granite phân hủy hoàn toàn. Kết quả cho thấy áp lực đất xung quanh lỗ khoan giảm đáng kể sau khi khoan và sự phục hồi áp lực sau quá trình grouting là tối thiểu.

II. Đất đá granite phân hủy hoàn toàn

Đất đá granite phân hủy hoàn toàn (CDG) là vật liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu này. Đặc tính cơ học của CDG được xác định thông qua các thí nghiệm triaxial truyền thống và thí nghiệm triaxial tế bào kép. Kỹ thuật địa chất được áp dụng để phân tích sự thay đổi của sức kháng kéo theo độ bão hòa của đất. Kết quả cho thấy sức kháng kéo đạt giá trị cao nhất ở độ bão hòa 50% và 75%.

2.1. Đặc tính cơ học của CDG

Các thí nghiệm triaxial trên mẫu đất bão hòa và không bão hòa được thực hiện để xác định các thông số sức kháng cắt của CDG. Phân tích đất đá cho thấy sự thay đổi đáng kể của sức kháng cắt theo độ bão hòa. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống đất đinh trong điều kiện đất không bão hòa.

2.2. Ảnh hưởng của độ bão hòa

Các thí nghiệm kéo được thực hiện ở các độ bão hòa khác nhau cho thấy sức kháng kéo đỉnh thay đổi đáng kể. Thí nghiệm kéo trong điều kiện đất bão hòa hoàn toàn cho thấy sức kháng kéo thấp hơn so với đất không bão hòa. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát độ bão hòa trong quá trình thi công.

III. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này cung cấp các dữ liệu quan trọng cho việc thiết kế và đánh giá ổn định của các hệ thống đất đinh trong đất đá granite phân hủy hoàn toàn. Kỹ thuật địa chất được áp dụng để mô phỏng các điều kiện thực tế, giúp cải thiện độ chính xác của các mô hình thiết kế. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các dự án xây dựng ở khu vực có điều kiện địa chất tương tự, đặc biệt là ở Hồng Kông.

3.1. Cải thiện thiết kế đất đinh

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự cần thiết của việc xem xét các yếu tố như áp lực đè nén, độ bão hòa và áp lực grouting trong thiết kế đất đinh. Phân tích đất đá và thí nghiệm địa kỹ thuật giúp xác định các thông số thiết kế chính xác hơn, giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

3.2. Mô hình hóa số

Mô hình hóa số được thực hiện để mô phỏng các thí nghiệm kéo, với kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Kỹ thuật địa chất và phân tích đất đá được sử dụng để cải thiện độ chính xác của mô hình, giúp dự đoán hiệu suất của hệ thống đất đinh trong các điều kiện khác nhau.