Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng sức chịu tải của nền đất cải tạo bằng cột trộn sâu xi măng đất

• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Tien Dung
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi
• Chuyên ngành: Civil Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Thực Nghiệm Và Mô Phỏng Sức Chịu Tải Của Nền Đất Cải Tạo Bằng Cột Trộn Sâu Xi Măng Đất
• Loại tài liệu: Master’s Thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hanoi

• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: General introduction of Cement Deep Mixing method
• 1.1. The design of the foundation
• 1.2. Ground improvement methods
• 1.3. Cement Deep Mixing (CDM) method overview
• 1.4. Load transfer layer
• 1.5. Bearing capacity of shallow footing on Head-enlarged CDM (PF) Column
• 1.6. Necessity of the study

I. Giới thiệu chung về phương pháp trộn sâu xi măng đất CDM

Phương pháp trộn sâu xi măng đất (CDM) đã phát triển từ những năm 1970 và được sử dụng rộng rãi để cải tạo nền đất yếu trên toàn thế giới. Phương pháp này giúp giảm lún, tăng độ cứng của đất và ổn định nền móng. Tuy nhiên, các cột CDM có xu hướng bị phá hủy từ bên ngoài hoặc bên trong dưới tác dụng của tải trọng. Để cải thiện hiệu quả, một lớp chuyển tải (load transfer layer) thường được thiết kế trên đỉnh các cột CDM, giúp phân bố tải trọng đồng đều và giảm lún không đều.

1.1. Lớp chuyển tải

Lớp chuyển tải thường là lớp trộn nông (SM) hoặc kết hợp với vật liệu địa kỹ thuật, giúp chuyển tải trọng từ kết cấu bên trên xuống nền đất cải tạo. Lớp này có độ cứng cao hơn đất nền, giúp các cột CDM làm việc đồng bộ, tăng tính ổn định của hệ thống. Tuy nhiên, việc sử dụng lớp chuyển tải cũng làm tăng ứng suất tại đỉnh cột, đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ để tránh phá hủy cục bộ.

1.2. Khả năng chịu tải của móng nông trên cột CDM mở rộng đỉnh PF

Các cột CDM truyền thống có hạn chế khi cải tạo nền đất dưới móng nông. Để khắc phục, các cột mở rộng đỉnh (PF) đã được phát triển, giúp tập trung cải tạo vào các lớp đất yếu hơn. Các nghiên cứu ban đầu về cột PF cho thấy chúng có hiệu quả hơn so với cột CDM truyền thống, nhưng vẫn cần phân tích sâu hơn về ứng xử của đất và cột dưới tải trọng.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu tập trung vào hai mục tiêu chính: (1) ảnh hưởng của độ dày và độ cứng của lớp trộn nông (SM) đến ứng suất và lún của nền đất cải tạo, và (2) ứng xử của đường cong tải trọng-lún của móng nông trên nhóm cột PF và CDM. Phương pháp phân tích số (PLAXIS 2D và 3D) và thí nghiệm thực địa được sử dụng để đánh giá các yếu tố này.

2.1. Ảnh hưởng của lớp trộn nông SM

Kết quả cho thấy, khi độ dày hoặc độ cứng của lớp SM tăng, lún của nền đất giảm và ứng suất tại đỉnh cột tăng. Một phát hiện quan trọng là ứng suất cực đại trong cột CDM thường không nằm ở đỉnh mà ở giữa cột, nơi đất mềm hơn so với lớp SM và lớp chịu tải ở chân cột.

2.2. So sánh cột PF và CDM

Khi chiều dài đỉnh cột PF không đủ lớn, hiệu quả của cột PF so với cột CDM không đáng kể. Độ cứng của cột và lớp SM ảnh hưởng lớn đến đường cong tải trọng-lún. Ứng suất cực đại trong cột PF thường nằm gần đáy phần hình nón, cần lưu ý trong thiết kế để tránh phá hủy cục bộ.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết luận

Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng xử của nền đất cải tạo bằng cột CDM và PF, đặc biệt là vai trò của lớp chuyển tải và ảnh hưởng của các thông số thiết kế. Các kết quả phân tích số và thí nghiệm thực địa giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm lún và tăng khả năng chịu tải của nền đất. Đây là nguồn tham khảo quan trọng cho các kỹ sư địa kỹ thuật trong các dự án cải tạo nền đất yếu.

3.1. Khuyến nghị

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về ứng xử của cột PF dưới các điều kiện tải trọng khác nhau, đặc biệt là sử dụng mô hình 3D để phân tích chính xác hơn. Ngoài ra, việc kết hợp các phương pháp phân tích số và thí nghiệm thực địa sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng nền móng, việc cải thiện khả năng chịu tải của đất yếu là một thách thức lớn, đặc biệt khi áp dụng các phương pháp cải tạo đất như cọc xi măng trộn sâu (Cement Deep Mixing - CDM). Theo ước tính, phương pháp CDM đã được ứng dụng rộng rãi từ những năm 1970 và hiện nay là một trong những giải pháp hiệu quả để giảm lún và tăng độ cứng của nền đất mềm. Tuy nhiên, việc thiết kế lớp truyền tải tải trọng (load transfer layer) trên đỉnh cọc CDM vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt trong việc đánh giá ứng suất gây ra trên đầu cọc và đất xung quanh. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phân tích ảnh hưởng của độ dày và độ cứng của lớp trộn nông (Shallow Mixing - SM) đến ứng suất trên cọc CDM và sự lún của nền đất được cải tạo dưới điều kiện tải trọng một chiều (1D) bằng phương pháp phân tích số và phân tích lý thuyết. Ngoài ra, nghiên cứu còn so sánh hiệu quả của cọc CDM truyền thống với cọc dạng móng điểm (Point Foundation - PF) có đầu mở rộng, thông qua các phân tích số 3D và thử nghiệm thực địa. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các dự án thực tế tại Việt Nam và Hàn Quốc trong giai đoạn gần đây, với các mô hình số sử dụng phần mềm PLAXIS 2D và 3D. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu thiết kế nền móng, giảm thiểu rủi ro thất bại cục bộ của cọc và nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu cải tạo đất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tải trọng truyền qua lớp cải tạo đất và mô hình vật liệu đất trong phân tích phần tử hữu hạn (FEM). Lý thuyết tải trọng truyền tải tập trung vào cơ chế phân phối ứng suất giữa cọc CDM, lớp trộn nông (SM) và đất nền, trong đó phương pháp ALiCC được sử dụng để ước lượng ứng suất trên đầu cọc và đất xung quanh. Mô hình vật liệu đất được mô phỏng bằng các mô hình phổ biến trong phần mềm PLAXIS như mô hình Mohr-Coulomb (MC), mô hình Hardening Soil (HS) và mô hình Soft Soil (SS), giúp mô phỏng chính xác hành vi đàn hồi - dẻo của đất và cọc. Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ diện tích cải tạo (area replacement ratio), mô đun đàn hồi tương đương của cọc và đất, ứng suất tập trung (stress concentration ratio), và các đặc tính cơ học như mô đun đàn hồi E50, cường độ nén không thoát nước qu, hệ số Poisson ν.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thực nghiệm từ các dự án cải tạo nền móng tại Việt Nam (nhà máy SAMSE Factory) và các phân tích mô phỏng số bằng phần mềm PLAXIS phiên bản 2D và 3D. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các nhóm cọc CDM và PF với số lượng từ 3 đến 4 cọc mỗi nhóm, kích thước cọc và khoảng cách bố trí được giữ cố định để so sánh hiệu quả. Phương pháp chọn mẫu là mô hình hóa đơn vị hình trụ đối xứng (axisymmetric unit cell) cho phân tích 1D và mô hình 3D thực tế cho phân tích tải trọng dưới móng nông. Phân tích số sử dụng các mô hình vật liệu MC, HS và SS để đánh giá sự lún và phân bố ứng suất trong đất và cọc. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu thực địa, thử nghiệm phòng thí nghiệm, mô phỏng số và đối chiếu kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của độ dày lớp SM đến lún nền: Khi độ dày lớp SM tăng từ 0 đến 1.2 m, tổng lún trên bề mặt lớp cải tạo giảm khoảng 15-20%, trong khi lún trên đầu cọc gần như không đổi. Điều này cho thấy lớp SM có vai trò quan trọng trong việc phân phối tải trọng và giảm lún tổng thể.

2. Ảnh hưởng của độ cứng lớp SM đến ứng suất trên cọc: Khi độ cứng của lớp SM tăng từ 100,000 kPa lên 400,000 kPa, ứng suất trên đầu cọc tăng từ khoảng 268 kPa lên 316 kPa, trong khi ứng suất trên đất nền giữ ổn định quanh 55 kPa. Điều này chứng tỏ lớp SM cứng hơn sẽ làm tăng tải trọng truyền xuống cọc.

3. Phân bố ứng suất dọc theo chiều sâu cọc CDM: Ứng suất lớn nhất không phải ở đầu cọc mà thường xuất hiện ở phần giữa chiều sâu cọc, nơi đất nền mềm hơn so với lớp SM phía trên và lớp chịu tải phía dưới. Ứng suất tại phần giữa cọc có thể cao hơn 20-30% so với đầu cọc.

4. So sánh hiệu quả cọc PF và CDM: Khi chiều dài đầu cọc PF không đủ, hiệu quả cải thiện so với cọc CDM cùng kích thước và độ cứng không đáng kể. Ứng suất lớn nhất trên cọc PF thường tập trung gần đáy phần hình nón (cone), có nguy cơ gây thất bại cục bộ nếu không được thiết kế hợp lý.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc ứng suất lớn tập trung ở phần giữa cọc CDM là do sự khác biệt về độ cứng giữa lớp SM và đất nền mềm bên dưới, tạo ra hiện tượng tập trung ứng suất. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về cơ chế truyền tải tải trọng trong nền đất cải tạo. Việc tăng độ cứng lớp SM làm tăng ứng suất trên cọc nhưng đồng thời giảm lún tổng thể, tạo ra sự cân bằng giữa độ bền và biến dạng. So sánh với các phương pháp truyền thống như ALiCC, phân tích số cho thấy ALiCC có thể đánh giá ứng suất đầu cọc khá chính xác nhưng không phản ánh được phân bố ứng suất dọc cọc. Kết quả thử nghiệm thực địa tại SAMSE Factory cũng xác nhận tính chính xác của mô hình số 3D trong dự đoán đường cong tải-lún và phân bố ứng suất, góp phần nâng cao độ tin cậy trong thiết kế thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường thiết kế lớp SM: Khuyến nghị tăng độ dày và độ cứng lớp SM lên mức tối ưu (khoảng 0.4-1.2 m, độ cứng 300,000-400,000 kPa) để giảm lún tổng thể và kiểm soát ứng suất trên cọc, áp dụng trong vòng 6-12 tháng cho các dự án cải tạo nền đất mềm.

2. Kiểm soát chiều dài đầu cọc PF: Thiết kế chiều dài đầu cọc PF đủ lớn để tránh tập trung ứng suất tại phần hình nón, giảm nguy cơ thất bại cục bộ, đặc biệt trong các công trình chịu tải trọng lớn, thực hiện trong giai đoạn thiết kế chi tiết.

3. Sử dụng mô hình số 3D trong thiết kế: Áp dụng phân tích số 3D bằng phần mềm PLAXIS để mô phỏng chính xác hành vi tải-lún và phân bố ứng suất, giúp tối ưu hóa thiết kế cọc và lớp truyền tải tải trọng, triển khai trong quá trình thiết kế kỹ thuật.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phương pháp CDM và PF, cũng như kỹ thuật phân tích số cho kỹ sư thiết kế và thi công, nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả công trình, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế nền móng: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và phương pháp phân tích giúp tối ưu thiết kế cọc CDM và PF, giảm thiểu rủi ro lún và thất bại cục bộ.

2. Nhà thầu thi công cải tạo đất: Hiểu rõ ảnh hưởng của lớp SM và cấu trúc cọc giúp điều chỉnh quy trình thi công, đảm bảo chất lượng và hiệu quả công trình.

3. Chuyên gia phân tích số và mô phỏng: Tài liệu chi tiết về mô hình vật liệu và phương pháp FEM trong PLAXIS hỗ trợ phát triển các mô hình số chính xác hơn cho nền móng cải tạo.

4. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của các phương pháp cải tạo nền móng, từ đó ra quyết định đầu tư hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp CDM là gì và ứng dụng ra sao?
   CDM là phương pháp trộn xi măng sâu vào đất nền để tăng độ cứng và giảm lún, thường dùng trong cải tạo đất mềm dưới nền móng và đê điều. Ví dụ, tại Việt Nam, CDM được áp dụng rộng rãi trong các dự án công nghiệp và giao thông.

2. Lớp trộn nông (SM) có vai trò gì trong hệ thống cọc CDM?
   Lớp SM giúp truyền tải trọng đều giữa cọc và đất nền, giảm sự chênh lệch lún và tăng hiệu quả làm việc đồng thời của các cọc. Nghiên cứu cho thấy tăng độ dày và độ cứng lớp SM làm giảm lún tổng thể khoảng 15-20%.

3. Phân biệt cọc CDM truyền thống và cọc PF?
   Cọc PF có đầu mở rộng hình nón giúp tăng diện tích chịu tải, sử dụng vật liệu thân thiện môi trường và có cường độ cao hơn. Tuy nhiên, hiệu quả phụ thuộc vào chiều dài đầu cọc và thiết kế phù hợp.

4. Mô hình số nào được sử dụng để phân tích nền móng cải tạo?
   Phần mềm PLAXIS với các mô hình Mohr-Coulomb, Hardening Soil và Soft Soil được sử dụng để mô phỏng hành vi đất và cọc, giúp dự đoán chính xác tải-lún và phân bố ứng suất.

5. Làm thế nào để kiểm soát ứng suất tập trung trên cọc?
   Thiết kế lớp SM phù hợp, điều chỉnh chiều dài và hình dạng cọc PF, đồng thời sử dụng phân tích số 3D để đánh giá ứng suất dọc cọc, từ đó tránh hiện tượng thất bại cục bộ do ứng suất quá tải.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng tích cực của lớp trộn nông (SM) trong việc giảm lún và điều chỉnh ứng suất trên cọc CDM.
• Ứng suất lớn nhất trên cọc CDM thường xuất hiện ở phần giữa chiều sâu, không phải đầu cọc như các phương pháp truyền thống đánh giá.
• Cọc PF có hiệu quả tương đương cọc CDM khi đầu cọc đủ dài, nhưng cần lưu ý ứng suất tập trung tại phần hình nón.
• Mô hình số 3D sử dụng phần mềm PLAXIS cho kết quả phù hợp với thử nghiệm thực địa, hỗ trợ thiết kế chính xác và tối ưu.
• Đề xuất áp dụng thiết kế lớp SM tối ưu, kiểm soát chiều dài cọc PF và sử dụng phân tích số trong thiết kế nền móng cải tạo.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án thực tế, đồng thời phát triển thêm các mô hình phân tích đa chiều để nâng cao độ chính xác và hiệu quả thiết kế. Hãy liên hệ để được tư vấn chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật trong lĩnh vực cải tạo nền móng bằng phương pháp CDM và PF.