Đặt vấn đề nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Khi xây dựng các công trình có mặt bằng rộng lớn trên đất yếu, việc tính toán thiết kế nền là vô cùng quan trọng. Thiết kế nền luôn tận dụng mức cao nhất khả năng chịu lực của đất nền tự nhiên, nhưng khi đất nền tự nhiên không còn đủ khả năng gánh chịu tải trọng công trình, các biện pháp gia cố sẽ được sử dụng để tăng cường khả năng chịu lực của đất nền và giảm lún. Gia cố nền nhằm thay đổi tính chất cơ học và vật lí của đất yếu bằng các biện pháp cải tạo để có thể đảm bảo khả năng ổn định tổng thể của nền. Các tác động cơ học như gia tải trước kết hợp bấc thấm hay giếng cát làm cho đất nền lún trước, thay thế đất bằng vật liệu rời làm cho tính chất của khối đất cải thiện hay tác động hóa học như trộn đất với xi măng, vôi,.
Vai trò của việc cải tạo nền gồm: - Tăng khả năng chịu tải của nền đất - Giảm biến dạng, tăng tốc độ cố kết nền đất, giảm độ lún và lún lệch - Giảm độ nhạy, hạn chế khả năng hóa lỏng - Tăng sức chống cắt của đất và gia tăng khả năng ổn định tổng thể của nền. Phương pháp sử dụng cọc vật liệu rời để xử lý nền đất yếu đã được nghiên cứu, ứng dụng thành công nhiều nơi trên thế giới. Cọc vật liệu rời cắm vào trong đất thay thế một phần đất yếu, giúp phân bố lại ứng suất nên tăng khả năng chịu tải của nền và giảm lún. Ngoài ra, cọc vật liệu rời còn có thể được xem như là một hệ thống thoát nước thẳng đứng, giảm chiều dài đường thấm nên giúp rút ngắn thời gian cố kết.
Do đó, đất nền nhanh đạt độ lún ổn định sau khi đưa vào sử dụng. Với sự phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ, việc thi công cọc vật liệu rời ngày càng trở nên thuận lợi, thời gian thi công được rút ngắn đáng kể. Trên thế giới có nhiều phương pháp thi công như: phương pháp rung thay thế (Vibro–Replacement) còn gọi là phương pháp ướt (Wet Method), phương pháp rung lèn chặt (Vibro– -2- Displacement) còn gọi là phương pháp khô (Dry Method). Tùy vào cấu tạo, thành phần hạt của từng lớp đất cần xử lý, phương pháp thi công phù hợp sẽ được chọn lựa.
Công nghệ cọc vật liệu rời còn khá mới mẻ tại Việt Nam, nên việc nghiên cứu ứng dụng cọc vật liệu rời phù hợp cho những công trình ở Việt Nam có tính thực tiễn cần thiết. Giá trị sự gia tăng khả năng chịu tải và mức độ giảm lún dưới tác dụng của tải trọng công trình lên nền được xử lý bằng cọc vật liệu rời là các số liệu tham khảo có ý nghĩa thiết thực trong việc phân tích và chọn lựa phương pháp xử lý nền hợp lý. Ở đây, giá trị khả năng chịu lực của nền sau khi cải tạo được tăng lên đáng kể đủ để chịu tác dụng của tải trọng lớn và trên diện rộng. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài Nghiên cứu phân tích lý thuyết tính toán cọc vật liệu rời trong gia cố ổn định nền móng công trình.
Phân tích độ ổn định, biến dạng, sự phân bố ứng suất trong nền được gia cố bằng cọc vật liệu rời. Áp dụng tính toán và kiểm tra chất lượng công trình thực tế. Kết quả được so sánh với kết quả quan trắc. Đánh giá ứng xử ứng suất – biến dạng của nền được xử lý bằng cọc vật liệu rời còn được thực hiện bằng cách mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D.
Từ đó phân tích, nhận xét và kết luận về việc ứng dụng cọc vật liệu rời trong xử lý gia cố nền áp dụng cho Việt Nam, đặc biệt đối với trường hợp tải trọng lớn và trên diện rộng. Phương pháp nghiên cứu - Tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến phương pháp cọc vật liệu rời. Nghiên cứu các ứng dụng thực tế của phương pháp này cho các công trình thực cụ thể thông qua các kết quả nghiên cứu đã có. - Phân tích ổn định bằng phần mềm Plaxis 3D.
- So sánh kết quả tính toán và quan trắc hiện trường. -3- - Thiết lập 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. Các hạn chế của đề tài Do giới hạn về số phần tử có thể phát sinh nên việc mô phỏng được thực hiện với số lượng cọc hạn chế với diện gia tải hình chữ nhật nên bài toán mô phỏng chưa thể hiện hoàn toàn ứng xử thực tế nền được xử lý dưới móng bồn chứa hình tròn.
Ngoài ra, trong thực tế thi công, chiều dài cọc đá có thể được chọn lựa khác nhau tùy theo cấu tạo địa chất thay đổi trong phạm vi rộng. Trong luận văn, để thuận tiện cho việc phân tích, chiều dài cọc mô phỏng được xem là như nhau. TỔNG QUAN VỀ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NỀN BẰNG CỌC VẬT LIỆU RỜI, ĐẶC ĐIỂM THI CÔNG VÀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG Tổng quan về cọc vật liệu rời (cọc đá) Cọc vật liệu rời xuất phát từ cọc đá ba lát, là loại cọc được cấu tạo bằng đá rời đặt trong đất, tham gia cùng đất nền đỡ tải trọng công trình. Cọc vật liệu rời đóng vai trò quan trọng trong giải quyết những bài toán địa kỹ thuật trong xây dựng công trình trên nền đất yếu, là một trong những giải pháp gia cố xử lý nền đất yếu hữu hiệu và kinh tế [1].
Giải pháp cọc vật liệu rời xuất hiện vào năm 1930 và phát triển mạnh mẽ từ năm 1950 ở Mỹ, Canada và Châu Âu. Trong thi công cọc vật liệu rời, thông thường vật liệu thay thế khoảng 15 – 35% thể tích đất yếu. Cọc có đường kính từ 0,3 – 1,2m tùy thuộc vào công nghệ và thiết bị của nhà thầu xây dựng. Khả năng chịu tải của cọc có thể đạt đến 20 – 50 tấn tùy theo chiều dài và đường kính thiết kế của cọc.
Sự hiện diện của cọc tạo thành một vật liệu hỗn hợp có tính nén lún nhỏ hơn và sức chống cắt cao hơn đất nền chưa gia cố. Dưới tác dụng của tải trọng công trình trên bề mặt, cọc và nền đất cùng lún xuống. Cọc có độ cứng lớn hơn đất nền dẫn đến sự tập trung ứng suất trên đầu cọc. Gia cố nền bằng cọc vật liệu rời phù hợp cho những loại đất sét yếu có sức kháng cắt từ 15 – 50 kPa.
Chiều sâu cắm cọc hiệu quả nhất là từ 6 – 10m. Khi ứng dụng cọc vật liệu rời cho gia cố nền, cần đặc biệt quan tâm đến cấu tạo địa chất khu vực. Với đất yếu có độ nhạy lớn và nền đất chứa lớp bùn, lớp nguồn gốc hữu cơ (có bề dày lớn hơn 1 – 2 lần đường kính cọc) thì khả năng sử dụng phương pháp rung và thay thế có thể không hiệu quả. Một trong những ứng dụng tốt nhất của cọc vật liệu rời là tăng khả năng ổn định cho những khu vực chịu tải trọng lớn trên diện rộng (như là đất đắp đường, bể chứa,…).
Trong một số trường hợp cụ thể, cọc vật liệu rời được sử dụng có thể kinh tế hơn các phương pháp truyền thống khác. Nền được gia cố có thể giảm lún xuống còn khoảng 30 – 50% so với nền khi chưa được gia cố [6]. -5- Việc thi công công nghệ cọc vật liệu rời trong xử lý gia cố nền đất yếu có thể hoàn toàn sử dụng cho cả những hố đào sâu bằng phương pháp thay thế hay đầm chặt. Hiện nay, các phương pháp thi công được sử dụng phổ yếu trên thế giới là phương pháp rung thay thế Vibro–Replacement (Wet Method), phương pháp rung lèn chặt Vibro–Displacement (Dry Method), phương pháp đầm rung Vibro–Compaction.
Ứng dụng cọc vật liệu rời trong gia cố nền Kỹ thuật dùng cọc vật liệu rời để xử lý gia cố nền đất yếu đã được áp dụng hiệu quả trong việc xử lý bài toán về ổn định mái dốc cho đường đắp, đê đập và cho cả mái dốc tự nhiên, tăng sức chịu tải cho nền đất, giảm lún và lún lệch, giảm khả năng hóa lỏng của các loại đất xốp và cát, tăng độ cố kết và giảm thời gian lún. Cho đến năm 1982, ở Mỹ đã có 21 dự án sử dụng cọc vật liệu rời. Ở Châu Âu, 40 công trình gia cố đoạn dẫn vào cầu ở Anh và nhiều công trình ở Pháp cũng đã sử dụng hiệu quả giải pháp cọc vật liệu rời. Ngày nay, các nước châu Á cũng đang ứng dụng rộng rãi phương pháp này [6].
Một số công trình gia cố bằng công nghệ cọc vật liệu rời: Putrajaya – Boulevard Package, Malaysia (1998 –1999): Một dự án đắp đất làm đại lộ ở Putrajaya có chiều cao đắp đất lên đến 18m. Chiều dày lớp đất yếu bên dưới từ 8 – 12m có khả năng gây trượt, mất ổn định cho khối đất đắp bên trên. Phương án cọc vật liệu rời được chọn lựa sử dụng bởi giá thành rẻ hơn và thân thiện môi trường hơn các phương án xử lý gia cố nền khác. Mặt cắt ngang khu vực xử lý bằng cọc đá tại dự án đắp đất làm đại lộ ở Putrajaya, Malaysia -6- Petronas Kedah ở Gurun, Malaysia (1997): Dự án nhà máy sản xuất phân bón xây dựng một đường ray đặc biệt ở độ cao từ 6 – 8m so với mặt đất tự nhiên.
Nền đất bên dưới là lớp đất sét yếu dày đến 9m có thể gây mất ổn định cho công trình. Phương án cọc đá được sử dụng với đường kính cọc D = 1m, tổng chiều dài cọc được sử dụng lên đến trên hơn 18000m. Mặt cắt ngang khu vực xử lý bằng cọc đá tại dự án Petronas Kedah ở Gurun, Malaysia Hazira LNG Terminal, India (2002): dự án làm nền móng cho 2 bể chứa dầu đường kính 84m và cao khoảng 35m. Cọc vật liệu rời được sử dụng có đường kính cọc D = 1000mm, sâu 16m.
Tổng chiều dài cọc vật liệu rời sử dụng lên đến 45000m. Bồn dầu có sức chứa mỗi bồn 16000m3 trên nền được xử lý bằng cọc đá ở Ấn Độ Kemira Chemicals, Thụy Điển: cọc vật liệu rời được ứng dụng gia cố móng nền cho dự án gồm 7 kho dầu cao 18m, đường kính hơn 20m. Cọc vật liệu rời được sử dụng có đường kính cọc D = 600mm, bố trí lưới ô vuông 1,7 x 1,7m; chiều sâu cắm cọc 5,5m, cấp phối hạt vật liệu 4 – 25mm.
