Luận văn thạc sĩ địa kỹ thuật xây dựng phân tích sự phân bố ứng suất do tải đắp lên nền đất yếu có sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật

Luận văn thạc sĩ phân tích ứng suất do tải đắp lên nền đất yếu sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật, hiệu quả xây dựng.

• Tác giả: Mai Trần Đức Nguyên
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Phán
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Phân tích sự phân bố ứng suất do tải đắp lên nền đất yếu có sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phân tích ứng suất do tải đắp trên nền đất yếu

Phân tích ứng suất là trọng tâm của nghiên cứu, tập trung vào việc xác định sự phân bố ứng suất trong nền đất yếu khi chịu tác động của tải đắp. Nghiên cứu sử dụng cọc bê tông và vải địa kỹ thuật để gia cố nền đất, giúp giảm thiểu biến dạng và tăng khả năng chịu tải. Các phương pháp lý thuyết như Terzaghi (1943), Carlsson (1987), và Hewlett và Randolph (1988) được áp dụng để phân tích hiệu ứng vòm và sự truyền tải trong nền đất. Kết quả cho thấy, việc sử dụng cọc bê tông kết hợp vải địa kỹ thuật giúp phân bố lại ứng suất, giảm tải trọng lên nền đất yếu và tăng hiệu quả truyền tải vào đầu cọc.

1.1. Hiệu ứng vòm trong nền đất yếu

Hiệu ứng vòm là cơ chế chính giúp phân bố lại ứng suất trong nền đất yếu. Khi tải đắp tác động, đất đắp hình thành các cung vòm, truyền tải trọng từ vùng đất yếu sang cọc bê tông. Các nghiên cứu của Terzaghi (1943) và Hewlett và Randolph (1988) chỉ ra rằng, hiệu ứng vòm phụ thuộc vào chiều cao đất đắp, khoảng cách giữa các cọc và độ cứng của vật liệu gia cố. Vải địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu ứng vòm, giảm độ lún lệch giữa các cọc và tăng ổn định cho nền đất.

1.2. Ứng suất do tải đắp

Ứng suất do tải đắp được phân tích dựa trên các mô hình lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D. Kết quả cho thấy, cọc bê tông và vải địa kỹ thuật giúp giảm đáng kể ứng suất tác động lên nền đất yếu. Các yếu tố như chiều cao đất đắp, khoảng cách cọc và kích thước mũ cọc ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố ứng suất. Phương pháp gia cố này không chỉ giảm biến dạng mà còn tăng khả năng chịu tải của nền đất, phù hợp với các công trình lớn và chịu tải trọng cao.

II. Cọc bê tông và vải địa kỹ thuật trong xây dựng

Cọc bê tông và vải địa kỹ thuật là hai thành phần chính trong phương pháp gia cố nền đất yếu. Cọc bê tông đóng vai trò truyền tải trọng xuống tầng đất cứng bên dưới, trong khi vải địa kỹ thuật giúp phân bố lại ứng suất và giảm độ lún lệch. Nghiên cứu so sánh các phương pháp gia cố truyền thống như CPS (Conventional Pile Supported) với phương pháp GRPS (Geosynthetic Reinforced Pile Supported), cho thấy GRPS mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn nhờ giảm số lượng cọc và tăng khoảng cách giữa các cọc. Vải địa kỹ thuật còn giúp tăng ổn định mái dốc và chống lại lực xô ngang tại vị trí biên của nền đất đắp.

2.1. Cọc bê tông trong nền đất yếu

Cọc bê tông được sử dụng để truyền tải trọng từ nền đất đắp xuống tầng đất cứng bên dưới. Nghiên cứu xác định sức chịu tải của cọc dựa trên vật liệu và chỉ tiêu cơ lý của đất nền. Kết quả cho thấy, cọc bê tông giúp giảm độ lún và tăng khả năng chịu tải của nền đất yếu. Tuy nhiên, việc bố trí cọc cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả truyền tải và giảm chi phí thi công.

2.2. Vải địa kỹ thuật trong xây dựng

Vải địa kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố lại ứng suất và giảm độ lún lệch giữa các cọc. Nghiên cứu xác định khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật dựa trên cường độ vải và điều kiện ma sát. Kết quả cho thấy, vải địa kỹ thuật giúp tăng ổn định cho nền đất yếu, đặc biệt là tại các vị trí mái dốc và biên của nền đất đắp. Phương pháp này mang lại hiệu quả kinh tế cao và được khuyến khích áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp gia cố bằng cọc bê tông và vải địa kỹ thuật vào công trình Metro Hưng Lợi Cần Thơ. Kết quả cho thấy, phương pháp này giúp giảm đáng kể độ lún lệch và tăng khả năng chịu tải của nền đất yếu. So sánh giữa kết quả tính toán và quan trắc hiện trường cho thấy sự phù hợp cao, chứng minh tính hiệu quả của phương pháp. Nghiên cứu cũng đề xuất các phương án thiết kế hợp lý, giúp tối ưu hóa hiệu quả gia cố và giảm chi phí thi công.

3.1. Ứng dụng tại công trình Metro Hưng Lợi Cần Thơ

Phương pháp gia cố bằng cọc bê tông và vải địa kỹ thuật được áp dụng tại khu vực bãi xe ô tô của công trình Metro Hưng Lợi Cần Thơ. Kết quả quan trắc hiện trường cho thấy, độ lún lệch được giảm đáng kể so với phương pháp gia cố truyền thống. Phương pháp này không chỉ mang lại hiệu quả kỹ thuật cao mà còn giúp tiết kiệm chi phí thi công, phù hợp với các công trình lớn và chịu tải trọng cao.

3.2. Phân tích kết quả và đề xuất

Nghiên cứu phân tích kết quả tính toán và quan trắc hiện trường, chỉ ra rằng phương pháp gia cố bằng cọc bê tông và vải địa kỹ thuật giúp giảm độ lún lệch và tăng khả năng chịu tải của nền đất yếu. Các yếu tố như chiều cao đất đắp, khoảng cách cọc và kích thước mũ cọc được tối ưu hóa để đạt hiệu quả cao nhất. Nghiên cứu cũng đề xuất các phương án thiết kế hợp lý, giúp tăng hiệu quả gia cố và giảm chi phí thi công cho các công trình tương tự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT. Khi xây dựng các công trình nền đường đắp cao, kho xưởng, bến bãi có tải trọng lớn và rộng trên nền đất yếu, nhiều giải pháp cải tạo đất nền khác nhau có thể được áp dụng như: gia tải trước kết hợp sữ dụng cọc cát hoặc bấc thấm, cải tạo đất bằng cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, sàn giảm tải… Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Phương pháp gia tải trước trực tiếp làm tăng độ cố kết của nền đất yếu bên dưới nhưng kéo dài thời gian thi công và chi phí gia tải tương đối lớn.

Phương pháp cải tạo đất bằng cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi mang tính hiện đại và kinh tế nhưng cần phải đảm bảo chất lượng của vật liệu và công nghệ thi công chuyên nghiệp. Cùng với sự phát triển của các giải pháp gia cố đất nền, Reid và Buchanan (1984) đã sớm sử dụng hệ cọc để truyền tải trọng nền đất đắp xuống tầng đất tốt bên dưới (Conventional Pile Supported - CPS). Phương pháp CPS rút ngắn thời gian thi công, giảm độ lún nền đắp nhưng đòi hỏi khoảng cách các cọc nhỏ nên số lượng cọc lớn và kích thước mũ cọc to, những vị trí biên của nền đất đắp cần phải bố trí những cọc có góc nghiêng để chống lại lực xô theo phương ngang. [27] Nền đắp Mũ cọc Đất yếu Cọc bê tông cốt thép Cọc nghiêng Hình 1.1: Hệ thống cọc chịu tải truyền thống CPS Theo đà phát triển, giải pháp cọc bê tông cốt thép kết hợp sàn giảm tải (Piled 5 with Concrete Slab – PCS) được sử dụng để gia tăng hiệu quả truyền tải vào đầu cọc nhưng chi phí xây dựng rất lớn, chỉ có thể áp dụng cục bộ tại những vị trí nhất định như đường vào cầu, kho xưởng có tải trọng lớn với quy mô tương đối nhỏ.

Nền đắp Mũ cọc Sàn bê tông giảm tải Đất yếu Cọc bê tông cốt thép Hình 1.2: Hệ thống cọc kết hợp sàn giảm tải PCS Để hoàn thiện hơn, Hewlett và Randolph (1988) đã sử dụng giải pháp cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật trải trên đỉnh cọc (Geosynthetic Reinforced Pile Supported - GRPS). Vải địa kỹ thuật gia cường với độ bền chịu kéo cao sẽ làm giảm độ lún lệch giữa các mũ cọc, chống lại lực xô ngang tại vị trí biên của nền đất đắp, tăng ổn định mái dốc trong nền đất yếu và đảm bảo khả năng truyền tải giúp khoảng cách giữa các cọc được mở rộng hơn so với giải pháp cọc đơn thuần truyền thống, nhờ đó mang lại hiệu quả kinh tế cao. [27] Vải địa kỹ thuật bên dưới Nền đắp Vải địa kỹ thuật Mũ cọc Cọc bê tông cốt thép Hình 1.3: Hệ thống cọc kết hợp vải địa kỹ thuật GRPS Từ một cuộc khảo sát trên một diện rộng các dự án, Han (1999) đã nhận thấy rằng phần trăm diện tích mặt bằng che phủ bởi mũ cọc trên tổng diện tích mặt bằng 6 được gia cường là 60-70% đối với giải pháp CPS truyền thống. Trong khi, giải pháp GRPS tỷ lệ này giảm còn 10 - 20% chứng tỏ rằng khoảng cách giữa các cọc lớn nên số lượng cọc giảm.

Trong giải pháp GRPS này, kích thước cọc cũng được giảm tuy nhiên kích thước mũ cần được mở rộng. Tùy theo mức độ quan trọng của công trình, người thiết kế có thể sử dụng hệ cọc là cọc bê tông cốt thép, cọc đá, cọc vôi, cọc đất trộn xi măng, cọc gỗ… [27] 1. TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ CƠ CHẾ TRUYỀN TẢI CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT. Hệ thống cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật GRPS là một loại móng hỗn hợp.

Hoạt động dựa vào một cơ chế truyền tải hiệu quả từ nền đất đắp xuống cọc dựa trên sự kết hợp của: hiệu ứng vòm do hiện tượng tập trung ứng suất dựa trên sự khác nhau về độ cứng giữa cọc và đất yếu, hiệu ứng màng dựa trên khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật và sức chịu tải của cọc bê tông cốt thép. Hiệu ứng vòm Hiệu ứng màng Phản lực của lớp đất yếu Cọc bê tông Tầng đất yếu cốt thép Tầng đất chịu lực Hình 1.4: Tồng quan cơ chế truyền tải của phương pháp GRPS [18] Theo dòng phát triển, hiệu ứng vòm của nền đất đắp trong phương pháp GRPS dần được xác định qua những nghiên cứu đáng ghi nhận sau:  Ban đầu, hiệu ứng vòm đối với Terzaghi (1936) là sự hình thành sức 7 chống cắt dọc theo trụ đất không được chống đở bên dưới và phần đất được chống đở xung quanh. Sức chống cắt này được tạo thành bởi chiều cao đất đắp bên trên và được huy động tới một chiều cao đất đắp xác định nơi mà độ lún giữa các phần đất là như nhau. Sau đó, Terzaghi (1943) đã định nghĩa hiệu ứng vòm trong nền đắp là sự truyền áp lực đất từ khối đất mềm hơn vào khối đất cứng hơn bên cạnh.

[23] 2B D Cung vòm lật ngược Nền đất cứng Hình 1.5: Sự hình thành sức chống cắt dọc theo trụ đất rỗng bên dưới theo Terzaghi (1943)  Đáng chú ý hơn, McNulty (1965) định nghĩa hiệu ứng vòm là khả năng truyền tải từ nơi này sang nơi khác của vật liệu phản ứng lại trước mối quan hệ chuyển vị giữa các thành phần với nhau.  Theo Carlsson (1987), trong mặt phẳng cọc và đất yếu, hiệu ứng vòm có dạng hình tam giác với góc ở đỉnh là 30o 8 Mặt phẳng nghiên cứu Hình 1.6: Sự hình thành hiệu ứng vòm theo Carlsson (1987)  Phát triển ý tưởng của Carlsson trong không gian, Guido cùng cộng sự (1987) cho rằng tải trọng tác dụng đất yếu là tải trọng đất nằm trong phạm vi hình chóp tứ giác đều, phần tải còn lại truyền vào mũ cọc.7: Sự hình thành hiệu ứng vòm theo Guido cùng cộng sự (1987)  Theo Hewlett và Randolph (1988), trạng thái cân bằng giới hạn trong lớp cát đắp có dạng chóp bán cầu giữa hai đầu cọc lân cận. Phần lớn tải trọng bên trên đỉnh vòm truyền đến hệ cọc bên dưới thông qua vòm cung này.8: Sự hình thành hiệu ứng vòm theo Hewlett và Randolph (1988) 9 Hình 1.9: Sự hình thành hiệu ứng vòm Low cùng cộng sự (1994) Mặt phẳng có Đỉnh lớp đất đắp cùng chuyền vị Mặt phẳng tới hạn Mặt đất tự nhiên Cao độ ban đầu khi H=0 Cao độ sau cùng ứng với chiều cao H Hình 1.10: Sự hình thành hiệu ứng vòm trong cống ngầm theo Spangler (1982) được ứng dụng trong tiêu chuẩn BS8006 (1995) [6] 10  Dựa trên mô hình của McNulty, Giroud cùng cộng sự (1990) xây dựng mô hình cho lớp đất yếu nằm bên trên lớp vải địa kỹ thuật.  Theo Schmertmann (1991) cho rằng tất cả các tải trọng trong phạm vi hình tứ diện hoặc hình nón được truyền đến hệ cọc lân cận bên dưới.

 Cải thiện phương pháp của Hewlett và Randolph, Low cùng cộng sự (1994) mô phỏng hiệu ứng vòm có dạng hình bán trụ tròn với bề dày bằng một nữa kích thước mũ cọc.  Tiêu chuẩn BS8006 (1995) dựa trên lý thuyết Marston và Spangler (1982) về hiệu ứng vòm hình thành trong các công trình ống dẫn ngầm. Mặt phẳng lún mô phỏng Bề rộng hữu hiệu B Chiều cao Dạng cung vòm đất đắp Dạng tam giác Trạng thái sau cùng Độ lún Phản lực nền đất yếu Hình 1.11: Sự hình thành hiệu ứng vòm theo Iglesia cùng cộng sự (1999)  Bằng cách kết hợp các dữ liệu từ thí nghiệm guồng quay ly tâm và kế thừa các lý thuyết hình thành hiệu ứng vòm, Iglesia cùng cộng sự (1999) đã xây dựng quá trình hình thành hiệu ứng vòm bao gồm các giai đoạn như hình vẽ: khi khối trụ đất không được chống đở bên dưới dần hạ xuống, hiệu ứng vòm bắt đầu phát triển có dạng một hình cung (1) tương tự dạng chóp bán cầu theo Hewlett và Randolph; sau đó tiếp tục phát triển thành dạng hình tam giác (2) tương tự dạng 11 hình tứ diện theo Guido cùng cộng sự nhưng với một góc hơi lớn hơn 45o; đến khi khối đất sụp xuống, có sự xuất hiện của khối lăng trụ giới hạn bởi 2 mặt huy động ứng suất cắt và xuất phát từ 2 bên phần đất không được chống đở bên dưới (3) tương tự như khối trượt Terzaghi.  Theo Zaeske và Kempfert (2002), hiệu ứng vòm giữa các cọc lân cận được xem xét trong không gian 3 chiều và là một hệ thống các cung vòm đồng tâm.12: Sự hình thành hiệu ứng vòm theo Zaeske và Kempfert (2002) [18] Trong phần lớn các quan điểm nêu trên, đều giả định rằng các áp lực bên trên lớp vải địa kỹ thuật đều được chống đở bởi chính lớp vải địa kỹ thuật đó cho dù bên dưới các lớp này là đất, hay nói cách khác là có lỗ rỗng xuất hiện bên dưới lớp vải địa.

Hiện tượng tập trung ứng suất là do sự khác nhau về độ cứng giữa cọc và đất yếu xung quanh và kết quả là ứng suất theo phương thẳng đứng tập trung trên đỉnh cọc lớn hơn so với ứng suất truyền vào đất yếu. Hệ số tập trung ứng suất vào mũ cọc n (Stress Concentration Ratio) được định nghĩa là tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào mũ cọc σc với tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào đất nền σs được xác định theo công thức n = σc/σs. Tỷ số tập trung ứng suất là một thông số quan trọng 12 để đánh giá mức độ hiệu quả của hiệu ứng vòm, độ cứng tương đối cũng như độ liên kết giữa cọc và đất. Khi giá trị n càng nhỏ thì mức độ xuất hiện hiệu ứng vòm càng thấp và phần lớn tải trọng nền đất đắp sẽ tác dụng vào đất nền gây chuyển vị lệch.

Khi giá trị n càng lớn thì mức độ xuất hiện hiệu ứng vòm càng cao và phần lớn tải trọng nền đất đắp sẽ tác dụng vào cọc. Điều này có tác dụng hạn chế chuyển vị lệch nhưng nếu hệ số n quá lớn sẽ làm tăng giá thành xây dựng. Khi n = 1 thì hiệu ứng vòm không xảy ra. Theo nghiên cứu của Ooi cùng cộng sự (1987) giá trị n trong phương pháp cọc chịu tải truyền thống (CPS) thông thường trong khoảng từ 1 đến 8.

Tỷ số này đồng biến với tỷ số giữa chiều cao đất đắp với khoảng cách gần nhất giữa hai cọc.