BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM & TRẦN MINH THÁI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP XI MĂNG ĐẤT GIA CỐ MẶT NỀN ĐẾN SỨC CHỊU TẢI NGANG CỦA CỌC ĐỨNG, ỨNG DỤNG CHO ĐẬP TRỤ ĐỠ VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 9580202 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2020 Công trình hồn thành tại: VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Vũ Việt GS TS Trần Đình Hồ Phản biện 1: Phản biện 2: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện Họp Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Địa chỉ: 171 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội vào hồi 00, ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Hà Nội - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Việt Nam nước có bờ biển dài có nhiều sơng lớn đổ biển trải dọc suốt từ Bắc vào Nam Trong năm gần khắc nghiệt thiên nhiên thể rõ tượng biến đổi khí hậu, mực nước biển ngày dâng cao, bão lũ lớn mùa kiệt thiếu nguồn nước ngọt, xâm nhập mặn ảnh hưởng lớn đến đời sống phát triển kinh tế xã hội nước Đồng sông Cửu Long vùng có tiềm to lớn, chiếm vị trí quan trọng phát triển kinh tế - xã hội chìa khố chiến lược an ninh lương thực quốc gia Chủ trương lớn Nhà nước cần tiếp tục nghiên cứu, đầu tư xây dựng cơng trình đê biển, cơng trình điều tiết vùng cửa sơng vùng triều nhằm phòng tránh giảm nhẹ thiên tai bảo vệ dân sinh kinh tế, góp phần phát triển đất nước Trong xây dựng cơng trình điều tiết nay, Đập trụ đỡ (ĐTĐ) ngày ứng dụng rộng rãi, trở thành giải pháp khoa học thay dần công trình truyền thống, đặc biệt thể rõ cơng trình lớn ngăn sơng vùng ven biển Để nâng cao hiệu ứng dụng công nghệ, thiết cần phải tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện thêm lý thuyết thực nghiệm vấn đề chưa sáng tỏ Đối với cơng trình Đập trụ đỡ, thường xuyên chịu tải trọng ngang tác dụng lớn Ngồi giải pháp bố trí cọc xiên biện pháp gia cố lớp bề mặt móng có tác dụng đáng kể làm tăng sức chịu tải ngang móng cọc Để có xác định kích thước phù hợp cho lớp gia cố đánh giá mức độ ảnh hưởng đến sức chịu tải ngang móng cọc Đập trụ đỡ đến chưa giải Vì đề tài nghiên cứu có tính cấp thiết thực tế Mục đích nghiên cứu - Làm sở khoa học, hồn thiện lý thuyết tính tốn thiết kế ĐTĐ; - Đề xuất hình thức kết cấu lớp gia cố bề mặt nhằm tăng sức chịu tải trọng ngang cho móng cọc ĐTĐ xây dựng vùng ĐBSCL Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu, phân tích thơng tin kỹ thuật liên quan công bố qua tài liệu sách, báo, tiêu chuẩn thiết kế… nước - Sử dụng mơ hình tốn để nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng lớp gia cố đến SCTN cọc đơn, qua lựa chọn kích thước hợp lý lớp gia cố bề mặt ứng với loại cọc Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm mơ hình vật lý, đo đạc, đánh giá SCTN cọc trường hợp làm việc đất yếu tự nhiên đất sau gia cố lớp bề mặt Trên sở so sánh với phương pháp nghiên cứu lý thuyết xây dựng, từ có kết luận phương pháp tính SCTN cọc, làm sở để tính ổn định móng cọc cơng trình ĐTĐ khu vực ĐBSCL; Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo khoa học họp có phản biện, gồm có nhà khoa học có hiểu biết chuyên sâu lĩnh vực nghiên cứu NCS đến họp cho ý kiến góp ý, đánh giá, phản biện kết nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Sức chịu ngang trục cọc đơn thẳng đứng trường hợp gia cố lớp bề mặt móng cọc phía đầu cọc ĐTĐ vùng ĐBSCL Phạm vi nghiên cứu - Về kết cấu: Cọc đơn thẳng đứng móng cọc ĐTĐ đất yếu vùng ĐBSCL - Về vật liệu cọc: cọc BTCT loại - Về gia cố: Gia cố lớp bề mặt phía đầu cọc cọc xi măng đất (XMĐ) sử dụng công nghệ trộn sâu (DMM) Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Luận án thiết lập sở khoa học tính tốn gia cố bề mặt móng cọc (kết cấu mới, đất tự nhiên kết hợp với xi măng phương pháp trộn sâu) có tác dụng gia tăng sức chịu ngang móng ĐTĐ vùng đồng sơng Cửu Long, nơi có đặc điểm đất yếu, bất lợi cho xây dựng cơng trình - Kết nghiên cứu luận án ứng dụng thiết kế móng cọc nhằm hồn thiện lý thuyết tính tốn cơng nghệ ĐTĐ Những đóng góp luận án - Luận án đề xuất giải pháp để tăng SCTN móng cọc ĐTĐ vùng ĐBSCL xác định kích thước hợp lý phần gia cố - Luận án xây dựng quan hệ tải trọng chuyển vị ngang (p ~ y) cho loại đất yếu đại diện cho lớp gia cố bề mặt móng Qua xác định hệ phương pháp xác định SCTN để ứng dụng thiết kế móng cọc ĐTĐ vùng ĐBSCL Bố cục luận án Bố cục luận án, gồm có phần: Mở đầu; Chương chính; Kết luận kiến nghị; Danh mục cơng trình công bố Tài liệu tham khảo CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP TRỤ ĐỠ VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIA TĂNG SỨC CHỊU TẢI NGANG CHO MÓNG CỌC TRONG VÙNG ĐẤT YẾU 1.1 Tổng quan Đập trụ đỡ 1.1.1 Giới thiệu công nghệ Đập trụ đỡ Nguyên lý ĐTĐ đưa toàn lực tác dụng vào cơng trình trụ riêng biệt, sau truyền xuống thông qua bệ trụ Giữa trụ pin cửa van điều tiết kết cấu chống thấm Hình 1.1: Mơ hình Đập trụ đỡ Ưu điểm ĐTĐ xây dựng cơng trình lòng sơng tự nhiên, xây dựng cơng trình điều kiện địa chất yếu, chiều sâu lớp đất yếu lớn vùng cửa sông ven biển vùng phù sa cổ 1.1.2 Tình hình nghiên cứu áp dụng loại Đập trụ đỡ giới Từ năm đầu kỷ XX, dạng công trình ngăn sơng kiểu ĐTĐ nhiều nước giới nghiên cứu áp dụng vào thực tế Các cơng trình có quy mơ lớn tập trung nước có khoa học kinh tế phát triển mạnh Đức, Anh,… với nhiệm vụ ngăn triều kiểm sốt triều chống ngập úng 1.1.3 Tình hình nghiên cứu ứng dụng Đập trụ đỡ nước Công nghệ Đập trụ đỡ Viện Khoa học Thủy lợi nghiên cứu năm 1991-1995 Đề tài độc lập Quốc gia KC12-10 Cấu tạo ngun lý chịu lực ĐTĐ hình 1.1 Tính đến công nghệ ĐTĐ ứng dụng để xây dựng nhiều cơng trình ngăn sơng nước đem lại hiệu kinh tế kỹ thuật to lớn, tiêu biểu như: Cơng trình ngăn mặn giữ Thảo Long (TT Huế), Cống Nhiêu Lộc-Thị Nghè (TP Hồ Chí Minh), Cống Biện Nhị, cống Bào Chấu, cống Vàm Đình (Cà Mau), cống Nhà Mát (Bạc Liêu), cống Bầu Điền (Tiền Giang), cống Kênh Cụt (Kiên Giang), cống Cầu Xe (Hải Dương),…Hiện cơng trình thuộc Dự án Chống ngập TP Hồ Chí Minh áp dụng cơng nghệ ĐTĐ để xây dựng, bề rộng thông nước từ 40 - 160m; 1.1.4 Những vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu áp dụng Đập trụ đỡ ĐBSCL Việt nam Đập trụ đỡ nghiên cứu ứng dụng Việt Nam lâu nhiên với điều kiện mực nước sâu cột nước lớn gây lực ngang lớn việc thiết kế loại cơng trình bị khó khăn khả kháng lực ngang bị hạn chế so với cơng trình truyền thống Đối với vùng ĐBSCL lớp đất yếu sâu khó khăn áp dụng cơng nghệ ĐTĐ Các biện pháp làm tăng SCTN móng cọc ĐTĐ thường áp dụng bố trí cọc xiên xiên chéo lớn Vì cần tiếp tục nghiên cứu giải pháp làm tăng SCTN cho móng 1.2 Đánh giá chung địa chất vùng Đồng sông Cửu long đến khả làm việc móng cọc thường xuyên chịu tải trọng ngang 1.2.1 Phân bố đặc trưng đất yếu ĐBSCL ĐBSCL bao phủ lớp trầm tích trẻ dày, thành phần cấu tạo lớp phổ biến đất yếu: sét yếu, cát chảy, bùn Đất sét yếu có đặc trưng lý sau: + Dung trọng tự nhiên đất: γ = 14,5÷15,5kN/m3 + Độ ẩm tự nhiên đất: w = 75%÷65% + Hệ số rỗng tự nhiên đất: e = 1,5÷2,0 + Các đặc trưng học đất: φ = 4o÷5o, c = 5÷6kPa + Các đặc trưng biến dạng đất: Eo = 500÷600kPa Chiều dày đất sét yếu ĐBSCL thường từ 0÷40m 1.2.2 Địa chất cơng trình Đập trụ đỡ xây dựng ĐBSCL Qua tổng kết địa chất cơng trình ứng dụng công nghệ ĐTĐ ĐBSCL thấy phạm vi từ đến 5m đất phía đầu cọc yếu (φ = 3-5o, c = 1–5kPa, γ = 1,5–1,65kN/m3) 1.2.3 Những lưu ý xây dựng ĐTĐ đất yếu vùng ĐBSCL - Hầu hết cơng trình ĐTĐ có áp lực lên móng p >300 ÷ 500kPa nên cần xử lý móng xây dựng - Quan hệ ứng suất biến dạng loại đất yếu phi tuyến, nên việc áp dụng mơ hình Winkler mở rộng (giai đoạn tuyến tính phi tuyến tính) phù hợp với thực tế làm việc đất cơng trình - Đất có hệ số thấm nước bé, nên tốc độ cố kết chậm, lún kéo dài Do biện pháp xử lý (xử lý gia cố lớp mặt) cần quan tâm đến giải pháp làm tăng nhanh q trình nước để đất cố kết nhanh - Giải pháp - móng định hướng cho việc xây dựng cơng trình ĐTĐ sử dụng móng cọc, sử dụng cọc bê tông cốt thép, cọc khoan nhồi, cọc bê tông dự ứng lực, cọc thép 1.3 Các giải pháp gia tăng sức chịu tải trọng ngang cho móng cọc ĐTĐ Đối với ĐTĐ, móng cọc thường chịu tải trọng ngang lớn, có giải pháp làm tăng cường SCTN cho móng là: bố trí cọc xiên móng tăng sức chịu tải trọng ngang cọc đơn nhóm cọc Mỗi giải pháp có ưu, nhược điểm điều kiện ứng dụng khác Đối với ĐTĐ, giải pháp đưa phải thuận lợi trụ đỡ có sức chịu tải ngang từ vài trăm đến vài nghìn cho trụ, số cọc nhiều 1.3.1 Giải pháp cọc xiên: Sử dụng cọc xiên xiên chéo lớn để chuyển lực ngang trở lực dọc trục 1.3.2 Giải pháp gia cố lớp bề mặt 1.3.2.1 Ảnh hưởng đất quanh cọc tới SCTN cọc Khi cọc chịu lực ngang, đất phía cọc di chuyển xuất lực kháng lại lực ngang tác dụng Biểu đồ lực kháng loại đất dính thể hình 1.2: Hình 1.2: Phân bố áp lực kháng đất lên cọc Đối với đất dính giá trị coi không đổi, chiều sâu phát sinh độ sâu cách mặt đất 1,5d Tính chất học đất lớp đất mặt ảnh hưởng lớn trực tiếp tới khả chịu lực ngang cọc Khi cải thiện tính chất lớp gia cố bề mặt khả chịu lực ngang cọc cải thiện Các phương án xử lý sau: 1.3.2.2 Sử dụng vật liệu đá dăm, đá mạt vật liệu thô khác Sử dụng vật liệu vào đất quanh cọc có góc ma sát lớn, hệ số tỷ lệ lớn Việc gia cố thực trước sau thi cơng cọc Nhược điểm khó kiểm tra việc thi công nước Sự tiếp xúc cọc lớp đá không đồng dẫn đến tính tốn khơng xác 1.3.2.3 Sử dụng giải pháp cải tạo đất cọc xi măng đất (XMĐ) Giải pháp cải tạo đất yếu cho móng cọc cơng nghệ trộn sâu (DMM) tạo cọc XMĐ lớp đất yếu bề mặt móng cọc Các hình thức như: gia cố phạm vi bệ trụ, quanh cọc chịu lực gia cố thành khối bao quanh bệ trụ Đối với ĐTĐ, tác giả kiến nghị giải pháp gia cố bệ trụ Giải pháp tương đối đơn giản, nhiên cần tính tốn cụ thể dựa điều kiện địa chất nền, loại móng cọc, loại cọc hàm lượng xi măng gia cố Giải pháp áp dụng phù hợp hiệu cho móng cọc có lớp bề mặt đất yếu 1.3.2.4 Sử dụng vữa dâng bê tông Lớp bê tông bịt đáy thường sử dụng bê tông mác B20 (M250) Nhược điểm tính đàn hồi lớp bê tơng bịt đáy khơng có khả chịu tải ngang lớp khó xác định; thường chiều sâu lớp bịt đáy nhỏ nhiều chiều sâu ảnh hưởng lực ngang nên hiệu giải pháp không cao Giải pháp phù hợp hiệu cho trường hợp móng cọc có lớp đất cát sét cứng 1.3.3 Lựa chọn giải pháp nghiên cứu luận án Trong Luận án tác giả sâu nghiên cứu giải pháp tăng SCTN cọc đơn nhóm cọc Các loại vật liệu gia cố có tác dụng tăng khả chịu lực ngang cho móng cọc, nhiên khả thi cơng ảnh hưởng lớn đến kết nghiên cứu Trong loại tác giả chọn phương án gia cố cọc xi măng đất để nghiên cứu 1.4 Các nghiên cứu gia cố xi măng đất cho đất yếu 1.4.1 Tình hình ứng dụng XMĐ gia cố đất yếu giới Việt Nam Công nghệ cải tạo đất xi măng, xi măng – vôi nghiên cứu ứng từ năm 1960, điển hình Mỹ, Nhật Cơng nghệ sử dụng nhiều cơng trình đường đường sắt như: làm móng, ổn định hố đào, ổn định mái dốc, giảm rung động… Ở Việt Nam, việc nghiên cứu gia cố đất trộn sâu bắt đầu nghiên cứu từ năm đầu thập kỷ 80 Năm 2002, có số dự án bắt đầu ứng dụng cọc XMĐ để gia cố đất yếu Trong lĩnh vực thuỷ lợi, từ năm 2005 cọc XMĐ bắt đầu áp dụng Mục tiêu ban đầu xử lý chống thấm mang cống cho cống Sau đó, cọc XMĐ tiếp tục nghiên cứu hồn thiện cho mục đích chống thấm gia cố cho loại cơng trình khác 1.4.2 Các nghiên cứu cọc XMĐ gia cố đất yếu ĐBSCL Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam ứng dụng công nghệ cọc XMĐ xử lý chống thấm cơng trình thuỷ lợi vùng ĐBSCL mang lại hiệu định kỹ thuật kinh tế Một số thông số kỹ thuật cọc XMĐ phổ biến ĐBSCL: Đường kính cọc: 60cm – 80cm Hàm lượng xi măng: thường dùng 300kg/m3 Cường độ kháng nén tuỳ theo loại đất, cụ thể bảng 1.1: Bảng 1.1: Cường độ cọc XMĐ ứng với số loại đất yếu đặc trưng TT Loại đất Đất sét pha, dẻo chảy Đất sét trạng thái dẻo chảy Bùn sét Than bùn hóa Bùn sét lẫn hữu Cường độ kháng nén (kPa) (28 ngày) (90 ngày) 634-906 1032-1123 630-814 886-1057 430-690 684-980 184-236 116-164 551-973 856-1156 1.4.3 Ứng dụng cọc xi măng đất gia cố móng cọc Nhật Bản Từ năm 2001 Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng cọc XMĐ để tăng SCTN cho móng cọc cơng trình, tiêu biểu Cầu Yabegawa thuộc dự án Đường cao tốc Ariake, tỉnh Fukuoka, Nhật Bản Cọc khoan nhồi sử dụng sâu 50m, lớp gia cố cọc XMĐ có chiều dài chiều sâu B = 16.8m Hgc = 10.5m Việc ứng dụng XMĐ mang lại hiệu kinh tế kỹ thuật rõ rệt, giảm số cọc đứng, giảm chuyển vị ngang khả chịu động đất tốt Tuy nhiên phương pháp thiết kế khơng thiết lập mà thí nghiệm trường cơng trình riêng biệt 1.5 Kết luận chương - Mặc dù nghiên cứu ứng dụng vào thực tế nhiên ĐTĐ nhiều vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện lý thuyết để áp dụng thiết kế, đất yếu ĐBSCL - Giải pháp nhằm tăng khả chịu lực ngang cho cọc đơn cho móng cọc ĐTĐ lựa chọn để định hướng nghiên cứu luận án giải pháp gia cố lớp đất bề mặt móng cọc, phía đầu cọc cọc XMĐ - công nghệ DMM - Hiện chưa có cơng bố lý thuyết tính tốn xác định phạm vi lớp gia cố, cần nghiên cứu mơ hình tốn thực nghiệm trường để đưa phương pháp xác định đánh giá hiệu giải pháp gia cố nêu SCTN cọc CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA GIẢI PHÁP GIA CỐ NỀN LỚP MẶT 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng lớp gia cố bề mặt đến móng cọc ĐTĐ Khi Đập trụ đỡ có lớp gia cố bề mặt tính chất, trạng thái ứng suất thay đổi, điều ảnh hưởng tới: - Ảnh hưởng tới SCTN cọc đơn - Ảnh hưởng tới sức chịu tải đứng tượng ma sát âm cọc - Ảnh hưởng tới SCTN nhóm cọc - Ảnh hưởng tới sức chịu tải đất lớp gia cố bề mặt - Ảnh hưởng lớp gia cố bề mặt tới độ lún móng cọc 2.2 Phương pháp tính tốn cọc đơn chịu tải trọng ngang 2.2.1 Các phương pháp tính tốn cọc đơn áp dụng Đối với toán ổn định móng cọc nói chung móng cọc ĐTĐ nói riêng xuất phát từ kết nghiên cứu làm việc cọc đơn Vì tính tốn cọc đơn khơng có ý nghĩa quan trọng Hiện có nhiều phương pháp tính tốn cọc đơn, phương pháp tính có đặc điểm như: Mơ hình mơi trường đất bao quanh cọc; Tính chất mối quan hệ phản lực đất p chuyển vị ngang cọc y; Cách giải tốn 2.2.2 Phân tích lựa chọn phương pháp tính tốn cọc đơn Do đặc điểm làm việc móng cọc ĐTĐ vùng ĐBSCL nên nhóm phương pháp dựa sức kháng bên cực hạn cọc Phương pháp Broms Phương pháp Meyerhof có nhiều hạn chế khơng áp dụng cho nhiều lớp không xem xét tới tiêu cường độ đất Phương pháp “Đường cong p ~ y” tính tốn móng cọc ĐTĐ vùng ĐBSCL phù hợp cọc nhiều lớp cọc dài Hiện nay, với phát triển công nghệ máy tính, phần mềm thương mại tính tốn cọc, sử dụng lý thuyết đường cong p ~ y để giải toán cọc ngày nhiều độ tin cậy cao, điển hình như: Phần mềm tính tốn Ensoft Lpile; Ensoft Group; Phần mềm Midas; Phần mềm FB_Pier… 2.3 Nghiên cứu phạm vi ảnh hưởng lớp gia cố bề mặt theo chiều sâu 2.3.1 Cơ sở lý thuyết xác định chiều sâu ảnh hưởng hah lớp bề mặt Chiều dày lớp đất bề mặt giữ vai trò định tới chuyển vị, nội lực cọc có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, hah xác định theo số công thức: (2-1) hah = 2.(d + 1) (2-2) hah = 3,5d + 1,5 Chiều sâu ảnh hưởng hah theo (2-1) (2-2) làm sở để so sánh với kết nghiên cứu xác định chiều sâu gia cố hợp lý 2.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chiều sâu lớp gia cố bề mặt đến SCTN móng cọc ĐTĐ mơ hình tốn - Mục đích tính tốn xác định chiều sâu gia cố hợp lý mà với giá trị cọc gia cố chịu lực ngang lớn từ đề xuất cơng thức xác định chiều sâu lớp gia cố hợp lý - Lựa chọn loại cọc nghiên cứu tính tốn mơ hình cọc BTCT có kích thước phù hợp với thực tế thường dùng, chiều dài cọc chọn phải thoả mãn điều kiện loại “cọc dài” - Lựa chọn phương pháp gia cố: gia cố đất lớp mặt móng cọc XMĐ, lớp gia cố kín xung quanh cọc - Sơ đồ tính tốn: Tính tốn cho trường hợp chưa gia cố đất yếu; Tính tốn xác định chiều sâu hợp lý cho loại cọc, trường hợp gia cố công nghệ DMM – xi măng đất - Để nghiên cứu khả chịu tải trọng ngang phải dựa vào lý thuyết đường cong p~y Khi gán cho cọc chuyển vị cưỡng cọc xuất lực ngang có hướng chống lại hướng chuyển vị cưỡng - Thơng số tính tốn: Lựa chọn kết cấu gia cố loại cọc XMĐ đường kính D100cm ken sít, hàm lượng xi măng 300kg/m3 Tính tốn thơng số cọc XMĐ làm việc tương đương Chỉ tiêu đất: Mẫu đất đại diện lấy Mỹ Tho, Tiền Giang: 11 + Cọc đơn có chiều dài theo kích thước cọc (bảng 2.1) Bảng 2.1: Kích thước mơ hình nghiên cứu xác định chiều dài gia cố hợp lý Kích thước cọc (cm) Chiều Bề rộng Chiều TT gia cố dài cọc Cọc Cọc Cọc ly sâu gia cố (m) (m) (m) vuông tròn tâm 10x10 10 10 1,52 0,5 20x20 20 20 1,92 1,0 30x30 30 30-6 2,58 1,5 15 35x35 35 35-6 3,00 1,75 15 40x40 40 40-6.5 3,48 2,0 15 60 60-9 6,03 3,0 30 b) Kết tính tốn Tính tốn xây dựng biểu đồ quan hệ SCTN với chiều dài gia cố cho loại kích thước cọc nghiên cứu sau (Hình 2.4 điển hình cọc vng): Hình 2.4: Biểu đồ quan hệ SCTN cọc vuông với chiều dài gia cố c) Nhận xét kết nghiên cứu: Khi tăng chiều dài khối gia cố SCTN cọc đơn tăng đáng kể, nhiên đến phạm vi định dù có gia tăng chiều dài SCTN không tăng thêm Điều cho thấy, chiều dài gia cố Lgc đến giá trị tới hạn định phát huy tối đa hiệu gia cố Biểu&đồ&quan&hệ&giữa&kích&thước&cọc&với&chiều&dài&gia&cố& Chiều dài gia cố hợp lý phụ thuộc vào kích thước cọc D khơng phụ thuộc nhiều vào hình dáng5,0"cọc d) Đề xuất công thức xác 4,5" định chiều dài gia cố Từ kết tính 4,0" y"="$1,9536x "+"5,0707x"+"1,1901" toán chiều dài gia cố R²"="0,98429" 3,5" hợp lý loại cọc, 3,0" tác giả xây dựng biểu đồ 2,5" quan hệ độ sâu gia 2,0" cố kích thước cọc 1,5" hình 2.5 Chiều&dài&gia&cố&(m)& 1,0" 0" 0,1" 0,2" 0,3" 0,4" 0,5" kích&thước&cọc&(m)& Hình 2.5: Biểu đồ quan hệ chiều dài gia cố kích thước cọc 0,6" 0,7" 12 Từ xây dựng cơng thức xác định chiều dài gia cố hợp lý sau: Lgc = -1,95D2 + 5,07D + 1,19 (m) (2-4) Sau xác định chiều dài gia cố hợp lý, tác giả tính tốn xây dựng biểu đồ quan hệ SCTN với kích thước loại cọc hình 2.6 230# 210# Sức$chịu$tải$ngang$(kN)$ 190# 170# 150# cọc#vng# 130# cọc#tròn# 110# cọc#ly#tâm# 90# 70# 50# 5# 10# 15# 20# 25# 30# 35# 40# 45# 50# 55# 60# 65# Kích$thước$cọc$(cm)$ Hình 2.6: Biểu đồ quan hệ SCTN kích thước loại cọc 2.5 Kết luận chương - Bằng việc sử dụng phương pháp phân tích số phần mềm, tác giả làm rõ hiệu gia cố lớp mặt móng cọc cọc xi măng đất - công nghệ trộn sâu DMM Cụ thể là: + Sau gia cố, độ cứng cường độ lớp bề mặt móng cọc phía đầu cọc tăng lên làm cho sức chịu tải ngang cọc cải thiện + Phạm vi gia cố với sức chịu tải ngang cọc có quan hệ tuyến tính nhiên tới phạm vi gia cố định hiệu khối gia cố không phát huy thêm + Giá trị phạm vi gia cố mà tới điểm dù có mở rộng thêm phạm vi sức chịu tải ngang cọc đứng khơng tăng thêm gọi chiều sâu chiều dài gia cố hợp lý - Trong chương tác giả xây dựng phương pháp xác định kích thước hợp lý khối gia cố sử dụng công nghệ trộn sâu xi măng đất nhằm gia tăng sức chịu tải ngang cho cọc xác định sức chịu tải ngang tính tốn cọc đơn sau gia cố nhằm phục vụ tính tốn cọc - Các kết nghiên cứu mơ hình tốn cần kiểm chứng mơ hình vật lý điều kiện lớp gia cố xi măng đất để làm sáng tỏ hiệu khối gia cố bề mặt móng phía đầu cọc đưa kết luận để khuyến nghị bổ sung vào lý thuyết tính tốn móng cọc Đập trụ đỡ thực tế 13 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP GIA CỐ BẰNG MƠ HÌNH VẬT LÝ 3.1 Giới thiệu chung nghiên cứu thực nghiệm Mục tiêu luận án nghiên cứu hướng tới việc ứng dụng giải pháp gia cố đất yếu bề mặt móng cọc ĐTĐ vùng ĐBSCL nên thí nghiệm thực trường đại diện ĐBSCL loại cọc thường dùng thiết kế ĐTĐ Do hạn chế thiết bị thí nghiệm nên phần gia cố dày 1,5 – 2m khơng thể cho phép thực thí nghiệm việc tạo lớp gia cố XMĐ công nghệ DMM, nghiên cứu thí nghiệm thực việc tạo lớp gia cố XMĐ có tiêu tương đương với cọc XMĐ cách trộn máy đổ thủ công 3.2 Mục tiêu, nội dung yêu cầu thí nghiệm 3.2.1 Mục tiêu thí nghiệm Thí nghiệm, đo đạc, đánh giá SCTN cọc trường hợp làm việc đất yếu tự nhiên sau có gia cố lớp bề mặt Trên sở so sánh với phương pháp lý thuyết nghiên cứu, từ có kết luận hiệu giải pháp gia cố lớp mặt đối SCTN móng cọc, làm sở để tính tốn thiết kế móng cọc ĐTĐ khu vực ĐBSCL; Thơng qua thí nghiệm mơ hình vật lý xác định hệ số k xây dựng đường cong p ~ y cho tự nhiên lớp mặt sau có gia cố 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu thí nghiệm Từ phương pháp tính tốn SCTN cọc đơn, nghiên cứu đo đạc mơ hình vật lý với tỷ lệ 1:1 tải trọng chuyển vị đầu cọc trường hợp cọc làm việc đất yếu tự nhiên đất sau có gia cố lớp bề mặt; Đo đạc chuyển vị bề mặt khối gia cố để đánh giá phạm vi hợp lý lớp gia cố 3.2.3 Phạm vi nghiên cứu thí nghiệm: Đại diện đất yếu tự nhiên vùng ĐBSCL, thí nghiệm thực TP Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang 3.2.4 Đối tượng nghiên cứu thí nghiệm Cọc đơn thẳng đứng chịu tải trọng ngang, lớp gia cố bề mặt XMĐ 3.2.5 Nội dung nghiên cứu Kết mô hình tốn xác định phạm vi gia cố hợp lý ứng với loại cọc Xây dựng mô hình vật lý đo đạc số trường hợp cụ thể để so sánh kết với phương pháp lý thuyết Từ đó, có kết luận giải pháp gia cố khuyến nghị tính tốn cọc đơn chịu tải ngang 3.3 Xây dựng mơ hình thí nghiệm thiết bị thí nghiệm 3.3.1 Xây dựng mơ hình thí nghiệm Xây dựng mơ hình thí nghiệm với tỷ lệ 1:1 trường thực tế vùng ĐBSCL – TP Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang gồm: 14 + Cọc thí nghiệm: Cọc BTCT, loại cọc vng có tiết diện 10x10cm, 20x20cm 35x35cm, cọc tròn có đường kính D = 10cm, 20cm cọc ly tâm D40cm Chiều dài cọc L(cm) xác định sau thí nghiệm mẫu đất khu vực thí nghiệm, với loại cọc có cạnh 10cm, 20cm dài 6m, cọc 35cm 40cm dài 15m + Trụ phản lực (bệ đỡ): Gồm cọc 30x30cm dài 12m đóng thành hình tam giác, cọc đổ đài BTCT hình lục giác dày 50cm; + Hệ thống khung giá đỡ, puly, kích, đơn thép + Nền thí nghiệm gồm trường hợp: tự nhiên gia cố lớp mặt XMĐ Lớp gia cố XMĐ thí nghiệm thực nghiên cứu sử dụng theo cấp phối cọc XMĐ thường sử dụng vùng ĐBSCL có kích thước Bảng 3.1 Kích thước khối gia cố ứng với trường hợp cụ thể hình Bảng 3.1: Thơng số cọc khối gia cố mơ hình thí nghiệm Loại cọc (cm) Kích thước khối gia cố (m) Chiều dài cọc (m) Cọc vuông Sâu Rộng Dài 10 6,00 1,52 1,00 2,48 20 6,00 1,92 2,00 3,06 35 15,00 3,00 3,50 3,77 Cọc tròn 10 6,00 1,52 1,00 2,48 20 6,00 1,92 2,00 3,06 40 15,00 3,48 4,00 3,96 3.3.2 Các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm bao gồm ba phần: trang bị gia tải, trang bị phản lực, trang bị đo, hình 3.1: Hình 3.1: Sơ đồ trang bị thí nghiệm Trụ phản lực; Tấm thép chôn sẵn; Giá phản lực Bộ cảm biến lực nén Kích nằm; Cọc thí nghiệm; 7: Điểm chuẩn; Bộ cảm biến chuyển vị; Tấm thép quan trắc chuyển vị Các thiết bị phục vụ thí nghiệm bao gồm: a) Thiết thiết bị gia tải: dùng kích nằm để gia tải, cảm biến đo lực để đo giá trị tải trọng tác động 15 b) Thiết bị phản lực Bệ phản lực lớn 1,5 ∼ lần sức chịu tải dự tính lớn thí nghiệm, độ cứng hướng lực tác động không nhỏ độ cứng thân cọc thí nghiệm c) Bố trí điểm chuẩn để đo chuyển vị điểm lực tác động cọc, dùng thép hình cắm sâu vào đất 1,5m làm điểm chuẩn Tồn hệ thống thiết bị chuẩn bố trí độc lập để giảm ảnh hưởng khối gia cố đất Hiện nay, phần lớn cọc thí nghiệm trường thường dùng hình thức đầu cọc tự Vì tác giả dùng hình thức đầu cọc tự phương pháp tương đối thực hợp lý d) Các thiết bị đo đạc: - Kích chiều: Để gia tải xả tải tác động vào đầu cọc - Loadcell 20 tấn: hiển thị giá trị lực tác động vào đầu cọc - Đầu đọc số liệu (Data taker): Thiết bị để ghi liệu đo truyền vào máy tính, kết nối ghi số liệu đồng thời nhiều modul đo - Cảm ứng chuyển vị đo chuyển vị ngang đầu cọc: - Cảm biến chuyển vị để đo vùng phạm vi ảnh hưởng lớp gia cố: - Cảm biến chuyển vị dây để đo vùng phạm vi ảnh hưởng lớp gia cố - Thiên phân kế: Để đo chuyển vị ngang đầu cọc theo cấp tải trọng khác - Thiết bị ghi nhận tín hiệu đo: dùng ghi lại số liệu từ thiết bị đo để thị máy tính - Máy tính xách tay: Để lưu xử lý số liệu từ Data taker - Máy ảnh kỹ thuật số: Để chụp hình ảnh q trình thí nghiệm e) Các thiết bị khác: - Máy bơm nước: Phục vụ bơm nước vào phạm vi thí nghiệm - Máy đóng cọc: dạng búa diezen có trọng lượng đầu búa >2,0T đặt dàn cẩu >20T để phục vụ đóng cọc thí nghiệm - Thiết bị thi cơng đào đất khối gia cố XMĐ; 3.4 Các trường hợp trình tự thí nghiệm 3.4.1 Các trường hợp thí nghiệm Các trường hợp thí nghiệm xác định tải trọng ngang chuyển vị gồm: a) Thí nghiệm tự nhiên: - Gia tải ngang ghi nhận số liệu liên tục đến cọc chuyển vị 10mm lấy giá trị để tính hệ số đất tự nhiên, sau tiếp tục gia tải đến giá trị chuyển vị 25mm đến cọc bị phá hoại - Trong trình gia tải ngang số liệu lực ngang chuyển vị đo đạc ghi chép vào máy tính b) Thí nghiệm xử lý gia cố: Lớp phía móng cọc xử lý gia cố lớp xi măng - đất Đối với loại cọc có chiều dày chiều rộng lớp gia cố 16 Lực$ngang$đầu$cọc$(kN)$ XMĐ khác Thí nghiệm tương tự thí nghiệm đất tự nhiên, nhiên lớp gia cố phía sau cọc đo đạc chuyển vị để xác định ảnh hưởng phạm vi gia cố mặt 3.4.2 Lắp đặt thiết bị trình tự thí nghiệm a) Lắp đặt thiết bị: Để thực mục đích thí nghiệm, đo lực tác động, chuyển vị đầu cọc, chuyển vị lớp gia cố sau cọc, vị trí cần so sánh bố trí đầu đo b) Trình tự thí nghiệm + Thi công trụ phản lực + Chuẩn bị cọc thí nghiệm đủ cường độ, đóng cọc ngập vào vị trí thí nghiệm, trừ đầu cọc 0,5m để đặt điểm tác dụng lực ngang + Lấy mẫu thí nghiệm đất (9 tiêu) + Đào đất sâu thi cơng khối gia cố theo kích thước hợp lý Lấy mẫu vữa bảo dưỡng mẫu + Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị gia cố điểm sau cọc + Thí nghiệm mẫu XMĐ thời điểm 28 ngày 91 ngày Sau thời gian 28 ngày tiến hành thí nghiệm đẩy ngang cọc cho modul riêng biệt 3.5 Kết thí nghiệm 3.5.1 Kết thí nghiệm loại cọc vng Kết thí nghiệm cho loại cọc vuông thể biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị đầu cọc p ~ y hai trường hợp: tự nhiên gia cố thể biểu đồ, điển sau: 170" 160" 150" 140" 130" 120" 110" 100" 90" 80" 70" 60" 50" 40" 30" 20" 10" 0" TH"nền"tự"nhiên" TH"nền"gia"cố" 0" 5" 10" 15" 20" 25" 30" 35" 40" Chuyển$vị$ngang$đầu$cọc$(mm)$ Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ p ~ y cho cọc vng 35x35cm 3.5.2 Kết thí nghiệm loại cọc tròn Kết thí nghiệm cho loại cọc tròn thể biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị đầu cọc p ~ y hai trường hợp: tự nhiên gia cố thể biểu đồ, điển sau (hình 3.3): 17 50" 45" Lực$ngang$đầu$cọc$(kN)$ 40" 35" 30" 25" TH"nền"tự"nhiên" 20" TH"nền"gia"cố" 15" 10" 5" 0" 0" 5" 10" 15" 20" 25" 30" 35" 40" Chuyển$vị$ngang$đầu$cọc$(mm)$ Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ p ~ y cho cọc tròn D10cm Từ kết nghiên cứu mơ hình vật lý thu mối quan hệ SCTN với kích thước cọc cho loại cọc: Biểu$đồ$quan$hệ$SCTN$với$kích$thước$cọc$vng$thí$nghiệm$ 160" Lực$ngang$đầu$cọc$(kN)$ 140" 120" 100" 80" TH"tự"nhiên" 60" TH"gia"cố" 40" 20" 0" 0" 5" 10" 15" 20" 25" 30" 35" 40" Kích$thước$cọc$(cm)$ Hình 3.4: Biểu đồ quan hệ SCTN kích thước cọc vng Biểu$đồ$quan$hệ$SCTN$với$kích$thước$cọc$tròn$thí$nghiệm$ 180" Lực$ngang$đầu$cọc$(kN)$ 160" 140" 120" 100" 80" TH"gia"cố" 60" TH"tự"nhiên" 40" 20" 0" 0" 5" 10" 15" 20" 25" 30" 35" 40" 45" Kích$thước$cọc$(cm)$ Hình 3.5: Biểu đồ quan hệ SCTN kích thước cọc tròn (ly tâm) 18 3.5.3 Nhận xét kết thí nghiệm Từ biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị cho thấy phạm chuyển vị cho phép Đập trụ đỡ (