Luận án Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu cầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGÔ BÌNH GIANG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGÔ BÌNH GIANG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT Ngành: Địa kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580211 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. MAI DI TÁM 2. GS. TS. TRỊNH MINH THỤ HÀ NỘI, NĂM 2024 3 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Ngô Bình Giang 4 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến cố PGS.TS Mai Di Tám, GS.TS Trịnh Minh Thụ đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo, Khoa Công trình, Bộ môn Địa kỹ thuật, các nhà khoa học, đặc biệt là PGS. TS Đỗ Thắng đã có những đóng góp ý kiến quý báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn sát cánh giúp đỡ, hỗ trợ và động viên về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. 5 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................... 8 DANH MỤC BẢNG, BIỂU ........................................................................................ 10 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ 11 1. Danh mục các từ viết tắt ....................................................................................... 11 2. Giải thích ký hiệu .................................................................................................. 11 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 16 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 16 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 17 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 17 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................................... 17 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 18 6. Bố cục của luận án ................................................................................................ 18 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 19 1.1. Tổng quan về đất yếu ......................................................................................... 19 1.2. Tổng quan về đường đầu cầu ............................................................................. 24 1.3. Tổng quan về trụ xi măng đất và lưới địa kỹ thuật ............................................ 29 1.4. Những vấn đề còn tồn tại và các vấn đề luận án tiếp tục giải quyết .................. 38 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỀ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG HỆ NỀN CỌC GIA CƯỜNG LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ........................... 39 2.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 39 6 2.2. Lý thuyết tính toán hệ trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật ...................... 42 2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 58 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG BẰNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ......................................................................................................................... 59 3.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 59 3.2. Điều kiện về địa hình, thủy văn ......................................................................... 60 3.3. Điều kiện về địa chất ......................................................................................... 61 3.4. Giải pháp thiết kế ............................................................................................... 62 3.5. Tính toán theo phương pháp giải tích ................................................................ 62 3.6. Tính toán theo phương pháp số ......................................................................... 65 3.7. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 76 CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ NỀN ĐƯỜNG ĐẦU CẦU TRÊN NỀN ĐẤT YẾU GIA CƯỜNG TRỤ XI MĂNG ĐẤT KẾT HỢP LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ........................................................................... 77 4.1. Vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc ........................................................................... 77 4.2. Các thiết bị thí nghiệm ....................................................................................... 78 4.3. Quy trình kiểm tra và kiểm soát quan trắc ......................................................... 90 4.4. Xử lý số liệu quan trắc ....................................................................................... 91 4.5. Hình ảnh lắp đặt thiết bị quan trắc và thu thập dữ liệu ...................................... 92 4.6. Kết quả quan trắc ............................................................................................... 93 4.7. So sánh kết quả tính toán theo mô hình số với giải tích và thí nghiệm hiện trường .. 94 7 4.8. Kết luận chương 4 .............................................................................................. 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 97 1. Kết luận ................................................................................................................. 97 2. Những đóng góp mới của luận án ......................................................................... 97 3. Các tồn tại và định hướng phát triển nghiên cứu .................................................. 98 4. Kiến nghị ............................................................................................................... 98 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 100 8 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Độ bằng phẳng i theo phương dọc tim đường ................................................ 24 Hình 1.2 Phạm vi đường đầu cầu .................................................................................. 25 Hình 1.3 Trình tự thi công trụ xi măng đất ................................................................... 30 Hình 1.4 Một số hình dạng bố trí trụ xi măng đất ......................................................... 30 Hình 1.5 Ba nhóm lưới ĐKT ......................................................................................... 33 Hình 2.1 Trạng thái ứng suất trong khối đắp theo Terzaghi (1943) .............................. 40 Hình 2.2 Cơ chế truyền tải hệ GRPS theo Han và Gabr (2002) .................................... 41 Hình 2.3 Màn trập theo kinh nghiệm của Terzaghi (1943) ........................................... 42 Hình 2.4 Hiệu ứng vòm trên hệ lưới vuông của Hewlett và Randolph (1988) ............. 46 Hình 2.5 Mô hình dạng lưới theo đề xuất của Guido và cộng sự (1987) ...................... 47 Hình 2.6 Mô hình đề xuất bởi Carlson và cộng sự (1987) ............................................ 49 Hình 2.7 Mô hình lưới theo SINTEF (2002) ................................................................. 49 Hình 2.8 Tấm truyền tải gia cường theo nguyên lý dầm của Collin (2007) ................. 50 Hình 3.1 Mặt bằng quy hoạch 1/500 khu đô thị Mizuki Park ....................................... 59 Hình 3.2 Mặt cắt ngang tuyến đường D1 xử lý nền ...................................................... 60 Hình 3.3 Vị trí dự án ..................................................................................................... 60 Hình 3.4 Mặt cắt địa chất .............................................................................................. 61 Hình 3.5 Giao diện sử dụng của Abaqus ....................................................................... 68 Hình 3.6 Giao diện sử dụng FLAC3D [53] ................................................................... 68 Hình 3.7 Giao diện sử dụng của Midas GTS [54] ......................................................... 69 Hình 3.8 Mô hình số 3D bài toán .................................................................................. 73 9 Hình 4.1. Mặt bằng vị trí quan trắc ............................................................................... 77 Hình 4.2. Mặt bằng bố trí thiết bị quan trắc .................................................................. 77 Hình 4.3 Thiết bị quan trắc biến dạng lưới ĐKT ......................................................... 79 Hình 4.4 Thiết bị đọc dữ liệu ........................................................................................ 79 Hình 4.5 Lắp đặt thiết bị đo biến dạng lưới ĐKT tại hiện trường ................................ 80 Hình 4.6 Thiết bị đo áp lực đất (earth pressure) ........................................................... 84 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý đo chuyển dịch ngang theo chiều sâu ................................. 85 Hình 4.8 Thiết bị đo dịch chuyển ngang theo chiều sâu ............................................... 86 Hình 4.9 Quy trình lắp đặt ống đo chuyển dịch ngang theo chiều sâu ......................... 86 Hình 4.10 Thiết bị đo áp lực lỗ rỗng ............................................................................. 87 Hình 4.11 Kiểm tra cao độ đầu cọc và lắp đặt thiết bị đo biến dạng lưới ĐKT ............ 92 Hình 4.12 Mặt bằng bố trí thiết bị quan trắc (trên và phía dưới lớp lưới ĐKT) ........... 92 Hình 4.13 Hoàn tất lắt đặt các thiết bị quan trắc hiện trường ....................................... 92 Hình 4.14 Thu thập dữ liệu quan trắc trong giai đoạn thi công lớp đất số 1 ................. 93 Hình 4.15 Ứng suất tại đỉnh trụ XMĐ theo chiều cao đắp ........................................... 94 Hình 4.16 Hệ số tập trung ứng suất ............................................................................... 94 Hình 4.17. Lực kéo trong lưới ĐKT ............................................................................. 95 10 DANH MỤC BẢNG, BIỂU Bảng 1.1 Quy định độ bằng phẳng theo phương dọc tim đường đoạn chuyển tiếp ...... 24 Bảng 3.2 Tương quan giữa các loại mô đun đàn hồi của đất (Duncan & Wong, 1999) ....................................................................................................................................... 71 Bảng 3.3 Các tính chất cơ lý của đất nền khai báo trong Plaxis 3D ............................. 72 Bảng 4.1 Tổng hợp khối lượng quan trắc ...................................................................... 90 Bảng 4.2 Chu kỳ quan trắc ............................................................................................ 90 Bảng 4.3 Kết quả quan trắc tại hiện trường .................................................................. 93 11 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 1. Danh mục các từ viết tắt 2D: 2 chiều 3D: 3 chiều ĐKT: Địa kỹ thuật FEM: phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) HKC: hệ kết cấu (trụ xi măng đất, lưới địa kỹ thuật và đất nền) GRPS: Hệ nền cọc gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật (Geosynthetics Reinforced Pile Supported) QT: Quan trắc TTGH: Trạng thái giới hạn XMĐ: Xi măng đất 2. Giải thích ký hiệu 𝐴! Diện tích trụ xi măng đất 𝐴" Diện tích đất giữa các cọc trong hệ nền cọc tính toán 𝐴# Chuyển vị của khối móng [𝐴] Chuyển vị cho phép 𝑎 Kích thước mũ trụ tương đương 𝑎! Tỷ lệ diện tích gia cố 𝐵 Độ sệt 𝑐 Lực dính đơn vị 𝑐! Lực dính trụ XMĐ 𝑐" Lực dính đất nền 𝐶$ Hệ số vòm đất 𝐶! Chỉ số nén lún 𝐶% Chỉ số nén lún phục hổi 12 𝑐& Hệ số tương tác giữa lưới ĐKT và đất nền 𝐷 Đường kính trụ XMĐ 𝐸" Mô đun đàn hồi của đất nền 𝐸! Mô đun đàn hồi của trụ XMĐ 𝐸 Mô đun đàn hồi của hệ nền cọc gia cố 𝐸' Mô đun đàn hồi nền đất đắp 𝐸() Mô đun đàn hồi không thoát nước 𝐸!% Mô đun tới hạn 𝐸'* Mô đun đàn hồi tương đương Etr Hiệu quả truyền tải trọng 𝑒 Hệ số rỗng 𝐹"+ Ma sát hông dọc thân trụ XMĐ 𝐺 Độ bão hoà 𝐻 Chiều cao nền 𝑖 Độ bằng phẳng 𝐽 Cường độ chịu kéo lưới ĐKT 𝐾, Hệ số áp lực đất bị động 𝐾) Hệ số áp lực ngang của đất 𝑘 Hệ số thấm 𝑘, Tham số kiểm soát lực dính 𝑘" Hệ số thấm của đất 𝑘! Hệ số thấm của trụ XMĐ 𝐿 Chiều dài trụ XMĐ 𝐿 Vi phân toán tử trong phương pháp số 𝐿!- Chiều dài đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu 𝐿. Chiều dài đoạn đường gần mố cầu 𝐿/ Chiều dài từ cạnh gần mố đến đoạn đường thông thường 𝐿' Chiều dài gia cường tối thiểu 13 𝐿0 Chiều dài liên kết của lưới ĐKT chống lại lực kéo ngang của nền đắp 𝑙$! Chiều dài đặt tải cục bộ 𝑀1$2 Mô men lớn nhất trong trụ XMĐ [𝑀] Mô men giới hạn của trụ XMĐ 𝑁1$2 Nội lực lớn nhất trong trụ XMĐ [𝑁] Nội lực giới hạn của trụ XMĐ 𝑛 Hệ số tập trung ứng suất 𝑛! Số lượng trụ XMĐ trong vùng gia cường 𝑃 Tổng tải trọng tác dụng 𝑝! Áp lực tiền cố kết của đất nền 𝑃'3 Tải trọng nền đắp và hoạt tải tác dụng lên trụ XMĐ 𝑝!4 Ứng suất thẳng đứng trên đỉnh cọc 𝑞! Cường độ thiết kế trụ XMĐ 𝑄- Tổng tải trọng nền đắp và hoạt tải tác dụng 𝑞 Tải trọng xe quy đổi 𝑞5 Cường độ chịu nén tới hạn 𝑆2 Khoảng cách giữa 2 trụ theo phương x 𝑆# Khoảng cách giữa 2 trụ theo phương y 𝑆𝑃𝑇 Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT 𝑆𝑅𝑅 Tỷ số giảm ứng suất (Stress Reduction Ratio) 𝑆1$2 Chuyển vị lún lớn nhất 𝑆6&+ Chuyển vị lệch 𝑠 Khoảng cách từ tim đến tim trụ XMĐ 𝑇7 Lực kéo dọc trục lưới ĐKT 𝑇8 Cường độ chịu kéo tới hạn lưới ĐKT 𝑇1$2 Cường độ chịu kéo lớn nhất của lưới ĐKT 𝑡 Chiều dày lớp lưới ĐKT 𝑊9 Tải trọng phân bố trên lưới ĐKT 14 𝑊 Độ ẩm ở trạng thái tự nhiên 𝑊: Độ ẩm ở trạng thái giới hạn chảy 𝑊; Độ ẩm ở trạng thái giới hạn dẻo 𝑤$ Hiệu ứng vòm 𝑤+ Lực gây ra bởi nêm đất (hiệu ứng vòm) 𝑤<= Lực truyền bởi ma sát mặt 𝜎1$2 Ứng suất lớn nhất 𝜎! Ứng suất đứng trên trụ XMĐ 𝜎" Ứng suất đứng trên nền đất 𝜎"4 Ứng suất trong đất nền giữa các cọc 𝜎74 Ứng suất thẳng đứng trung bình tại đáy nền đắp 𝜀 Độ biến dạng của lưới ĐKT 𝜀 Thành phần biến dạng trong phương pháp số 𝜀7,1$2 Biến dạng dọc trục lớn nhất ∆𝑆 Độ lún lệch ∆𝑆! Độ lún dư kết cấu mố cầu ∆𝑆+ Độ lún dư của đoạn đường gần mố cầu hoặc cống sau 15 năm ∆𝑆6 Độ lún dư của đoạn nền đường thông thường sau 15 năm ∆𝑆!8 Độ lún dư thiết kế của kết cấu cống sau 15 năm ∆𝜎 Sự gia tăng ứng suất tổng ∆𝜎7 Sự gia tăng ứng suất đứng ∆𝜀 Sự gia tăng biến dạng ∆𝜀, Sự gia tăng biến dạng dẻo åS& Độ lún tổng cộng của móng cọc [𝑆] Độ lún cho phép 𝛿 Góc ma sát giữa đất và lưới ĐKT 𝛾 Trọng lượng riêng 𝛾4 Trọng lượng riêng hữu hiệu 15 𝛾'*4 Trọng lượng riêng tương đương 𝛾! Trọng lượng riêng trụ XMĐ 𝛾" Trọng lượng riêng đất nền 𝛾' Trọng lượng riêng nền đắp 𝜑 Góc nội ma sát hệ nền cọc gia cố 𝜑! Góc nội ma sát trụ XMĐ 𝜑" Góc nội ma sát đất nền 𝜑'* Góc nội ma sát trụ XMĐ tương đương 𝜑' Góc nội ma sát vật liệu đắp 𝜑5 Góc nội ma sát (không thoát nước) 𝜃 Góc phá hoại 𝜌 Hệ số vòm/ Hệ số giảm ứng suất 𝜇!?3 Hệ số tập trung ứng suất lên trụ XMĐ 𝜇" Hệ số tập trung ứng suất lên đất nền 𝜏 Ứng suất cắt 𝜈 Hệ số Poisson đất nền 𝜅 Hệ số trương nở của đất nền 16 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trước thực trạng nhiều tuyến đường xảy ra tình trạng lún lệch tại chỗ tiếp giáp giữa đường và cầu, gây ra sự khó chịu cho người tham gia và nguy cơ mất an toàn giao thông, Bộ Giao thông vận tải đã ban hành Quy định tạm thời về các giải pháp kỹ thuật công nghệ đối với đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu (cống) trên đường ô tô kèm theo Quyết định 3095/QĐ-BGTVT năm 2013. Quy định này cũng đã được Tổng cục đường bộ Việt Nam (nay là Cục đường bộ Việt Nam) cập nhật vào phụ lục E của Tiêu chuẩn khảo sát, thiết kế nền ô tô trên nền đất yếu TCCS 41:2022/TCĐBVN [1]. Nội dung của phụ lục E đề cập các yêu cầu kỹ thuật, công nghệ về thiết kế, thi công, bảo dưỡng và sửa chữa để đoạn chuyển tiếp giữa đường và cầu (cống) đảm bảo êm thuận. Giải pháp kỹ thuật công nghệ cho đoạn đường chuyển tiếp giữa đường và cầu có thể là: tăng chiều dài cầu để hạ thấp chiều cao đất đắp sau mố cầu; làm sàn giảm tải (trên hệ móng cọc); cống hộp dọc thay thế nền đắp; xử lý nền đất yếu dưới nền đắp; hoặc kết hợp xử lý nền đất yếu với các phương án trên. Trong nhóm các giải pháp xử lý nền đất yếu, khi các giải pháp tăng nhanh độ cố kết của đất yếu không khả thi thì trụ xi măng đất có thể là một giải pháp gia cường nền đất yếu cần được ưu tiên xem xét. Để tăng hiệu quả của giải pháp trụ xi măng đất, trên đỉnh trụ thường bố trí lớp truyền tải nhằm tăng tải trọng truyền vào trụ và giảm tải trọng truyền xuống đất yếu giữa các cọc. Lớp truyền tải này trước đây thường sử dụng cát vàng gia cố xi măng 6 ÷ 8% dày từ 0,7 ÷ 1m. Tuy nhiên, thời gian thi công kéo dài do phải chờ lớp này hình thành cường độ rồi mới tiến hành đắp các lớp bên trên. Ngoài ra, cường độ chịu kéo uốn của lớp cát gia cố xi măng nhỏ nên khả năng bị nứt tách khá cao khi chịu tải trọng lớn, dẫn đến giảm hiệu quả truyền tải. Gần đây, việc sử dụng lớp truyền tải mềm bằng lưới địa kỹ thuật kết hợp với cát, đá dăm hoặc cấp phối đá dăm được áp dụng khá phổ biến. Việc kết hợp lớp truyền tải mềm bằng lưới địa kỹ thuật với trụ xi măng đất còn được gọi là hệ nền cọc GRPS. Ưu điểm của giải pháp công nghệ này là đơn giản, tốc độ thi công nhanh, đảm bảo ổn định tốt và thân thiện với môi trường. Trên thế giới, các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ nền cọc GRPS đã được quan tâm thông qua các công bố quốc tế và tiêu chuẩn hóa để áp dụng rộng rãi như tiêu chuẩn Anh, BS 8006-1:2010 [2], hướng dẫn thiết kế của Đức, EBGEO:1995 [3] Tại Việt Nam, nghiên cứu về vấn đề này gần đây cũng được chú ý và thu được các kết quả có giá trị. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở nghiên cứu lý thuyết, hoặc mô hình vật lý thu nhỏ trong phòng thí nghiệm. Trụ xi măng đất trong các mô hình số và mô hình 17 vật lý mới chỉ xét ở dạng cọc chống (mũi cọc nằm tại tầng đất tốt), chưa xét tới bài toán với mô hình cọc treo/ ma sát (mũi cọc vẫn nằm trong tầng đất yếu có chiều dày lớn). Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng xử của nền đường đầu trên nền đất yếu gia cường trụ xi măng đất kết hợp lưới địa kỹ thuật” thông qua phân tích số với mô hình cọc treo và kiểm chứng với kết quả thí nghiệm hiện trường là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mô hình số nghiên cứu sự phân bố ứng suất và độ lún của trụ xi măng đất (dạng cọc treo) và đất nền xung quanh trụ trên đoạn đường đầu cầu xây dựng trên nền đất yếu được gia cường bằng trụ xi măng đất kết hợp với lưới địa kỹ thuật. - Thông qua thí nghiệm hiện trường kiểm chứng lại mô hình số, phân tích hiệu quả của giải pháp xử lý, độ tin cậy của kết quả tính toán lý thuyết và mô hình số. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đường đầu cầu xây dựng trên nền đất yếu có chiều dày lớn