Luận văn Nghiên cứu giải pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật để xây dựng nhà kho, nhà xưởng trên nền đất yếu với diện tích lớn tại khu Hiệp Phước - Nhà Bè

LỜI CẢM ƠN Em xin chaân thaønh caûm ôn quyù Thaày Coâ trong boä moân ñòa cô neàn moùng, quyù Thaày Coâ ñaõ truyeàn ñaït cho em nhöõng kieán thöùc quyù baùu trong ba hoïc kyø qua. Hoâm nay, vôùi nhöõng doøng chöõ naøy, em xin baøy toû loøng bieát ôn saâu saéc nhaát. Em xin chaân thaønh caùm ôn Thaày PGS. TS. Voõ Phaùn, ngöôøi Thaày ñaõ taän tình höôùng daãn, giuùp em ñöa ra höôùng nghieân cöùu cuï theå, hoã trôï nhieàu taøi lieäu, kieán thöùc quyù baùu trong quaù trình hoïc taäp vaø nghieân cöùu. Em xin chaân thaønh caùm ôn caùc Thaày GS. TSKH. Leâ Baù Löông, GS.TS. nguyễn Văn thơ, TS. Chaâu Ngoïc Aån, TS. Leâ Baù Vinh, TS. Buøi Tröôøng Sôn, TS. Nguyeãn Minh Taâm, TS. Traø Thanh Phöông, TS. Traàn Xuaân Thoï vaø caùc thaày coâ trong boä moân ñaày nhieät huyeát vaø loøng yeâu ngheà, ñaõ taïo ñieàu kieän toát nhaát cho em hoïc taäp vaø nghieân cöùu khoa hoïc, luoân taän taâm giaûng daïy vaø cung caáp cho em nhieàu tö lieäu caàn thieát. Xin chaân thaønh caùm ôn caùc Ban chuû nhieäm khoa Kyõ Thuaät Xaây Döïng, Phoøng Ñaøo taïo Sau Ñaïi hoïc ñaõ giuùp ñôõ vaø taïo moïi ñieàu kieän thuaän lôïi cho em trong suoát quaù trình hoïc taäp. Moät laàn nöõa xin göûi ñeán Quyù Thaày, Coâ vaø Gia ñình loøng bieát ôn saâu saéc. TP. Hoà Chí Minh, thaùng 11 naêm 2009 Học viên NGUYEÃN VOÕ NGOÏC HUY TÓM TẮT Xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho kỹ sư ngành Địa kỹ thuật Xây dựng những thách thức lớn. đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn, tải trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho xưởng v.v… Giải pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật để xử lý nền đất yếu xây dựng nhà kho, nhà xưởng. Học viên nghiên cứu cụ thể trên địa chất khu vực Hiệp Phước huyện Nhà Bè để tìm ra biểu đồ quan hệ giữa tải trọng với chiều cao đệm H, khoảng cách giữa các cọc s và kích thước mũ cọc a dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ứng dụng của phần mềm Plaxis 2D. Dùng phương pháp phần tử hữu hạn cho kết quả kinh tế nhất so với việc sử dụng các công thức giải tích lý thuyết để tìm ra lực căng lớn nhất trong vải địa kỹ thuật. Để thiên về an toàn, tác giả đề nghị sử dụng phương pháp của Jones để tìm ra chuyển vị tương đối giữa cọc và đất cũng như lực căng lớn nhất trong vải địa gia cường. Phương pháp lý thuyết theo Marston (BS8006, 1995) cho kết quả chênh lệch quá lớn so với các phương pháp còn lại, quá thiên về an toàn nhưng lãng phí, cần xem xét kỹ lưỡng khi sử dụng phương pháp này. Sử dụng kết quả nghiên cứu để chọn khoảng cách cọc s, mũ cọc a, chiều cao đệm H hợp lý cho phương án cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ kết hợp vải địa gia cường đầu cọc. So sánh hiệu quả kinh tế với phương án gia tải trước bằng bấc thấm thì phương án cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật là kinh tế hơn và thời gian thi công là ngắn hơn. ABSTRACT The design constructions on weak foundation soils is a challenge to the geotechnical engineer. Especially, with major load constructions, dynamic load such as port construction, traffic construction and station yard…. Method of the concrete piles with minor session include the geosynthetic reinforcement to handle by construction on weak foundation soils. Student research into geology of Hiep Phuoc – Nha Be district to find out the diagram between loading and height buffer H, space of piles and pile cap by using a finite element program – Plaxis 2D. By using a finite element method (FEM) take more economical results than using theory formulas. In order to safe, student suggest using Jones’s method to find out relative settlement between piles and weak soils, the maximun tensor straight of geosynthetic reinforcement. Marston’s method (BS8006, 1995) results more different than other method; it is more safe but wasting, need to be considered carefully when using this method. By using the results to choose space of piles, pile cap, height buffer H suitable for method of the concrete piles with minor session include the geosynthetic reinforcement, which is more economical and saving time than preloading using prefabricated vertical drains method. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN............................................................................................................ 1 MỤC LỤC ................................................................................................................. 4 MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU............................ 4 1.1. Giới thiệu chung: ..............................................................................................................4 1.2. Phương pháp phân tích mức độ hiệu ứng vòm: .............................................................10 1.3. Hệ số suy giảm ứng suất: ...............................................................................................11 1.4. Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Ratio, n) .............................................12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP (BTCT) TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT ................................................13 2.1. Cọc BTCT tiết diện nhỏ: ...............................................................................................13 2.1.1. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ lý..........................................14 2.1.2. Sức chịu tải dọc trục của cọc theo vật liệu...................................................15 2.1.3. Xác định sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ của đất nền................15 2.1.4. Tính sức chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cơ học của đất nền. .........................16 2.1.5. Ma sát âm:...................................................................................................20 2.1.6. Kiểm tra ổn định của đất nền dưới mũi cọc..................................................21 2.2. Cơ sở lý thuyết về vải địa kỹ thuật: ...............................................................................21 2.2.1. Kiểm tra điều kiện ổn định trượt đất đắp trên vải địa kỹ thuật: ....................24 2.2.2. Sự liên kết giữa vải địa kỹ thuật với đất. ......................................................24 2.3. Cọc BTCT tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật...........................................................25 2.3.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................25 2.3.2. Nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng vòm trong đất: .........................................26 2.3.3. Cơ chế truyền lực: .......................................................................................39 2.3.4. Sự phân bố ứng suất: ...................................................................................41 2.3.5. Lý thuyết hiệu ứng màng: ............................................................................41 2.3.6. Thiết kế hệ cọc:............................................................................................54 2.4. Nhận xét..........................................................................................................................59 CHƯƠNG 3: SO SÁNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THEO PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM) CỌC BÊ TÔNG TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VĐKT KHU VỰC NHÀ BÈ...........................60 3.1. Giới thiệu ........................................................................................................................60 3.2. Địa chất khu vực Hiệp Phước – Huyện Nhà Bè. ............................................................60 3.2.1 Giới thiệu chung:.........................................................................................60 3.2.2 Địa chất Hiệp Phước – Nhà Bè: ..................................................................60 3.3. Cọc Bê tông tiết diện nhỏ kết hợp VĐKT xử lý cho nền nhà kho nhà xưởng khu vực Hiệp Phước – Huyện Nhà Bè. .................................................................................66 3.3.1 Mô hình bài toán .........................................................................................66 3.3.2 Nghiên cứu phân tích tính toán bằng phần mềm Plaxis................................66 3.3.3 So sánh và phân tích kết quả tính toán.........................................................71 3.3.4 Nhận xét và kết luận về kết quả so sánh giữa phương pháp lý thuyết và phần mềm Plaxis..........................................................................................73 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ĐỂ CHỌN GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN CHO CỌC BÊ TÔNG TIẾT DIỆN NHỎ KẾT HỢP VĐKT Ở VÙNG ĐẤT HIỆP PHƯỚC NHÀ BÈ. ..........................................................................................75 4.1. Giới thiệu ........................................................................................................................75 4.2. Phân tích và so sánh kết quả:..........................................................................................75 4.2.1. Phân tích kết quả giữa mối tương quan độ lún lệch DS với tải trọng ngoài q khi chiều cao H thay đổi. ..........................................................................75 4.2.2. Phân tích kết quả giữa mối tương quan độ lún lệch DS với H khi tải trọng ngoài q thay đổi ...........................................................................................83 4.2.3. Phân tích mối tương quan giữa hệ số tập trung ứng suất n với tải trọng ngoài q tác động khi thay đổi chiều cao H ...................................................89 4.2.4. Nhận xét và kết luận ....................................................................................94 4.3. So sánh hiệu quả kinh tế với phương pháp gia tải trước kết hợp bấc thấm. .........95 4.3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán bằng gia tải trước kết hợp bấc thấm:....................95 4.3.2. Tính toán gia tải trước kết hợp bấc thấm kho bãi Hiệp Phước – Nhà Bè : ...98 4.3.3. Tính toán cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật gia cố nền kho bãi khu vực Hiệp Phước – Nhà Bè bằng phần mềm plaxis: ........................103 4.3.4. So sánh hiệu quả kinh tế giữa phương pháp cố kết nền giả tải trước kết hợp bất thấm và phương pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật ..........................................................................................................110 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ .......................................................................................112 I. Kết luận ........................................................................................................................112 II. Kiến nghị ......................................................................................................................113 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................114 - 1 - MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề nghiên cứu: Việc xây dựng công trình trên nền đất yếu đặt ra cho kỹ sư ngành Địa Kỹ Thuật những thách thức lớn, đặc biệt là xây dựng những công trình chịu tải trọng lớn, tải trọng động như công trình cảng, công trình giao thông, các công trình bến bãi kho xưởng v.v… Có nhiều phương pháp gia cố nền đất yếu như gia tải trước bằng cọc cát hoặc bất thấm, cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, cọc bêtông, sàn giảm tải v.v…, nhưng giải pháp cọc bê tông kết hợp vải địa kỹ thuật là chưa phổ biến ở Việt Nam, và cũng chưa có quy trình quy phạm để hướng dẫn áp dụng. Việc nghiên cứu giải pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật để xây dựng nhà kho, nhà xưởng trên nền đất yếu với diện tích lớn, tác giả nghiên cứu cụ thể trên địa chất khu vực huyện Nhà Bè để tìm ra mối quan hệ tương hổ giữa tải trọng với độ lún lệch giữa cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ và nền đất yếu xung quanh, cũng như các mối liên hệ giữa chiều cao đắp đến khoảng cách giữa các cọc, nghiên cứu hiệu quả truyền tải trọng của hiệu ứng vòm trong nền đất đắp tác dụng lên đầu cọc khi kết hợp vải địa kỹ thuật đặt trên đầu cọc. Để đánh giá hiệu quả của phương pháp cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật, tác giả sẽ so sánh hiệu quả kinh tế với một phương pháp khác như gia tải trước bằng bấc thấm để nền có thể chịu được tải trọng là 100kN/m2. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài · Nghiên cứu ứng xử và phân bố lại ứng suất trong nền đất yếu gia cố hệ cọc bê tông cốt thép tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật cường độ cao trên đầu cọc, từ đó phân tích ổn định và biến dạng của nền đất, xây dựng các mối quan hệ giữa tải trọng nền đắp với độ lún lệch, độ lún lệch với khoảng cách cọc v.v… - 2 - · Ứng dụng vào việc tính toán thiết kế ổn định nền cho các nhà kho, nhà xưởng, kho bãi xây dựng trên vùng đất Hiệp Phước - Nhà Bè. · So sánh hiệu quả kinh tế với phương án gia tải trước bằng bấc thấm chịu tải trọng công trình là 100kN/m2. 3. Phương pháp nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về việc tính toán và kiểm tra sức chịu tải của cọc BTCT, tính toán ổn định nền công trình đắp và kiểm tra khả năng chịu kéo của vải địa kỹ thuật, về sự phận bố lại ứng suất trong nền cát gia cố cọc bê tông tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật, từ đó áp dụng tính toán thiết kế gia cố nền nhà kho, nhà xưởng, bến bãi. Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis để phân tích ổn định biến dạng của nền đất yếu gia cố bằng cọc tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật. Ứng dụng công cụ phần mềm máy tinh để so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật với phương án sự dụng phương pháp gia tải nền đất yếu bằng gia tải trước bằng bấc thấm. 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài Việc bố trí lớp vải địa kỹ thuật trên đầu cọc phân cách lớp đất yếu với đệm cát bên trên, hiệu ứng vòm trong đêm cát xuất hiện sẽ phân bố lại ứng suất giúp truyền tải trọng ngoài vào đầu cọc, giảm tải trọng tác dụng lên nền đất yếu. 5. Giá trị thực tiễn của đề tài Phương pháp gia cố này sẽ giúp cho nền giảm sự lún lệch giữa cọc và nền, và biến dạng của nền cho phép trong phạm vị nhất định. Quá trình thi công không phức tạp, hiệu quả kinh tế cao, nên khuyến khích áp dụng để gia cố nền đất yếu rộng rãi trong thời gian sắp tới ở nước ta và nói riêng ở vùng Hiệp Phước - Nhà Bè trong công cuộc xây dựng khu công nghiệp, khu dân cư, khu đô thị mới. - 3 - 6. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Phương pháp gia cố nền bằng cọc tiết diện nhỏ kết hợp vải địa kỹ thuật làm phân bố lại ứng suất trong nền cát bên trên lớp vải địa kỹ thuật, truyền tải trọng bên trên lên đầu cọc xuống tầng đất tốt bên dưới, nhưng không làm tăng cố kết của nền đất bên dưới, nên việc lựa chọn phương pháp gia cố nền cần xem xét tính chất và quy mô của công trình bên trên. Trong phạm vi giới hạn của luận văn chỉ so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật với phương pháp gia cố nền bằng gia tải trước bằng bấc thấm, không so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật với các phương pháp gia cố nền khác, nên việc vận dụng lựa chọn phương pháp gia cố nền cần được xem xét và tính toán kỹ lưỡng. - 4 - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VẢI ĐỊA KỸ THUẬT XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU 1.1. Giới thiệu chung: Để thi công công trình nền đường đắp cao, kho xưởng bến bãi tải trọng lớn trên nền đất yếu có nhiều biện pháp cải tạo đất nền khác nhau như: phương pháp gia tải trước bằng cọc cát hoặc bấc thấm, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian gia tải, chi phí gia tải là không nhỏ, phương pháp sử dụng cọc bê tông cốt thép kết hợp sàn giảm tải, phương pháp này chi phí xây dựng rất lớn, chỉ có thể áp dụng cục bộ cho một bộ phận công trình, như đường vào cầu, nhà kho với quy mô nhỏ. các phương pháp khác như cải tạo đất bằng cọc cát, cọc đất trộn xi măng, cọc đất trộn vôi, phương pháp này cần đảm bảo chất lượng của vật liệu và công nghệ thi công nên việc thực hiện cũng khó khăn và cần nghiên cứu kỹ v.v… Reid và Buchanan (1983) đã sớm sử dùng hệ cọc để truyền tải trọng nền đường xuống tầng đất có đủ khả năng chịu lực bên dưới, sử dụng hệ cọc này có nhiều lợi ích như xây dựng công trình nhanh chóng, hạn chế tối đa độ lún nền đấp, giảm tối thiểu bề rộng lề đường. Hewlett và Randolph (1988) đã phát triển và sử dụng tấm màng trải trên đỉnh cọc, giúp tăng khoảng cách giữa các cọc, tăng tối đa hiệu quả kinh tế. Tùy theo mức độ công trình mà có thể sử dụng hệ cọc là cọc bê tông, cọc đá, cọc vôi, cọc đất trộn ximăng, cọc gỗ v.v… Phương pháp sử dụng hệ cọc gia kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường trên đầu cọc trong nền đất yếu đã đạt được nhiều thành công trên nhiều nước. Vải địa kỹ thuật gia cường với độ bền chịu kéo cao sẽ làm giảm độ lún lệch, tăng khả năng mang tải và ổn định mái dốc trong nền đất yếu. Hệ cọc kết hợp vải địa kỹ thuật (GRPS : Geosynthetic - 5 - Reinforced Pile Supported) sử dụng vải địa kỹ thuật gia cường cách ly là tăng hiệu suất của sự truyền tải vào cọc mà không làm tăng độ lún lệch giữa các mũ cọc. Han (1999), đã khảo sát một vài dự án và nhận thấy rằng tải trọng nền đắp truyền vào mũ cọc đạt từ 60-70%, trong hệ thống GRPS với số lượng cọc chiếm khoảng 10 - 20%, trong GRPS thì kích thước cọc sẽ giảm nhỏ, mũ cọc và khoảng cách cọc lớn, điều này làm giảm giá thành so với các phương án thi công khác và tiến độ thi công sẽ nhanh hơn. Sự truyền tải trọng từ nền đắp xuống nền có GRPS là sự kết hợp hiệu quả của hiệu ứng vòm trong nền đắp, sự gia tăng độ cứng và sự tập trung ứng suất. Hơn nữa, hiệu quả của sự truyền tải trọng này tùy thuộc vào số lượng lớp tấm gia cường, độ chịu kéo của tấm gia cường. Cơ chế truyền tải trọng được định nghĩa như sau: 1. 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. Khi trong nền đất có hệ cọc thì khối đất bên trên có xu hướng chuyển dịch ứng suất vào vị trí trên đầu cọc, ứng suất cắt phát triển giữa khối đất đứng yên và khối đất có xu hướng chuyển gây ra sự truyền một phần tải trọng của nền đắp vào hệ cọc. 2. Sự tập trung ứng suất: do độ cứng khác nhau giữa cọc và đất yếu xung quanh cho kết quả là ứng suất tập trung trên đỉnh cọc theo phương thẳng đứng lớn hơn so với ứng suất truyền vào đất. Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Ratio_n), là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ của hiệu ứng vòm và được Han và Gabr (2002) định nghĩa là tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào cọc sp với tỷ số ứng suất thẳng đứng truyền vào đất nền ss. 3. Ứng suất kéo trong cốt gia cường: Ứng suất kéo phát triển trong vải địa kỹ thuật gia cường là kết quả của sự biến dạng phát triển khác nhau giữa độ lún của nền đất yếu và hệ cọc. Khi lực kéo gia tăng trong cốt gia cường, hiệu ứng màng sẽ giúp nâng đỡ lớp đắp bên trên và truyền tải trọng xuống hệ cọc. - 6 - Khi kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường đầu cọc, thì hiệu ứng vòm và hiệu ứng màng giúp làm tăng hiệu quả của phương pháp này. Hình 1.1 Sử dụng hệ cọc gỗ kết hợp vải địa kỹ thuật gia cường nền đường Kyoto Hình 1.2: Thi công cọc gỗ nền đường ở Gorinchem, Hà Làn (2007) - 7 - 1, 0m2, 7m 2,6¸3,0m Ñænh neàn cöùng Coïc gia coá neàn Neàn ñaép Nhaø xöôûng Muõ coïc Maët ñaát töï nhieân 3 lôùp vaûi ñòakyõ thuaät Hình 1.3 Gia cố nền nhà xưởng bằng hệ thống cọc bê tông cốt thép kết hợp vải địa kỹ thuật (Han và Akins, 2002) Vaûi ñòa kyõ thuaät Ñaát ñaép Baûn maët caàu Coïc döôùi moá caàu Ñaát yeáu Coïc gia coá neàn Coïc gia coá neàn Hình 1.4 Gia cố đường vào cầu bằng hệ cọc kết hợp vải địa kỹ thuật (Reid và Buchanan, 1984) - 8 - Hình 1.5 Hệ cọc nền đường xe bus ở Hà Lan (2007) Hình 1.6 Vải địa kỹ thuật gia cường trên đầu cọc – đường xe bus (HàLan 2007) - 9 - Hình 1.7 Đường xe lửa trên hệ th