Tóm tắt Luận án Một phương pháp tính toán trạng thái ứng suất biến dạng của nền đất yếu gia cố bằng cọc đất xi măng trong xây dựng công trình giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ -------------------------- PHẠM VĂN HUỲNH MỘT PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ -------------------------- PHẠM VĂN HUỲNH MỘT PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA NỀN ĐẤT YẾU GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 62 58 02 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. NGÔ HÀ SƠN HÀ NỘI - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Phạm Văn Huỳnh ii LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GS.TSKH. Hà Huy Cương, PGS.TS. Ngô Hà Sơn đã tận tình hướng dẫn và cho nhiều chỉ dẫn khoa học giá trị, đồng thời thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ, các chuyên gia, các nhà khoa học trong và ngoài Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi, thường xuyên giúp đỡ, chỉ dẫn và đóng góp ý kiến để luận án được hoàn thiện Tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ giảng viên Bộ môn cầu đường sân bay, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Phòng sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ môn Đường, Khoa Công trình, lãnh đạo trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải đã tạo điều kiện, giúp đỡ NCS trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã luôn động viên khích lệ và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Phạm Văn Huỳnh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3 5. Nội dung và bố cục của luận án ............................................................................. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CỐ NỀN ĐẤT YẾU BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG ........................................................................................................................ 5 1.1. Đất yếu và giải pháp xử lý nền đất yếu .............................................................. 5 1.1.1. Đất yếu Việt Nam .............................................................................................. 5 1.1.1.1. Đặc điểm của đất yếu ...................................................................................... 5 1.1.1.2. Phân bố đất yếu ............................................................................................... 7 1.1.2. Giải pháp xử lý đất yếu nền đường ..................................................................... 8 1.1.2.1. Yêu cầu chung của nền đường ô tô - sân bay ................................................... 8 1.1.2.2. Giải pháp xử lý nền đất yếu ............................................................................. 9 1.2. Xử lý nền đất yếu bằng cọc đất xi măng .......................................................... 10 1.2.1. Công nghệ và tình hình nghiên cứu áp dụng công nghệ .................................... 10 1.2.1.1. Công nghệ thi công ....................................................................................... 10 1.2.1.2. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ ................................................. 12 1.2.2. Ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau đến tính chất cơ học và cường độ của cọc đất xi măng ................................................................................................................ 15 iv 1.2.3. Tính toán gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng hiện nay ............................ 19 1.2.3.1. Phương pháp tính như “cọc cứng” ................................................................. 19 1.2.3.2. Phương pháp tính như nền đồng nhất ............................................................ 22 1.2.3.3. Phương pháp tính kết hợp “nền cọc” ............................................................. 25 1.3. Một số vấn đề rút ra từ nghiên cứu tổng quan và hƣớng nghiên cứu tiếp theo .. 31 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG ........................................................................... 33 2.1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng .. 33 2.2. Xây dựng mô hình bài toán xác định trạng thái ứng suất của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất ............................. 41 2.3. Giải bài toán bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn ........................................ 43 2.4. Khảo sát kiểm nghiệm bài toán ........................................................................ 46 2.5. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đơn đất xi măng ................................................. 48 2.5.1. Ứng suất và độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng............................ 48 2.5.2. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng có chỉ tiêu cơ lý khác nhau ............... 51 2.5.3. Gia cố nền đất yếu bằng cọc đất xi măng có kích thước hình học khác nhau .... 53 2.5.4. Một số vấn đề khi lựa chọn chiều dài cọc đất xi măng đảm bảo độ bền ............ 55 2.6. Gia cố nền đất yếu bằng nhóm cọc đất xi măng .............................................. 56 2.6.1. Trường ứng suất và độ bền của hệ nền - nhóm cọc ........................................... 57 2.6.2. Lựa chọn khoảng cách giữa các cọc đất xi măng đảm bảo độ bền .................... 59 2.6.3. Ứng suất và độ bền của hệ nền - nhóm cọc khi mũi cọc đặt trên lớp đất bền hơn .. 61 2.7. Kết quả và bàn luận .......................................................................................... 62 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU CƢỜNG ĐỘ GIỚI HẠN CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG .................................................................................. 64 3.1. Xây dựng và giải bài toán xác định cƣờng độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất ...................................... 64 3.1.1. Cơ sở xây dựng bài toán ................................................................................... 64 3.1.2. Xây dựng bài toán xác định cường độ giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng ...................................................................................................................... 69 3.2. Kiểm chứng kết quả lý thuyết - thực nghiệm của bài toán ............................. 71 v 3.2.1. Khảo sát, đánh giá, lựa chọn kích thước ô lưới sai phân của bài toán xác định cường độ giới hạn của nền đất tự nhiên ...................................................................... 72 3.2.1.1. Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của số điểm nút lưới sai phân ......................... 72 3.2.1.2. Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của kích thước ô lưới sai phân ........................ 72 3.2.2. Khảo sát và so sánh với lời giải giải tích của Prandtl xác định tải trọng giới hạn của nền đất tự nhiên không trọng lượng ..................................................................... 75 3.2.3. Khảo sát và so sánh với bài toán xác định tải trọng giới hạn đàn dẻo của nền đất .. 76 3.2.4. Khảo sát, đánh giá bài toán xác định tải trọng giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đơn đất xi măng với một số kết quả thực nghiệm ................................................. 78 3.3. Nghiên cứu đánh giá cƣờng độ giới hạn của nền đất trƣớc và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng ............................................................................................... 83 3.3.1. Cƣờng độ giới hạn của nền đất tự nhiên ....................................................... 83 3.3.2. Ứng suất, độ bền của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng khi đạt trạng thái giới hạn ............................................................................................................................. 84 3.3.3. Tải trọng giới hạn của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng theo các chỉ tiêu cơ lý và theo kích thước hình học của cọc đất xi măng ................................................... 86 3.3.3.1. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có lực dính đơn vị khác nhau .............. 86 3.3.3.2. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có góc ma sát trong khác nhau ............ 87 3.3.3.3. Trường hợp sử dụng cọc đất xi măng có kích thước hình học khác nhau ....... 88 3.4. Kết quả và bàn luận .......................................................................................... 90 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ CỦA NỀN ĐẤT GIA CỐ BẰNG CỌC ĐẤT XI MĂNG .............................................................................................. 91 4.1. Cơ sở xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng ..................................................................................................................... 91 4.2. Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đất xi măng ......................................................................................................................... 93 4.2.1. Nguyên lý cực trị Gauss và xây dựng phương trình xác định chuyển vị của nền đất theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss ........................................................... 94 4.2.1.1. Nguyên lý cực trị Gauss ................................................................................ 94 vi 4.2.1.2. Xây dựng phương trình xác định chuyển vị của nền đất theo phương pháp nguyên lý cực trị Gauss.............................................................................................. 94 4.2.2. Xây dựng bài toán xác định chuyển vị của hệ nền - cọc trong nửa mặt phẳng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng ................................................................ 97 4.3. Giải bài toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn ......................................... 99 4.4. Kiểm chứng và đánh giá lý thuyết - thực nghiệm .......................................... 104 4.4.1. Kiểm chứng kết quả xác định chuyển vị của bài toán với một số lời giải giải tích104 4.4.2. Kiểm chứng kết quả xác định chuyển vị (độ lún) của bài toán so với một số kết quả thí nghiệm hiện trường ...................................................................................... 106 4.4.3. Nhận xét chung .............................................................................................. 110 4.5. Chuyển vị của nền đất trƣớc và sau khi gia cố bằng cọc đất xi măng .......... 110 4.5.1. Chuyển vị của nền đất tự nhiên theo các đặc trưng đàn hồi ............................ 110 4.5.2. Chuyển vị của nền đất gia cố bằng cọc đơn đất xi măng ................................. 112 4.5.3. Chuyển vị của nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng .............................. 116 4.5.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cọc đến chuyển vị (độ lún tức thời) của bề mặt nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng ................................................... 117 4.5.3.2. Xác định mô đun đàn hồi của nền đất gia cố bằng nhóm cọc đất xi măng .... 118 4.6. Kết quả và bàn luận ........................................................................................ 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 122 1. Kết luận .............................................................................................................. 122 2. Hạn chế của luận án ........................................................................................... 123 3. Hƣớng tiếp tục nghiên cứu ................................................................................ 124 4. Kiến nghị ............................................................................................................ 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 126 vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT As - Diện tích đất trong phạm vi gia cố Ac - Diện tích tiết diện cọc đất xi măng gia cố ac - Tỷ lệ diện tích gia cố A.I.T - Viện Công nghệ Châu Á b - Bề rộng đặt tải ca - Lực dính đơn vi giữa cọc và đất xung quanh cọc cs - Lực dính đơn vị của đất nền cc - Lực dính đơn vị của vật liệu cọc đất xi măng cus - Độ bền cắt không thoát nước của đất sét yếu Cọc, trụ - Cọc đất xi măng, trụ đất xi măng Dc - Đường kính cọc đất xi măng Df - Chiều sâu mũi cọc tính từ mặt đất DMM - Phương pháp trộn sâu Eo - Mô đun tổng biến dạng của đất nền Ec - Mô đun đàn hồi của cọc đất xi măng Es - Mô đun đàn hồi (biến dạng) nền đất yếu Etb - Mô đun đàn hồi trung bình của hệ nền - cọc Fs - Hệ số ổn định của nền f(k) - Giá trị bền Mohr - Coulomb fs - Lực ma sát đơn vị trên đoạn dài ΔL G, Gc, Gs - Mô đun trượt của hệ nền - cọc, của cọc và đất xung quanh cọc tương ứng G, G0 - Mô đun trượt của hệ cần tính và hệ so sánh GT, GTVT - Giao thông, giao thông vận tải viii IP, IL - Chỉ số dẻo, độ sệt i, j - Thứ tự hàng, cột trong lưới sai phân k - Hệ số thấm của đất nền KHKT - Khoa học kỹ thuật LL - Giới hạn chảy Lc - Chiều dài cọc đất xi măng m, n - Số nút lưới sai phân theo chiều z, chiều x tương ứng min ηmax - Cực tiểu của ứng suất tiếp lớn nhất Nc, Nγ, Nq - Hệ số tải trọng giới hạn n - Hệ số tập trung ứng suất NC - Nghiên cứu nnk - Những người khác p - Cường độ tải trọng tác dụng pgh - Cường độ giới hạn, tải trọng giới hạn PL - Giới hạn dẻo PTHH - Phương pháp phần tử hữu hạn sghP , , cghP , - Tải trọng giới hạn phá hoại nền, phá hoại cọc đất xi măng ptx, ptz - Số điểm nút lưới theo chiều x, chiều z Pgh, Qgh - Lực chịu tải giới hạn qu - Cường độ kháng nén nở hông vật liệu đất xi măng Qp, Qf - Lực giới hạn chống mũi cọc, ma sát xung quanh cọc Qgh, nhom - Lực chịu tải giới hạn hệ nền - nhóm cọc Sgh - Độ lún giới hạn cho phép Sc - Khoảng cách từ tim đến tim hai cọc đất xi măng liền kề ix SPT - Thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPHH - Phương pháp sai phân hữu hạn TTGH1 - Trạng thái giới hạn 1 TTGH2 - Trạng thái giới hạn 2 TCVN - Tiêu chuẩn Việt Nam U - Chu vi của cọc u, w, u0, w0 - Chuyển vị ngang (x) và đứng (z) của hệ cần tính và hệ so sánh UCS - Thí nghiệm nén nở hông VN - Việt Nam Z - Phiếm hàm Z za - Chiều sâu khu vực tác dụng của nền đường Δh1, Δh2 - Độ lún của hệ nền - cọc, độ lún của đất dưới mũi cọc Δx, Δz - Kích thước ô lưới sai phân theo chiều x, chiều z Δxc , Δxs - Kích thước ô lưới cọc, ô lưới đất theo chiều x θa - Góc ma sát giữa đất và cọc θs, θc - Góc ma sát trong của nền đất, của cọc đất xi măng βi - Hệ số phụ thuộc vào sự nở hông của lớp đất i , s - Trọng lượng thể tích của đất nền c - Trọng lượng thể tích của cọc đất xi măng k - Trọng lượng thể tích khô của đất nền ε - Biến dạng tương đối εx, εz, γxz, ε 0 x, ε0z, γ 0 xz - Biến dạng dãn dài theo chiều x, chiều z và góc trượt trong mặt phẳng xz của hệ cần tính và hệ so sánh v - Tốc độ biến dạng thể tích x θ, θ0 - Biến dạng thể tích của hệ cần tính và hệ so sánh δ - Biến phân Ω - Hệ cần tính chuyển vị, hệ so sánh Ω, Ωc, Ωs - Miền lấy tích phân của hệ nền - cọc, của cọc, của đất ν, νs - Hệ số Poisson của đất νc - Hệ số Poisson của cọc đất xi măng ζ, ζ1, ζ2 - Ứng suất nén, ứng suất chính tương ứng ζx, ζz - Các ứng suất nén theo phương x, phương z ζh - Ứng suất nén lên cọc theo phương nằm ngang ζ0x , ζ 0 z, η 0 xz - Các ứng suất của hệ so sánh η, ηf, ηmax, - Ứng suất tiếp, ứng suất tiếp giới hạn, ứng suất tiếp lớn nhất ηxz, ηzx - Các ứng suất tiếp xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1a. Thay đổi ζx, ζz trục tim hệ theo chiều sâu khi được gia cố cọc ................. 49 Bảng 2.1b. Độ bền f(k) theo chiều sâu khi chưa gia cố và khi được gia cố bằng......... 50 cọc đất xi măng (trục tim hệ nền - cọc) ...................................................................... 50 Bảng 2.2. Tỷ lệ tăng ứng suất ζz khi tăng trọng lượng thể tích của cọc đất xi măng ... 52 Bảng 2.3. Độ bền của tim cột đất theo chiều sâu trước và sau khi gia cố với các khoảng cách đặt cọc Sc khác nhau .......................................................................................... 60 Bảng 3.1. Đánh giá sự thay đổi tải trọng giới hạn của nền đất khi thay đổi Δz ........... 73 Bảng 3.2. Đánh giá sự thay đổi tải trọng giới hạn khi thay đổi kích thước ô lưới Δxc 73 Bảng 3.3. pgh/cs theo góc ma sát trong của nền đất ..................................................... 77 Bảng 3.4. Kết quả tính tải trọng giới hạn theo bài toán và theo công thức thực nghiệm (gia cố nền bùn sét yếu bằng cọc đất xi măng) ........................................................... 79 Bảng 3.5. Cường độ giới hạn của đất bùn theo chỉ tiêu cơ lý (một số địa phương) ..... 84 Bảng 3.6. Tải trọng giới hạn theo lực dính đơn vị của cọc đất xi măng ...................... 86 Bảng 3.7. Tải trọng giới hạn theo góc ma sát trong của cọc ....................................... 87 Bảng 3.8. Tải trọng giới hạn của cọc đất xi măng theo đường kính của cọc đất xi măng . 88 Bảng 4.1. Bảng tọa độ nút phần tử chữ nhật ............................................................. 100 Bảng 4.2. Thông số thí nghiệm nén tĩnh cọc đơn đất xi măng tại Hải Phòng ............ 107 Bảng 4.3. Kết quả xác định chuyển vị của cọc đơn số 1 (Hải Phòng) ....................... 108 Bảng 4.4. Thông số thí nghiệm cọc đất xi măng (Sân bay Cần Thơ) ........................ 109 Bảng 4.5. Kết quả xác định chuyển vị của cọc đơn 1C4 (Sân bay Cần Thơ)............. 109 Bảng 4.6. Chuyển vị tại tim mặt của hệ nền - cọc theo Dc, Sc ................................... 118 Bảng 4.7. Chuyển vị tại tim mặt hệ nền - cọc theo áp lực của tải trọng tác dụng ...... 120 xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ bố trí cọc đất xi măng gia cố nền đất yếu .......................................... 11 Hình 1.2a. Ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ nén so với khi chưa gia cố (SDI=qu xử lý/ qu chưa xử lý) ................................................................................ 16 Hình 1.2b. So sánh ảnh hưởng chất gia cố đến cường độ nén các loại đất ở Thụy Điển .. 16 Hình 1.3a. Ảnh hưởng của thành phần hạt trong đất đến cường độ đất xi măng ......... 18 Hình 1.3b. Ảnh hưởng của vị trí, nguồn gốc đất đến cường độ nền