Tiến Sĩ Nghiên cứu xác định các thông số chính khi sử dụng hệ cọc đất xi măng trong xây dựng nền đường đắp

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2014
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT YẾU Ở VIỆT NAM . 4
1.1.1. Nguồn gốc và các loại đất yếu thường gặp ở nước ta . 4
1.1.2. Sự phân bố các vùng đất yếu ở Việt Nam . 5
1.1.2.1. Đồng bằng Bắc bộ 5
1.1.2.2. Đồng bằng ven biển miền Trung 5
1.1.2.3 Đồng bằng Nam Bộ 5
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NỀN ĐẤT YẾU TRONG XDCT GIAO THÔNG
TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM . 6
1.2.1. Các nguyên tắc xử lý nền đất yếu trong công trình giao thông 6
1.2.2. Các giải pháp xử lý nền đường đắp trên đất yếu hiện nay 6
1.2.2.1. Giải pháp thay đất 6
1.2.2.2. Giải pháp đắp trực tiếp và đắp dần theo thời gian . 7
1.2.2.3. Giải pháp bệ phản áp 7
1.2.2.4. Giải pháp đất có cốt 8
1.2.2.5. Giải pháp vải địa kỹ thuật 9
1.2.2.6. Giải pháp nền đắp trên móng cứng (cọc bê tông cốt thép - sàn giảm tải) . 11
1.2.2.7. Giải pháp cọc cát 12
1.2.2.8. Giải pháp bấc thấm . 12
1.2.2.9. Giải pháp giếng cát . 13
1.2.2.10. Giải pháp cọc đất xi măng 14
1.2.2.11. Các giải pháp khác . 15
1.3. TỔNG QUAN VỀ CỌC ĐẤT XI MĂNG (CĐXM) . 16
1.3.1. Khái niệm 16
1.3.2. Phân loại 17
1.3.3. Lịch sử phát triển cọc đất xi măng 18
1.3.3.1. Trên thế giới . 18
1.3.3.2. Ở Việt Nam 18
1.3.4. Các ứng dụng cọc đất xi măng 20
1.3.4.1. Xây dựng các tường chống thấm . 20
1.3.4.2. Ổn định và chống đỡ thành hố móng . 21
1.3.4.3. Gia cố nền đất yếu 21
1.3.4.4. Giảm nhẹ và ngăn chặn sự hóa lỏng (cát chảy) . 21
1.3.4.5. Làm các tường trọng lực, gia cố cọc 21
1.3.4.6. Cô lập và ngăn chặn vùng đất bị ô nhiễm 22
1.3.5. Xi măng và cơ chế hình thành cọc đất xi măng 22
1.3.5.1. Xi măng 22
1.3.5.2. Cơ chế phản ứng của xi măng với các loại đất 24
1.3.6. Công nghệ thi công cọc đất xi măng . 27
1.3.6.1. Đặc điểm công nghệ . 27
1.3.6.2. Phương pháp trộn khô 28
1.3.6.3. Phương pháp trộn ướt . 29
1.3.6.4. Bố trí cọc đất xi măng 30
1.4. NHỮNG TỒN TẠI TRONG QUÁ TRÌNH TÍNH THOÁN THIẾT KẾ CĐXM
VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG GIẢI QUYẾT 30
1.5. Kết luận chương I . 33
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MÔ HÌNH TÍNH TOÁN HỢP LÝ KHI
THIẾT KẾ HỆ CĐXM ĐỂ GIA CƯỜNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU . 34
2.1. TỔNG QUAN 34
2.2. NHÓM CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THEO TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 35
2.2.1. Phương pháp tính toán theo quan điểm cọc đất xi măng làm việc như cọc cứng 35
2.2.2. Phương pháp tính toán theo quan điểm làm việc như nền tương đương 35
2.2.3. Phương pháp tính toán theo quan điểm hỗn hợp của Viện công nghệ châu Á . 37
2.2.4. Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn châu Âu 39
2.2.5. Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn Thượng Hải -Trung Quốc 41
2.2.6. Phương pháp tính toán trong các hồ sơ thiết kế ở Việt Nam 41
2.2.7. Phương pháp thiết kế theo BCJ của Nhật Bản 44
2.2.8. Phương pháp thiết kế theo CDIT của Nhật Bản 50
2.3. NHÓM CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP PTHH 58
2.3.1. Giới thiệu một số chương trình PTHH thường dùng để giải các bài toán địa kỹ
thuật hiện nay 59
2.3.1.1. Phần mềm LagaProgs V5.1 59
2.3.1.2. Phần mềm Plaxis V8.2 . 61
2.3.2. Tóm lược các lý thuyết cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng để
giải các bài toán địa kỹ thuật . 63
2.3.2.1. Lý thuyết về chuyển vị . 63
2.3.2.2. Lý thuyết dòng nước ngầm 69
2.3.2.3. Lý thuyết về cố kết . 72
2.4. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐỂ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ CỌC ĐẤT XI
MĂNG TRONG GIA CƯỜNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU 76
2.5. LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA PHẦN MỀM PLAXIS V8.2
SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN . 79
2.5.1. Các loại phần tử sử dụng trong phần mềm Plaxis V8.2 79
2.5.2. Các mô hình quan hệ vật liệu 80
2.5.2.1. Mô hình đàn hồi tuyến tính 80
2.5.2.2. Mô hình Mohr-Coulomb 81
2.5.2.3. Mô hình tái bền (mô hình đất cứng hoá) 83
2.5.2.4. Mô hình từ biến của đất yếu (ứng xử phụ thuộc thời gian ) 84
2.5.2.5. Lựa chọn mô hình vật liệu . 85
2.5.3. Các mô hình tính toán . 85
2.5.3.1. Mô hình biến dạng phẳng . 85
2.5.3.2. Mô hình 3D 86
2.5.3.3. Mô hình đối xứng trục 86
2.5.4. Các đặc trưng cơ lý của vật liệu 88
2.5.4.1. Tính thấm . 88
2.5.4.2. Cường độ lớp phân giới Rinter . 88
2.5.4.3. Mô đun đàn hồi (E) 89
2.5.4.4. Hệ số poisson () 90
2.5.4.5. Lực dính đơn vị (c) . 90
2.5.4.6. Góc nội ma sát () 90
2.5.4.7. Góc trương nở () 91
2.6. Kết luận chương . 91
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHÍNH KHI SỬ
DỤNG HỆ CĐXM TRONG XÂY DỰNG NỀN ĐƯỜNG ĐẮP TRÊN ĐẤT YẾU . 92
3.1. VẤN ĐỀ ĐẶT RA . 92
3.2. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH SƠ ĐỒ BỐ TRÍ HỢP LÝ HỆ CXMĐ 92
3.2.1. Phân tích mô hình tính toán hợp lý khi xét ảnh hưởng các thông số hình học . 92
3.2.2. Các nội dung tính toán 93
3.2.2.1. Các giả thiết tính toán 93
3.2.2.2. Các số liệu địa chất phục vụ tính toán . 94
3.2.2.3. Các trường hợp tính toán 94
3.2.3. Dự án đường cao tốc Bến Lức - Long Thành (gói thầu A5) 95
3.2.3.1. Giới thiệu về dự án . 95
3.2.3.2. Các thông số chính của nền đường và CĐXM 95
3.2.3.3. Tính toán với trường hợp không xét đến độ lún cố kết theo thời gian 96
3.2.3.4. Tính toán với trường hợp có xét đến lún cố kết theo thời gian 98
a. Đường kính cọc (D) cố định, khoảng cách cọc (d) thay đổi 98
Phương pháp tính toán theo tiêu chuẩn gia cố CĐXM Việt Nam 101
Nhận xét 102
b. Đường kính cọc thay đổi (D) thay đổi, khoảng cách cọc (d) cố định . 103
Nhận xét 105
c. Đường kính, khoảng cách cọc cố định, chiều dài cọc (L) thay đổi . 105
Nhận xét . 107
d. Khảo sát tìm ra chiều dài CXMĐ hợp lý 107
Kết luận . 109
3.2.4. Dự án đường cao tốc Bến Lức - Long Thành (Gói thầu A4) 110
3.2.4.1. Các thông số chính của nền đường và CĐXM 110
3.2.4.2. Phân tích các kết quả tính toán . 111
a . Đường kính cọc (D) cố định, khoảng cách cọc (d) thay đổi 111
Nhận xét 116
b. Đường kính cọc (D) thay đổi , khoảng cách cọc (d) cố định 116
Nhận xét 118

c. Đường kính, khoảng cách cọc cố định, chiều dài cọc (L) thay đổi . 118
3.2.5. Tính ở hầm chui đường sắt trên đại lộ Thăng Long 122
3.2.5.1. Giới thiệu về dự án . 122
3.2.5.2. Các thông số chính của nền đường và CĐXM 122
3.2.5.3. Phân tích các kết quả tính toán . 123
a. Đường kính cọc (D) cố định, khoảng cách cọc (d) thay đổi . 124
Nhận xét 128
b. Đường kính cọc (D) thay đổi, khoảng cách cọc (d) cố định . 128
Nhận xét 129



c. Đường kính, khoảng cách cọc cố định, chiều dài cọc thay đổi 129
Nhận xét 132
3.2.6. Đường Liên Cảng Thị Vải - Cái Mép . 132
3.2.6.1. Giới thiệu về dự án . 132
3.2.6.2. Các thông số chính của nền đường và CĐXM 133
3.2.6.3. Phân tích các kết quả tính toán . 134
a .Đường kính cọc(D) cố định, khoảng cách cọc (d) thay đổi 134
Nhận xét 136
b. Đường kính, khoảng cách cọc cố định, chiều dài cọc thay đổi . 136
Nhận xét 138
3.2.7. Đường đầu cầu Nguyễn văn Trỗi - Trần Thị Lý . 138
3.2.7.1. Giới thiệu về dự án . 138
3.2.7.2. Các thông số chính của nền đường và CĐXM 138
3.2.7.3. Phân tích các kết quả tính toán . 139
a .Đường kính cọc(D) cố định, khoảng cách cọc (d) thay đổi 140
Nhận xét 141
b. Đường kính, khoảng cách cọc cố định, chiều dài cọc thay đổi . 141
Nhận xét 143
3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 143
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 144
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 146
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 147
1. Lý do chọn đề tài
Nền đường là bộ phận quan trọng của đường ô tô. Bảo đảm ổn định nền đường là
điều kiện tiên quyết để đảm bảo ổn định cho lớp áo đường và cả tuyến đường. Các
tuyến đường ở nước ta trải dài từ Bắc đến Nam và hầu hết đều đi qua các châu thổ có
địa chất đất yếu. Do vậy việc nghiên cứu, lựa chọn giải pháp xử lý nền đất yếu để đảm
bảo ổn định cho các tuyến đường ở nước ta là một yêu cầu cấp bách hiện nay.
Hiện nay trên thế giới cũng như ở nước ta để xử lý nền đất yếu có rất nhiều
phương pháp khác nhau, trong đó có phương pháp trộn sâu (Deep Mixing Method -
DMM) hay còn gọi là biện pháp sử dụng cọc đất xi măng (CĐXM) đã và đang được áp
dụng rộng rãi trong xây dựng các công trình nhà cao tầng, giao thông, thủy lợi
[34] Thực tế cho thấy, khi sử dụng CĐXM bên cạnh những vấn đề về quy trình và
kiểm soát chất lượng thi công, thì vấn đề tính toán thiết kế CĐXM đặt ra những yêu
cầu cần phải giải quyết. Theo đó, hiện nay các tiêu chuẩn ở nước ta , [1], [2], [3], [4],
[5], [6], [28] phục vụ cho việc tính toán nền đất yếu đặc biệt là CĐXM mới chủ yếu
tập trung vào vấn đề thi công và vật liệu mà chưa đề cập đến đặc điểm ứng xử cục bộ,
trạng thái ứng suất, biến dạng của nền đất sau gia cố, cũng như chưa có những hướng
dẫn cụ thể về việc lựa chọn các thông số cơ bản như đường kính cọc (D), khoảng cách
giữa các cọc (d) , tỷ lệ khoảng cách và đường kích cọc (d/D) hay chiều dài của các cọc
(L) Điều này dẫn đến các dự án sử dụng CĐXM hiện nay chưa có sự thống nhất về
lựa chọn mô hình tính toán cũng như các thông số chủ yếu của CĐXM.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận án nhằm lựa chọn mô hình tính toán hợp lý khi thiết kế hệ
CĐXM để gia cường nền đường đắp trên đất yếu là mô hình đối xứng trục được giải
bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Trên cơ sở đó luận án đã tiến hành khảo sát các
trường hợp sử dụng hệ CĐXM trong các điều kiện địa chất khác nhau ở Việt Nam;
phân tích, đánh giá và xác định được các thông số chính của hệ CĐXM phù hợp với
các điều kiện cụ thể của công trình.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
Đối tượng nghiên cứu : Nền đất yếu được gia cố bằng CĐXM để tăng khả năng chịu
tải, giảm độ lún của nền đường cấp cao.
Phạm vi nghiên cứu : NCS đã lựa chọn nhiều điều kiện địa chất khác nhau đại diện cho
địa chất của các vùng miền ở nước ta để tính toán và phân tích các số liệu nghiên cứu.